U型通風系統在高瓦斯礦井綜采工作面瓦斯治理中的研究及應用

李忠亮,范軍強

(山西晉煤集團 坪上煤業有限公司,山西 晉城 048203)

岳城煤礦隸屬晉煤集團沁秀煤業有限公司,礦井設計生產能力1.5 Mt/a,現開采3#煤層,煤層平均厚度6.13 m,采用綜合機械化分層開采。礦井絕對瓦斯涌出量203.10 m3/min,相對瓦斯涌出量73.54 m3/t,屬高瓦斯礦井。

1 1308(上)工作面瓦斯治理情況

1.1 工作面“三進一回”通風系統

1308(上)工作面原始瓦斯含量為14.5 m3/t,采用分層開采工藝,上層平均采高為2.5 m,工作面切眼長度為174 m,原為“三進一回”通風系統,Ⅲ13083巷為主要進風巷,配風量1 080 m3/min;Ⅲ13081巷、Ⅲ13085巷為輔助進風巷,配風量各為650 m3/min;Ⅲ13082巷為回風巷,配風量2 450 m3/min。正常回采期間,上隅角瓦斯濃度0.15%～0.35%;工作面瓦斯濃度0.15%～0.35%;混合風流瓦斯濃度0.25%～0.50%;回風巷瓦斯濃度0.25%～0.45%，工作面風排瓦斯總量約6.12 m3/min ～11.03 m3/min。

1.2 瓦斯抽采模式

本煤層抽放:分別在工作面兩側順槽內鋪設有兩趟Φ400 mm抽采管路,施工普鉆交叉鉆孔、千米模塊鉆孔實施工作面順槽本煤層抽放[1]。Ⅲ13081巷支管瓦斯抽采量2.71 m3/min,Ⅲ13083巷支管瓦斯抽采量2.74 m3/min。

采空區抽放:在工作面回風巷鋪設有一趟Φ400 mm抽采管路,通過高位鉆場高位鉆孔、大孔徑高位鉆孔、橫川插管三種方式實施采空區瓦斯抽采[2]。Ⅲ13082巷支管瓦斯抽采量18.44 m3/min。

地面采動井抽放:Ⅲ1308(上)工作面回采范圍共布置2口采動井,第一口位于距切眼258 m、 Ⅲ13081巷41 m處位置,在16-17橫川之間;第二口位于距切眼821 m,距Ⅲ13081巷98 m處位置,在4-5橫川之間。目前地面采動井未啟用。

2 “四位一體”的采空區瓦斯抽采模式

1308(上)綜采工作面回采時采空區瓦斯涌出量占工作面回采時瓦斯涌出總量的65%,采空區瓦斯涌出量大[3],通過U型通風系統試驗解決采空區瓦斯涌出的問題,采取多種抽采措施消除采空區瓦斯威脅,降低工作面風排瓦斯量[4]。

1)施工大孔徑高位鉆孔,實施采空區瓦斯抽采。Ⅲ1308(上)采面在Ⅲ13082巷3橫川、11橫川及輔助回風巷施工大孔徑高位鉆孔,使用定向鉆機施工,鉆孔孔徑113 mm,將鉆孔均勻布置于距巷道頂板5倍～6倍采高的裂隙帶,傾向控制范圍24 m,走向控制范圍200 m～300 m。

2)施工高位鉆場抽采鉆孔,實施采空區瓦斯抽采。在Ⅲ13082巷9橫川和18橫川施工高抽鉆場。由Ⅲ13082巷向Ⅲ13081巷垂直方向按30°爬坡施工32 m斜巷,然后再施工6 m平巷(高抽巷位于3#煤層頂板上方12 m),采用錨網聯合支護,鉆場寬4 m,高2.2 m,斜巷寬2.2 m,高2.2 m,長32 m。高抽鉆場內布置18個鉆孔,左幫、正前及右幫各布置6個鉆孔。Ⅲ1308(上)采空區瓦斯治理綜合措施鉆孔見圖1所示。

3)啟用工作面地面采動井,實施采空區瓦斯抽采。當工作面推過第一口地面采動井50 m范圍時,啟用采動井實施采空區瓦斯抽采,抑制采空區瓦斯涌出[5]。圖2為Ⅲ1308(上)工作面地面采動井抽采示意圖。

圖2 地面采動井抽采示意圖Fig 2 Gas drainage of well under mining

4)實施工作面尾部埋管抽放,抑制采空區瓦斯涌出。工作面推進至17橫川時,沿17橫川鋪設上隅角尾部抽采管路,抽采源為Ⅲ13082巷采空區抽采管路;上隅角尾部埋管隨工作面推進沿Ⅲ13081巷鋪設,并預留抽放篩管,作為上隅角抽采實施途徑。

圖3為Ⅲ1308(上)采空區上隅角埋管示意圖。

圖3 Ⅲ1308(上)采空區上隅角埋管示意圖Fig.3 Buried pipe at the upper corner in Ⅲ1308 goaf

3 “四位一體”抽采效果分析

3.1 大孔徑高位鉆孔抽采效果

圖4為大孔徑高位抽采效果圖。

圖4 大孔徑高位鉆孔抽采效果Fig.4 Drainage effect using large aperture and high position boreholes

