保德煤礦綜放工作面巷道布置方式優化及應用

孫炳興

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

我國放頂煤開采技術經過20 多年的研究和實踐，已經成為一種投資低、產量高、效益好且適合于特厚及厚煤層開采的采煤方法[1-3]。目前，綜放工作面巷道布置方式大致可分為兩類[4]：一是采用 2 條巷道的布置方式；二是采用多條巷道的布置方式。由于綜放工作面單產高，在開采過程中瓦斯涌出絕對量大幅增加[5]，容易造成工作面回風隅角、回風巷瓦斯濃度超限，對安全開采造成了嚴重威脅。高瓦斯煤層綜放工作面該問題更為突出，為解決這個問題，許多高瓦斯綜放工作面采用一進兩回或多進多回的巷道布置方式[6]。但工作面多巷道布置存在區段煤柱損失大、煤炭回采率低；巷道掘進工程量大、成本高、維護困難；工作面準備時間長，容易造成接續緊張局面等諸多問題[7，8]。隨著對綜放開采工藝認識水平以及工作面瓦斯治理技術水平的不斷提升，工作面巷道布置方式應及時進行優化調整。為此，基于保德煤礦的實際情況，對高瓦斯煤層綜放工作面巷道布置方式進行優化研究，以期解決工作面多巷道布置存在的上述諸多問題，為類似開采技術條件下綜放工作面巷道布置及瓦斯防治提供有益借鑒。

1 礦井概況

保德煤礦為高瓦斯礦井，井田面積55.9km2，含煤地層為石炭二疊系，煤層傾角3°～9°，平均5°，可采煤層4層，自上而下分別為8#、10#、11#、13#煤層。當前開采的8#煤層純煤平均厚度6.83m，煤種為氣煤，為Ⅱ類自燃煤層。礦井采用“平硐+斜井+立井”綜合開拓；分區抽出式通風，現有進風井6個，回風井2個；采用走向長壁綜采放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板。目前，礦井為一井一面一套系統，“一綜放、二掘錨”，按照5.0Mt/a組織生產。

保德煤礦采面巷道布置優化前已回采的6個綜放工作面采用“一面多巷”(主運輸巷、輔助運輸巷、一號回風巷和二號回風巷)的巷道布置方式。回采期間工作面采用“兩進(或三進)兩回U型”通風系統，配風量1800～2500m3/min，最大3000m3/min；瓦斯絕對涌出量20～28m3/min。工作面回采期間瓦斯抽采措施主要有采空區滯后聯巷埋管抽采(在工作面二號回風巷安設?820mm干管、?520mm支管，滯后工作面30～150m 聯巷埋管抽采，抽采混合量達300～500m3/min )和回采時繼續超前預抽等(原超前預抽鉆孔隨采隨拆)。

保德煤礦采煤方法調整為綜采放頂煤開采后，工作面瓦斯涌出量因回采工藝的改變而大幅增加，上隅角瓦斯治理問題已經成為制約礦井安全生產的主要因素[9，10]。隨著礦井逐步向深部區開采，煤層瓦斯含量不斷增大，從采空區涌向工作面的瓦斯量急劇升高，這一問題顯得更加突出。保德煤礦長期使用大流量、低負壓采空區埋管抽采措施治理瓦斯，抽采管材不可回收，浪費嚴重且治理效果不理想，偶有瓦斯超限情況發生[11]。因此，通過優化綜放面巷道布置和通風方式，在此基礎上調整工作面瓦斯治理措施，解決工作面瓦斯涌出治理難題，確保高瓦斯工作面安全高效生產成為保德煤礦亟待克服的首要問題。

2 采面巷道布置優化方案

2.1 工作面巷道布置方式

保德煤礦采煤工作面普遍采用“一面三巷”的巷道布置方式，要減少采面巷道布置工程量，則有“一面兩巷”和“一面一巷(沿空留巷無煤柱開采)”兩種選擇方式。“一面一巷”布置方式存在如下問題[12]：保德煤礦未進行過沿空留巷相關試驗研究，對8#煤層這種厚煤層大采高巷道沿空留巷能否達到設計要求還不確定；沿空留巷需要增加成本，在實施留巷工藝期間影響安全高效綜放工作面回采效率；采用隅角埋管抽采采空區瓦斯的方式，抽采效果難以保證且采空區抽采管路無法回收；單巷長距離掘進，安全管理難度大。綜上分析，保德煤礦綜放工作面巷道布置可選擇“一面兩巷”的布置方式，優化后的巷道布置方式如圖1所示。

