聯合抽采方法在U型通風工作面的瓦斯治理應用

張雪雷 韓 兵 趙 偉

（1.山西晉城藍焰煤業股份有限公司成莊礦；2.煤科集團沈陽研究院有限公司；3.煤礦安全技術國家重點實驗室）

采空區上隅角瓦斯積聚問題與治理技術一直是煤礦安全領域的熱點。國內外學者對采空區瓦斯分布規律及治理技術進行了大量研究，魏國山等［1］針對U 型通風采煤工作面上隅角瓦斯超限問題提出了設置擋風簾、上隅角瓦斯抽采、埋管抽采、高位鉆孔抽采等治理方法。賈寶財等［2］對U 型通風上隅角瓦斯治理的5種方法進行了分析，總結出了較好處理上隅角瓦斯超限的方法。林柏泉等［3］對平煤十礦U 型通風工作面風流與瓦斯涌出之間的關系進行了研究，提出了前進式預埋管法等采空區瓦斯抽采技術。采用U 型通風方式，由于工作面上隅角處風流不暢，采空區內瓦斯易聚集于上隅角處，造成瓦斯超限［4-8］。本研究針對U 型通風工作面上隅角瓦斯治理技術及治理效果進行探討。

1 礦井概況及存在的問題

成莊礦位于山西省晉城市，產量為8.0 Mt/a，為高瓦斯礦井，可采煤層為3#、9#、15#煤層，其中3#煤層平均厚度為6.0 m，為主采煤層，無煤塵爆炸危險，屬不易自燃煤層。3#煤層采用綜采放頂煤及綜采一次采全高2種采煤方法，通風方式為中央并列和對角混合式，通風方法為機械抽出式。

隨著成莊礦3#煤層開采逐漸加深，目前開采四盤區、五盤區，煤層瓦斯含量明顯增大，加之工作面產量大，造成工作面治理困難。礦井開采初期，工作面主要采用Y型或偏Y型通風系統，能夠通過尾巷通風的方法排放大量的瓦斯，但該通風系統存在采空區漏風嚴重、系統不可靠、尾部橫川瓦斯大、瓦斯涌出不均衡及巷道維護困難等問題。

后經技術改造將Y 型通風方式改造為U 型通風方式，工作面回風橫川從采空區內側前移至采空區外側，工作面負壓點由回風橫川轉移至上隅角處，避免了尾巷回風排放瓦斯的不安全因素。但由于工作面負壓點的轉移，使得工作面上隅角排風不暢，高濃度瓦斯容易聚集在采空區，造成瓦斯超限事故，為此礦方提出了針對U 型通風的高濃度小流量—低濃度大流量聯合抽采方法，對采空區上隅角瓦斯進行綜合治理。

2 工作面概況

4322綜放工作面位于成莊礦四盤區，南臨四盤區大巷，北臨2322工作面（已回采），東臨4320工作面（已回采），西臨4308 工作面（未回采）。工作面埋深為340～473 m，走向長1 517 m，傾斜長289 m；平均煤厚6.41 m。煤層直接頂、老頂均為泥巖，直接頂厚1.52 m，老頂厚20.38 m。4322工作面受單斜構造控制，局部發育有小的向斜和背斜，主要表現為工作面東高西低，原始瓦斯含量為8～10 m3/t。

4322 工作面回采前，經長時間的本煤層瓦斯預抽，使煤體瓦斯含量從11 m3/t 下降至6 m3/t 以下，可解吸瓦斯含量降至4 m3/t 以下。由于4322 工作面產量高，加之工作面的遺煤及鄰近層瓦斯的涌入，4322工作面預抽后絕對瓦斯涌出量仍然高達30 m3/min 及以上，且由于U 型通風工作面的特點，使得上隅角瓦斯易聚集。

為解決U 型通風工作面的瓦斯涌出問題，成莊礦開提出了高濃度小流量—低濃度大流量聯合抽采方法對工作面采空區及上隅角瓦斯進行綜合治理。

3 高濃度小流量—低濃度大流量聯合抽采技術

高濃度小流量—低濃度大流量聯合抽采方法由兩部分組成，第一部分高濃度小流量的高位定向鉆孔布置于工作面煤層上方裂隙帶內，抽采高純度的瓦斯，能夠有效降低工作面瓦斯涌出的絕對量；第二部分低濃度大流量的工作面橫川插管抽放，利用井下羅茨泵超大流量的特點，有效影響采空區風流，降低上隅角瓦斯聚集，減小上隅角瓦斯濃度，聯合抽采方法見圖1。

