長(zhǎng)平礦1311工作面充填式“U”形通風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用

郎帥帥

（山西晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉城煤炭事業(yè)部安全環(huán)保部，山西 晉城 048006）

引言

煤炭生產(chǎn)過程中會(huì)因采動(dòng)的影響而涌出大量瓦斯，通風(fēng)是解決工作面瓦斯涌出導(dǎo)致瓦斯超限的主要方法[1-2]。不同的通風(fēng)方式會(huì)產(chǎn)生不同的瓦斯治理效果，工作面的通風(fēng)方式主要有“Y”形、“W”形及“U”形等，“U”形通風(fēng)方式由于具有通風(fēng)巷道少、不經(jīng)過采空區(qū)等特點(diǎn)而被稱之為最穩(wěn)定可靠的一種方法[3-4]。雖然該方法對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)較為穩(wěn)定，但也存在新鮮風(fēng)流從下隅角進(jìn)入采空區(qū)，將采空區(qū)中積聚的瓦斯帶入到工作面的弊端，會(huì)給上隅角瓦斯的治理帶來(lái)較大壓力。為有效解決工作面瓦斯問題，采用何種有效措施，既能緩解礦井的采掘銜接，又能解決礦井的通風(fēng)瓦斯需要，是亟待解決的一個(gè)問題。

1 1310工作面概況

長(zhǎng)平礦位于山西高平市境內(nèi)，年生產(chǎn)能力500萬(wàn)t/年，礦井瓦斯絕對(duì)220.2 m3/min，屬高瓦斯礦井。1310回采工作面位于該礦第一盤區(qū)，東部為1101回風(fēng)巷，1102皮帶巷，南部有1219巷以及正在開拓的1311工作面，西部是已經(jīng)回采過的采空區(qū)，北部有1220巷以及1218巷，煤層評(píng)價(jià)厚度為4.85 m，傾角2°～5°，工作面長(zhǎng)度為180 m。該工作面配風(fēng)量2 600 m3/min，絕對(duì)瓦斯涌出量35.03 m3/min。與該工作面相鄰的為1309工作面和1311工作面，工作面通風(fēng)方式示意圖見圖1所示。

圖1 1310工作面通風(fēng)系統(tǒng)圖

2 工作面充填實(shí)施背景及現(xiàn)狀分析

2.1 實(shí)施背景

長(zhǎng)平礦在低瓦斯區(qū)綜放工作面原來(lái)使用“一進(jìn)兩回”或“兩進(jìn)一回”通風(fēng)系統(tǒng)，但隨著長(zhǎng)平礦產(chǎn)能的不斷提升，由于采掘銜接緊張?jiān)斐删C放工作面無(wú)法施工三條巷道形成“一進(jìn)兩回”或“兩進(jìn)一回”通風(fēng)系統(tǒng)。為了緩解采掘銜接緊張的局面，通風(fēng)部決定在低瓦斯區(qū)域綜放工作面利用上隅角充填的方式實(shí)現(xiàn)“U”形通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行。

2.2 現(xiàn)狀分析

1311工作面回采初期，采用“一進(jìn)兩回”通風(fēng)系統(tǒng)，工作面配風(fēng)2 410 m3/min，13111巷回風(fēng)1 535 m3/min，采面回風(fēng)橫川回風(fēng)995 m3/min。生產(chǎn)時(shí)上隅角瓦斯最大0.32%。推過3號(hào)橫川160 m后，采空區(qū)后部垮落塌死，通風(fēng)系統(tǒng)成為“U”形，7月4日上隅角瓦斯開始增大，最大瓦斯達(dá)到0.94%，經(jīng)公司領(lǐng)導(dǎo)研究決定在13111巷采空區(qū)處即回風(fēng)上隅角實(shí)施充填注漿。

3 “U”形通風(fēng)系統(tǒng)的充填

3.1 充填原理

采用泡沫發(fā)酵材料，成倍發(fā)泡。使用前，將泡沫發(fā)酵材料按比例與水在攪拌池內(nèi)混合，通過專用的注射泵、壓風(fēng)，使兩種不同的發(fā)酵材料混合在一起，打入充填區(qū)，即可實(shí)現(xiàn)充填效果。采用的發(fā)泡劑是多種成本相混合，采用注射槍和壓注發(fā)泡劑的高壓泵組成，高壓泵體內(nèi)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量比為4∶1的催化劑和混合樹脂混合，充分混合均勻后會(huì)產(chǎn)生比自然狀態(tài)大55倍體積大小的泡沫劑所用材料參數(shù)，見下頁(yè)表1、表2。該發(fā)泡劑具有的速凝效果，可在幾分鐘內(nèi)發(fā)生凝固硬化，硬化后的泡沫具有抗阻燃和抗靜電性能，高膨脹及較大強(qiáng)度的特性，能實(shí)現(xiàn)采空區(qū)與巷道空間隔絕，避免發(fā)生采空區(qū)瓦斯向采掘空間泄漏的現(xiàn)象。

