低瓦斯礦井綜放工作面瓦斯治理研究實踐

秦曉閏

（晉能集團臨汾有限公司， 山西 臨汾 041000）

隨著采掘機械化水平的提高，煤礦開采強度和生產能力不斷增加，尤其是綜采放頂煤技術的應用，促使工作面單產水平有了質的提升，實現了煤礦工作面高產高效的目標，同時，采用綜放技術進行回采也帶來了一些不利影響，如造成了煤層瓦斯涌出量大幅度提升，給工作面瓦斯管理帶來難題[1-4]。山西某礦為低瓦斯礦井，工作面瓦斯相對涌出量為3 m3/t，絕對涌出量為12 m3/min，但對于U型通風綜放工作面而言，工作面瓦斯向回風巷方向瓦斯逐漸增大，容易造成工作面上部分瓦斯濃度偏高，而上隅角作為采空區瓦斯泄漏點極易造成瓦斯在此積聚，若采取措施不當容易造成瓦斯超限，給工作面的安全生產帶來不利影響。為了提升工作面安全水平，降低瓦斯事故率，決定以3302綜放工作面為例進行瓦斯治理研究。

1 工作面概況

3302工作面位于礦井3采區北部，所采煤層山西組3號煤層，煤層埋深140～300 m，平均為261 m，煤層厚6.3～7.1 m，平均為6.6 m，煤層傾角為4°～11°，平均為5.5°，煤層賦存相對穩定，結構單一，為穩定可采厚煤層。工作面采煤方法為綜采放頂煤，割煤高度為3.0 m，采放比為1∶1.2，頂板管理方式為全部垮落法。工作面設計可采走向長度為1531 m，傾斜長度為200 m，設計回采率為95%。工作面采場布置ZZP4800-17/33型低位放頂煤液壓支架184臺，MG400/930-WD型采煤機一臺，SGZ800/750型前部運輸機和SGZ830/800型后部運輸機各一部。工作面原設計通風方式為U型“一進一回”式，鑒于U型通風方式容易造成采空區及上隅角瓦斯積聚，將3302工作面優化設計為W型通風，工作面實際配風量不低于2000 m3/min，根據W通風方式設計3條巷道，分別為33021巷、33022巷和33023巷，其中33021巷和33023巷用于進風，33023巷用以回風，三條巷道均為錨網索聯合支護。3301工作面布置方式見下頁圖1所示。

2 U型通風方式分析

以往礦井綜放工作面均采用U型通風，U型通風由兩條巷道組成，分別用于進風和回風。在U型通風工作面回采過程中，上隅角，工作面附近采空區易出現瓦斯積聚，對U型通風工作面瓦斯分布進行研究可知：正常回采時工作面瓦斯在距離底板不同高度其濃度不同，相對而言，距離底板越高，瓦斯濃度呈上升趨勢；工作面采空區漏風中的絕大部分瓦斯可通過上隅角匯入回風巷，這樣造成上隅角瓦斯濃度偏高，而U型通風方式的特點造成上隅角風流風速較低，容易在上隅角形成渦流，致使上隅角一部分瓦斯難以被風流稀釋帶走進而造成這部分瓦斯在上隅角處積聚，這也是U型通風方式下治理上隅角瓦斯的難點所在，實際測量工作面上隅角瓦斯一般1%以上，若不采取措施可達4%以上；鑒于U型通風方式風流由進風巷經由采面進入回風巷，風流瓦斯濃度逐漸增大，同時，采空區內遺煤、采場落煤、底板遺煤等溢出的瓦斯都向工作面涌出，造成工作面距回風巷25～40 m范圍內瓦斯濃度較高，偶爾出現瓦斯濃度超過1%，說明U型通風工作面上隅角瓦斯和工作面距離回風巷較近區域容易造成瓦斯積聚和瓦斯超限。