圖1 采煤工作面“一面兩巷”布置方式

2.2 工作面通風方式選擇

由圖1可知，回采工作面輔助運輸巷緊鄰上鄰近工作面采空區，因受礦壓影響其巷道底鼓片幫嚴重，帶式輸送機應安設于工作面主運輸巷中。因此，在“一面兩巷”的巷道布置方式下，工作面通風方式有如下幾種方案。

2.2.1方案一：“U”型通風

1)下行通風。工作面風流方向：由工作面輔助運輸巷進風，風流經工作面后，由主運輸巷回風，工作面風流自上向下流動，工作面下行通風方式如圖2所示。設備布置及運輸：帶式輸送機布置在工作面主運輸巷(回風)，移變列車布置在工作面輔助運輸巷(進風)，行人進料從工作面輔助運輸巷進入，大件可繞行下鄰近備采工作面輔助運輸巷進入。采空區抽采管路：管路安裝在下鄰近備采工作面輔助運輸巷，在聯巷內安裝支管，支管閥門安裝在對應聯巷口。為提前回收管路，可在每個聯巷處設置一個主管閥門，根據需要打開或關閉閥門；抽采干管及部分支管可回收。

圖2 工作面下行通風方式

2)上行通風。工作面風流方向：由工作面主運輸巷進風，風流經工作面后，由輔助運輸巷回風，工作面風流自下向上流動，工作面上行通風方式如圖3所示。設備布置及運輸：帶式輸送機布置在工作面主運輸巷(進風)，移變列車布置在工作面輔助運輸巷(回風)，行人進料從工作面輔助運輸巷進入，大件可繞行下鄰近備采工作面輔助運輸巷進入。采空區抽采管路：管路安裝在工作面輔助運輸巷，采用邁步式上隅角插管的抽采方式；切換時可以根據需要打開閥門；抽采管路不能回收。

圖3 工作面上行通風方式

2.2.2 方案二：偏“Y”型通風

1)工作面風流方向：工作面輔助運輸巷和主運輸巷外段進風，風流經工作面后通過聯巷，由下鄰近工作面輔助運輸巷回風，工作面風流自上向下流動。工作面偏“Y”型通風方式如圖4所示。

圖4 工作面偏“Y”型通風方式

2)設備布置及運輸：帶式輸送機布置在工作面主運輸巷(進風)，移變列車布置在工作面輔助運輸巷(進風)，行人進料從工作面輔助運輸巷進入，大件可繞行下鄰近備采工作面輔助運輸巷進入。

3)采空區抽采管路：管路安裝在下鄰近備采工作面輔助運輸巷，在聯巷內安裝支管，支管閥門安裝在對應聯巷口。為提前回收管路，可在每個聯巷處設置一個主管閥門，根據需要打開或關閉閥門；抽采干管及部分支管可回收。

2.2.3 方案三：“Y”型通風

1)工作面風流方向：工作面主運輸巷和輔助運輸巷進風，風流經工作面后，在主運輸巷沿空留巷段通過聯巷進入下鄰近備采工作面輔助運輸巷及切眼進行回風，風流自上至下。工作面“Y”型通風方式如圖5所示。

圖5 工作面“Y”型通風方式

2)設備布置及運輸：帶式輸送機布置在工作面主運輸巷(進風)，移變列車布置在工作面輔助運輸巷(進風)，行人進料從工作面輔助運輸巷進入，大件可繞行下鄰近備采工作面輔助運輸巷進入。

3)采空區抽采管路：管路安裝在下鄰近備采工作面輔助運輸巷，在聯巷內安裝支管，支管閥門安裝在對應聯巷口。為提前回收管路，可在每個聯巷處設置一個主管閥門，根據需要打開或關閉閥門；抽采干管及部分支管可回收。