3.1 高濃度小流量抽采技術

成莊礦采用定向技術施工工作面高位抽采鉆孔，鉆孔布置層位位于裂隙帶內，根據現場工業性試驗及數值模擬結果，成莊礦4322工作面采空區上覆巖層裂隙帶高度為31.25～88.39 m，裂隙帶高位為采高的5～14倍。

4322工作面高位鉆孔鉆場布置在43222巷，間隔300～400 m 布置一組高位定向鉆孔，每個鉆場施工5～8 個鉆孔，鉆孔長度為256～513 m，鉆孔終孔層位為53.1～99.8 m，距巷道39.7～63.5 m，剖面形態見圖2，鉆孔布置具體參數見表1。

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鉆孔施工前期，由于煤層頂板尚未垮落，瓦斯流量較小，當在工作面推過鉆孔終孔位置35 m 后頂板垮塌并形成裂隙，瓦斯流量開始增大，瓦斯抽采濃度為35.3%～68.9%，隨著工作面逐步推進，單孔瓦斯抽采純量為0.6～4.3 m3/min，鉆場合計抽采瓦斯純量為5.8～13.3 m3/min。

3.2 低濃度大流量抽采技術

成莊礦為改善上隅角風流狀況，降低瓦斯濃度，在4311 措施巷建設一座井下抽采泵站，泵站內安裝2 臺ZJW500 型煤礦用濕式羅茨真空泵，一用一備，在43222 巷加設了一趟DN600 型的低濃度大流量瓦斯抽采管路，用于43222 密閉墻內的采空區瓦斯抽放。低濃度大流量抽采管路混合流量能夠達到420 m3/min 以上，工作面總回風量為3 200 m3/min，抽采量占回風量的12.5%，能夠改變采空區局部風流場，將工作面上隅角負壓區域向采空區方向后移，減小了上隅角瓦斯聚集的可能性。根據統計，低濃度大流量抽采管路瓦斯平均濃度為0.9%～2.83%，混合流量為424.74 m3/min，抽采純量為2.01～7.13 m3/min。

3.3 抽采效果分析

成莊礦4322 工作面通過采用高濃度小流量—低濃度大流量聯合抽采技術對采空區上隅角瓦斯進行治理，取的了較好的抽采效果，見圖3，其中高濃度小流量的高位定向鉆孔抽采瓦斯濃度達35.3%～68.9%，瓦斯純量為5.8～13.3 m3/min；低濃度大流量抽采管路瓦斯平均濃度為0.9%～2.83%，抽采純量為2.01～7.13 m3/min，抽采混合流量為424.74 m3/min，占工作面總回風量的12.5%，有效降低了工作面上隅角的瓦斯濃度。采用聯合抽采方法前，風排瓦斯量平均為22.4 m3/min，采用聯合抽采方法后，風排瓦斯量平均降低為17.86 m3/min，且回風巷瓦斯濃度維持在0.4%以下，上隅角瓦斯穩定在0.63%以下，U 工作面通風系統運行穩定，未出現瓦斯超限情況。

4 結 論

（1）高濃度小流量—低濃度大流量聯合抽采方法由兩部分組成，其中高濃度小流量的高位定向鉆孔布置于工作面上方裂隙帶內，抽采高純度瓦斯，能夠有效降低工作面絕對瓦斯涌出量；低濃度大流量于工作面橫川插管抽放，利用井下羅茨泵超大流量的特點，能夠有效影響采空區風流，降低上隅角瓦斯聚集。

（2）高濃度小流量的高位定向鉆孔抽采瓦斯濃度達35.3%～68.9%，瓦斯純量為5.8～13.3 m3/min；低濃度大流量抽采管路瓦斯平均濃度為0.9%～2.83%，抽采純量為2.01～7.13 m3/min，抽采混合流量為424.74 m3/min，占工作面總回風量的12.5%。

（3）聯合抽采方法的應用使得工作面風排瓦斯量由22.4 m3/min 降至17.86 m3/min，回風巷瓦斯濃度維持在0.4%以下，上隅角瓦斯穩定在0.63%以下，有效降低了工作面采空區的瓦斯涌出量，并極大改善了上隅角的瓦斯聚集問題。