為了掌握工作面、上隅角及其附近采空區等處瓦斯情況，在距底板3 m處進行了瓦斯濃度測量，具體見圖1和圖2所示。由圖1可知，工作面采場瓦斯濃度采空區側要高于煤墻側，分析認為采空區瓦斯是工作面瓦斯主要來源，是造成工作面瓦斯積聚和超限的根本原因；由圖2可知，隨著上隅角瓦斯濃度的增加，回風巷瓦斯濃度也隨著增加，說明上隅角瓦斯是回風巷瓦斯的重要來源，將上隅角瓦斯濃度控制在1%以內，可以確保回風巷瓦斯濃度不超過0.7%，能夠滿足安全生產。由工作面回風流瓦斯濃度計算工作面瓦斯絕對涌出量為9.1 m3/min，而礦井工作面瓦斯絕對涌出量可達12 m3/min，說明采用U型通風方式難以滿足瓦斯排放要求。

圖1 工作面及采空區橫向瓦斯分布

圖2 上隅角和回風巷瓦斯濃度關系

3 W型通風方式應用

采用U型通風方式時，在綜放工作面回采過程，容易造成瓦斯在上隅角積聚和工作面距回風巷較近區域瓦斯濃度偏高，處理不當易引起瓦斯超限，影響工作面安全回采。鑒于此，在進行3302工作面通風方式設計時，采用W型通風方式代替原U型通風方式，通過W型通風方式的應用，由“一進一回”式改為“兩進一回”式，即33021巷和33023巷進風、33022巷回風，工作面33023巷下行風可有效帶走工作面上隅角積聚的瓦斯，促使上隅角瓦斯濃度急劇降低，測量結果顯示采用W型通風后，3302工作面上隅角瓦斯濃度一般保持在0.08%左右，有效的保障了工作面的安全生產。同時，采用W型通風方式也可有效的解決臨近工作面采空區向3302工作面上隅角涌出的問題，同時33023巷作為進風巷，風壓相對較高，可有效預防工作面采空區瓦斯涌出，可有效降低回風流中瓦斯濃度。另外，采用W型通風方式，通過將上段巷道改為進風流，有效的降低了巷道和工作面溫度，風流與運煤方向一致還起到有效抑塵作用，大幅度降低了33023巷煤塵濃度。現場測量可知，相比于U型通風綜放工作面，上段33023巷道溫度可降低3°左右，煤塵濃度可降低45%以上，有效的改善了職工作業環境，經濟和社會效益顯著。3302工作面W型通風方式見圖3所示。

圖3 3302工作面W通風方式示意

在風量相當的情況下，W型通風方式上下風道風量較小，其通風阻力僅為U型通風方式的25%，拱風能力是U型通風的2倍，治理瓦斯效果較好。為了保證兩條進風巷風量需求，在實際中配送風量為2000m3/min，相比于U型通風方式提高了近700 m3/min，可見采用W通風方式所需風量要遠超過U型通風方式。另外，在上下風流匯聚處容易形成渦流，造成兩股風流交匯處瓦斯濃度忽高忽低，甚至造成瓦斯在該處積聚，會嚴重影響安全生產。為了確保上下風流匯集處的瓦斯濃度符合要求，在3302工作面采用了吊掛風障和使用水射流風機來解決風流交匯處瓦斯問題。水射流風機其原理是高壓水通過噴嘴形成旋轉霧化射流，霧化射流與空氣進行動能交換，空氣在射流的卷吸作用下前進形成風流，并產生負壓，將附近空氣吸入風機[5]。在利用水射流風機治理瓦斯時將風機吸風口布置在上下風流匯集處瓦斯濃度較高的地方，出風口布置在回風流中，出風口要求周圍無電氣設備，周圍通暢，這樣可將含有瓦斯的空氣排放到回風流中，避免了瓦斯在上下風流匯集處出現積聚。3302工作面通過水射流風機使用后，上下風流匯集處瓦斯濃度始終穩定在0.04%左右，杜絕了瓦斯超限現象，且水射流風機質量較小，可隨著工作面推進不斷前移，實用性較好。

4 結語

U型通風方式的通風特點決定了隨風流方向瓦斯濃度逐漸增高，且上隅角處于負壓最低點，風流容易在此形成渦流，引起上隅角瓦斯不易排出在此積聚，不利于工作面安全高效回采。W型通風方式通過上下兩風道進風，造成上隅角消失，避免了瓦斯在工作面上部積聚和超限，同時，通過W通風還起到了降溫降塵作用，改善了工作面作業環境，鑒于兩風流交匯處容易形成渦流，提出采用水射流風機來治理風流匯集處瓦斯，治理效果較好。