4)沿空留巷：當工作面推進過上一個聯巷時，采用“切頂卸壓”方法保留下一個聯巷段巷道作為工作面回風。采用恒阻錨索對巷道頂板加強支護，回采前對巷道正幫側頂板定向預裂，待工作面推過后，在礦壓作用下頂板沿預裂切縫自動切落形成巷幫，留巷段采取“木垛+圓木+網片+風筒布”進行擋矸擋風。

據文獻[13-15]及開采實踐，采用下行通風工作面漏風相對較少，風流方向與瓦斯上浮方向相反，采空區瓦斯涌向工作面受阻，回風隅角瓦斯治理相對容易，并為采空區瓦斯抽采效果提高提供了便利條件。下行通風機械風壓與采空區內熱風壓方向相反，對抑制采空區遺煤自然發火有利。此外，下行通風對工作面降塵有積極作用，可改善工作面作業環境，并有利于工作面降溫和濕度的改善。Y型通風改變了工作面回風隅角風流流向，是預防和治理采煤工作面上隅角瓦斯積聚和回風巷瓦斯超限有效的一種通風方式，但需要沿空留巷其技術難度大且投入高，沿空留巷段支護不良時可引起采空區漏風增大，存在一定的安全隱患。由上述方案可知，綜放工作面巷道采用“一面兩巷”布置，采用下行通風抽采效果有保證且抽采管路可以回收再利用。方案一中的下行通風方式，整個帶式運輸機及電氣設備處于回風流中，安全性低且設備維護量大。因此，保德煤礦8#煤層采煤工作面采用“一面兩巷”布置下的工作面通風方式應選擇方案二。針對方案二由于礦壓影響導致上鄰近采空區瓦斯涌入工作面輔運巷進風流的缺點，采取以下改進措施：在上鄰近工作面預留采空區卸壓管，并與抽采管路對接，減少上鄰近采空區瓦斯涌出量；嚴格執行采面防滅火和防塵措施，加強電氣焊管控，外因火災防治措施落實到位；帶式輸送機機尾、馬蹄兒等電氣設備上風側安裝相關傳感器，回風流內人員必須攜帶甲烷便攜儀；提高帶式輸送機維修頻率，加強設備防爆性能檢查。

2.3 巷道優化后采空區抽采方式

根據方案二，工作面采用下行通風方式，采空區瓦斯抽采管路安裝在下鄰近備采工作面輔助運輸巷，在聯巷內安裝支管，支管閥門安裝在對應聯巷口。為了緩解巷道間頻繁施工聯巷進行插管抽采采空區的問題，可以在巷道間煤柱施工大直徑橋接采空區鉆孔來代替巷道間聯巷插管抽采[16]。為提前回收管路，可在每個聯巷處設置一個主管閥門，根據需要打開或關閉閥門。工作面回采期間瓦斯抽采方式如圖6所示。

圖6 工作面回采期間采空區瓦斯抽采方式

2.4 優化方案技術經濟分析

優化后的“一面兩巷”綜放工作面布置方案與優化前綜放工作面巷道布置方式相比較，工作面準備巷道由3條或4條減少到2條，通風系統由此前的“兩進多回”U型通風方式、上行通風調整為“兩進一回”偏Y型通風方式、下行通風，工作面回采期間采空區瓦斯抽采方式由工作面二號回風巷安設抽采管路、聯巷埋管抽采、抽采干管及支管不可回收改變為下鄰近備用面輔助運輸巷安設抽采管路、聯巷插管抽采、抽采干管和部分支管可以回收。優化后的巷道布置方式相比于此前的巷道布置方式主要有以下優點：減小了工作面約1/3煤巷(準備巷道及聯巷)掘進工程量，降低了采面巷道掘進成本；采空區抽采干管及部分支管能回收，可節約采面瓦斯治理成本；抽采支管數量、抽采量及抽采負壓可控，有利于提高采空區瓦斯抽采效果；工作面巷道掘進工程量減少，同比縮短了工作面準備的時間，為增大工作面本煤層預抽鉆孔預抽時間創造了條件；有利于提高采區煤炭資源回采率；下行通風降塵效果好，有利于隅角瓦斯治理和抑制采空區遺煤自然發火。