由圖4可知,U型通風系統試驗期間,工作面推進導致采空區垮落,不斷揭露大孔徑高位鉆孔,大孔徑高位鉆場瓦斯抽采濃度進一步增大,可有效抑制采空區瓦斯向工作面涌出，結合本工作面尾部大孔徑抽采鉆孔瓦斯抽采濃度分析,預計U型通風系統試驗期間,大孔徑高位鉆孔瓦斯抽采量將提升至15 m3/min。

3.2 高抽鉆場抽采效果

圖5為高抽鉆場抽采效果圖。

圖5 高抽鉆場抽采效果Fig.5 Drainage effect of high level drilling

由圖5所示,結合工作面高位鉆場現瓦斯抽采情況分析得出,隨工作面推進,高位鉆孔將逐步揭露,屆時瓦斯抽采量將進一步增大,可較好的抑制采空區瓦斯涌出,為工作面試驗U型通風系統創造條件。預計工作面試驗U型通風系統期間,高位鉆場瓦斯抽采量可達20 m3/min。

結合以往采動井在我礦抽采情況分析,預計本工作面采動井投運后瓦斯抽采濃度可達20%～35%,抽采瓦斯量可達3.80 m3/min ～6.65 m3/min。

結合以往尾部埋管抽采情況分析,預計本工作面尾部埋管抽采瓦斯濃度可達3%～5%,抽采瓦斯量可達1.5 m3/min ～2.0 m3/min

綜合上述抽采參數分析,試驗U型通風系統期間,采空區瓦斯抽采量預計可達40 m3/min以上,能夠較好的抑制采空區瓦斯涌出,達到一定的瓦斯治理效果,為試驗U型通風系統夯實基礎工作。

4 U型通風效果檢驗

4.1 系統情況

U型通風系統試驗期間,Ⅲ1308(上)綜采工作面為U型通風系統,工作面外圈巷道為瓦斯治理巷道、U型全風壓通風。工作面U型系統中,Ⅲ13083巷進風,Ⅲ13081巷回風;外圈瓦斯治理巷道通風系統中,Ⅲ13085巷進風,Ⅲ13082巷回風。Ⅲ1308(上)綜采工作面U型通風系統見圖6所示。

圖6 Ⅲ1308(上)綜采工作面U型通風系統Fig.6 U-shaped ventilation system in upper Ⅲ1308 fully-mechanized mining face

4.2 配風情況

1)工作面U型系統:Ⅲ13083巷進風1 100 m3/min, Ⅲ13081巷回風1 120 m3/min。

2)工作面外圈瓦斯治理全風壓通風巷道:Ⅲ13085巷進風800 m3/min,Ⅲ13082巷回風820 m3/min。

4.3 瓦斯抽采情況

4.3.1本煤層抽采情況

Ⅲ13081巷本煤層支管抽采濃度10.5%,抽采純量0.8 m3/min;Ⅲ13083巷本煤層支管抽采濃度13%,抽采純量0.6 m3/min。

4.3.2采空區抽采情況

1)高位鉆場抽采:Ⅲ13082巷18橫川高位鉆場抽采濃度13%,抽采純量1.7 m3/min;Ⅲ13082巷9橫川高位鉆場抽采濃度8.5%,抽采純量0.08 m3/min。

2)大孔徑鉆孔抽采:Ⅲ13082巷11橫川大孔徑高位鉆孔抽采濃度55%,抽采純量4.9 m3/min;輔助回風大孔徑高位鉆孔抽采濃度11%,抽采純量3.9 m3/min。

3)橫川埋管抽采:Ⅲ13082巷采空區支管負責橫川埋管抽采,試驗期間,增加13橫川埋管抽采。支管抽采濃度3.2%,抽采混量51.5 m3/min,抽采純量1.6 m3/min。

4)地面采動井抽采:開啟地面YCCD-06采動井抽采,抽采濃度52%,抽采純量3.5 m3/min。

5)采空區集中抽采:試驗期間,除Ⅲ13082巷采空區支管在13橫川埋管抽采外,另由南軌巷引入一趟采空區支管專門負責13橫川埋管抽采,抽采濃度1.9%,抽采混量39.8 m3/min,抽采純量0.7 m3/min。

4.4 瓦斯情況

U型通風系統試驗綜采工作面正常回采期間,上隅角瓦斯濃度0.30%～0.50%;工作面瓦斯濃度0.30%～0.45%;回風巷瓦斯濃度0.25%～0.45%。

工作面風排瓦斯總量約2.8 m3/min～5.04 m3/min。

5 結束語

經試驗,岳城煤礦上分層綜采工作面可通過抽放手段解決采空區瓦斯對工作面安全生產的威脅,消除采空區通風,實現系統簡化的目標。針對綜采工作面采空區瓦斯采取井上下聯合抽采的手段可以抑制采空區瓦斯向上隅角和回風巷涌出,實現上隅角瓦斯可控,有效降低工作面風排瓦斯量。