表1 充填材料的相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)

表2 充填材料聚合產(chǎn)品參數(shù)

3.2 充填方案

在老頂來(lái)壓完全跨落后開始充填，為了節(jié)省充填材料，在充填前要對(duì)上隅角懸頂區(qū)域進(jìn)行退錨、放震動(dòng)炮，等上隅角懸頂垮落一部分后，再對(duì)剩余空間進(jìn)行充填。首次充填時(shí)由于處在半開放空間里，材料使用量較大。以后充填時(shí)在最后一排切眼柱上和支架旁掛L形塑料網(wǎng)加風(fēng)筒布形成封閉空間，體積控制在10 m3，隨著工作面每回一次最后一排切頂柱便進(jìn)行一次充填，見圖2。

圖2 充填布置示意圖

4 充填式“U”形通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

充填工藝不僅可以減少地下開采對(duì)地面沉陷造成的危害，減輕井下巷道和工作面受采動(dòng)的影響，便于頂板管理，有利于安全生產(chǎn)、改善巷道維護(hù)及運(yùn)輸、通風(fēng)和瓦斯管理，而且對(duì)實(shí)現(xiàn)綠色開采、美化生態(tài)環(huán)境有重要意義。采空區(qū)充填已成為我國(guó)部分礦井進(jìn)行采空區(qū)瓦斯治理的主要手段之一，其優(yōu)缺點(diǎn)主要有：

優(yōu)點(diǎn)：實(shí)施效果好，完全避免了采空區(qū)瓦斯向上隅角泄漏的風(fēng)險(xiǎn)；施工工藝簡(jiǎn)單、便捷，可方便地在工作面檢修班時(shí)間進(jìn)行作業(yè)，不存在與采煤作業(yè)相沖突；人員勞動(dòng)強(qiáng)度低，所需的作業(yè)人數(shù)少，僅需2～3人即可完成作業(yè)[5]。

缺點(diǎn)：對(duì)工作面的風(fēng)量控制有一定的要求，要實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)有效隔離，需要穩(wěn)定工作面的風(fēng)量，不能出現(xiàn)較大的風(fēng)量調(diào)整；頂板需要有一定的強(qiáng)度要求，在泡沫未凝固時(shí)，若頂板發(fā)生冒落，回風(fēng)隅角仍會(huì)出現(xiàn)空洞，且瞬間涌出的瓦斯將難以控制[6]。

5 效益分析

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

一進(jìn)兩回：1311工作面順槽長(zhǎng)1 200 m，共需要施工15個(gè)通風(fēng)橫川，每個(gè)橫川50 m，總共多施工巷道1 950 m，施工巷道成本為5 500元/m，總費(fèi)用是1 072.5萬(wàn)元。由于長(zhǎng)平礦煤質(zhì)松軟，鄰近巷道受采動(dòng)影響變形嚴(yán)重，在工作面回采過程中直至回采結(jié)束，每天需安排18人維護(hù)巷道，按每天施工6 m計(jì)算，維護(hù)巷道就需要200 d，每個(gè)人日工資按300元計(jì)算，18人維護(hù)巷道的費(fèi)用就得108萬(wàn)元。

“U”形通風(fēng)系統(tǒng)：采用充填式“U”形通風(fēng)系統(tǒng)，在施工下一個(gè)采面順槽時(shí)，保護(hù)煤柱的間距可由原來(lái)的50 m縮短到30 m，可以增加產(chǎn)量154 400 t，按照晉城地區(qū)0.06萬(wàn)元/t的煤價(jià)計(jì)算，可創(chuàng)造利潤(rùn)9 264萬(wàn)元；實(shí)行充填式“U”形通風(fēng)系統(tǒng)，上隅角充填材料的費(fèi)用是9 000元/m。1311工作面順槽長(zhǎng)1 200 m，需要充填1 150 m（前50 m因老頂未完全垮落，所以不進(jìn)行充填），充填費(fèi)用1080萬(wàn)元。充填式“U”形通風(fēng)比一進(jìn)兩回通風(fēng)共可節(jié)省9364.5萬(wàn)元。

5.2 安全效益

綜放工作面或一進(jìn)兩回通風(fēng)系統(tǒng)，上隅角至回風(fēng)橫川口屬于采空區(qū)通風(fēng)，回風(fēng)通道維護(hù)困難，很容易出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象。若在低瓦斯區(qū)采用充填式“U”形通風(fēng)系統(tǒng)，不存在上隅角，所以不存在瓦斯超限問題。