根據保德煤礦掘進速度、生產成本、開采設計等技術水平及當地的物資采購情況，以三盤區設計工作面平均水平為基礎，對巷道優化前后經濟進行對比分析，見表1。由表1可知，按照礦井當前生產條件和三盤區深部區采面設計參數平均值，保德煤礦采煤工作面采用“一面兩巷”布置方式與當前巷道布置方式相比：單面可減少3700多米準備巷道掘進工程量，減少煤柱遺留煤量約48萬t，單面準備時間可縮短約7.4個月，單面可節約礦井生產成本3800萬元左右。綜上所述，優化后的巷道布置方案在技術上可行、在經濟上合理，且其工作面通風推薦采用偏“Y”型通風方式，并在此方式下采取一定的安全措施。

3 采面巷道布置優化現場應用

3.1 試驗面概況

保德煤礦81505工作面位于保德煤礦北部區下部，工作面面長240m，可采長度1856m，地面標高877～1054m，底板標高620～683m，西為設計81506工作面，東為81504采空區，南為五盤區集中輔運大巷，北為未開發實體煤。煤層平均厚度為 7.6m，傾角0°～6°，煤層平均夾矸4～5層。81505工作面原設計的一號回風巷和二號回風巷進風，風流經工作面后至主運輸巷后段到聯巷再流至81506二號回風巷回風，工作面回采期間配風量1800～2100m3/min，采空區瓦斯抽采管路布置在下鄰近81506備采工作面二號回風巷，采用聯巷插管抽采采空區瓦斯治理方式。81505工作通風及采空區瓦斯抽采管路布置如圖7所示。

表1 巷道布置方式優化前后單面經濟對比分析估算

圖7 81505工作面通風系統及采空區瓦斯抽采管路布置

3.2 應用效果分析

81505工作面回采工期9個月，日均產量1.4萬t，采用下行通風配合采空區聯巷插管抽采采空區的瓦斯治理方式，并對進風流瓦斯加強管理。回采期間工作面瓦斯濃度0.08%～0.2%，平均0.12%；回風隅角(下隅角)瓦斯濃度0.1%～0.6%，平均0.38%。

81505工作面與81504工作面為相鄰工作面，地質及瓦斯情況相似，81505工作面原煤瓦斯含量略大于81504工作面。81504和81505工作面回采期間工作面及回風隅角瓦斯濃度分布如圖8和圖9所示。由圖8和圖9對比可知，采用下行通風的81505工作面瓦斯治理效果明顯好于采用上行通風的81504工作面；與81504工作面相比，81505工作面和回風隅角瓦斯濃度分別降低了40%左右和33%左右。回采期間，81505工作面回風隅角平均瓦斯濃度僅有0.38%，工作面、回風隅角和回風巷均未發生瓦斯超限事故，工作面及回風隅角瓦斯涌出問題得到有效解決，安全生產形勢明顯好轉，實現了綜放工作面安全高效生產。同時，實現了采空區抽采管材回收再利用，節約抽采材料費700萬元左右，經濟效益非常顯著。

圖8 81505與81504面初采至末采工作面瓦斯濃度對比

圖9 81505與81504面初采至末采回風隅角瓦斯濃度對比

3.3 推廣應用

在81505綜放工作面回采試驗前其巷道“一面三巷”布置已完畢，工作面回采試驗期間原布置的二號回風巷僅作為通風巷道，可以封閉不用。由此，試驗證明綜放面減少1條巷道，采用“一面兩巷”布置技術上完全可行，且在工作面瓦斯防治效果上具有明顯優勢。因此，保德煤礦三盤區深部區綜放工作面均設計采用“一面兩巷”布置，當前81310工作面已按照“一面兩巷”準備完畢。

4 結 論

1)保德煤礦綜放工作面采用“一面兩巷”的巷道布置在技術上可行，并通過實踐證實具有較強的優越性，適合礦井生產實際。

2)綜放工作面采用下行通風后，并依此對工作面采空區瓦斯抽采方式進行調整，解決了回風隅角瓦斯大量涌出的難題，不僅使采煤工作面瓦斯涌出得到了有效治理，而且抽采管路可回收再利用，為工作面瓦斯治理提供了新途徑。

3)在優化工作面巷道布置的基礎上，通過調整工作面通風及采空區瓦斯抽采方式，提升了礦井煤炭回采率，降低了礦井生產成本，緩解了接續緊張的局面，確保了工作面安全高效生產，優化采煤工作面巷道布置取得了顯著的安全、經濟和社會效益。