孫曉冬

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013；3.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 中國(guó)科學(xué)院工程地質(zhì)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

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開采技術(shù)與裝備

高瓦斯低透單一厚煤層工作面巷道布置方式優(yōu)化研究

孫曉冬1,2,3,4

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013；3.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 中國(guó)科學(xué)院工程地質(zhì)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

針對(duì)高瓦斯低透單一厚煤層工作面瓦斯涌出強(qiáng)度大、局部區(qū)域易造成瓦斯積聚問題，采用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和數(shù)值模擬等手段，對(duì)不同巷道布置方式適應(yīng)性進(jìn)行了系統(tǒng)分析。研究表明：多巷布置方式存在巷道掘進(jìn)率高、資源采出率低、上隅角瓦斯易超限問題，基于高可靠性混凝土沿空留巷技術(shù)和高抽巷高效抽采技術(shù)提出了“兩進(jìn)一回Y型通風(fēng)+高抽巷”巷道布置模式，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該布置方式可實(shí)現(xiàn)無煤柱開采，解決了上隅角瓦斯超限和采空區(qū)瓦斯大量涌出問題，為國(guó)內(nèi)其他類似條件煤層開采提供了良好借鑒。

高瓦斯；單一煤層；巷道布置；Y型通風(fēng)

我國(guó)大多數(shù)煤層滲透率低，煤層氣地面抽采效率差，大部分煤層氣需在井下進(jìn)行近場(chǎng)抽采、采動(dòng)區(qū)抽采或者采后抽采，煤與煤層氣共采是我國(guó)瓦斯治理的主要模式[1-4]。開采實(shí)踐表明，卸壓層開采是增加煤層透氣性系數(shù)的有效方法，淮南、平頂山等礦區(qū)通過卸壓層開采較好地解決了低透氣性煤層瓦斯抽采問題。

山西長(zhǎng)治地區(qū)的3號(hào)煤層為單一厚煤層，不具備卸壓層開采條件，瓦斯含量為3.5～23.7m3/t，屬低透氣、強(qiáng)吸附性、難抽放高瓦斯煤層，地面鉆井抽采效果不理想。井下鉆孔瓦斯流量衰減快，加之煤質(zhì)松軟，易出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，造成預(yù)抽難度大。各礦井多采用高強(qiáng)度立體化瓦斯抽采模式，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，高瓦斯礦井的瓦斯抽采率在46%～62.33%之間，平均為52.3%，仍有1/2左右的瓦斯涌出需要風(fēng)排解決。

3號(hào)煤層工作面以往多采用兩進(jìn)一回、三進(jìn)一回、兩進(jìn)兩回或三進(jìn)兩回的多巷布置方式，不僅掘進(jìn)率偏高，還造成了大量的區(qū)段煤柱損失[5-6]。隨著采深的加大，巷道掘進(jìn)解突困難，造成工作面接續(xù)持續(xù)緊張，且多巷布置方式生產(chǎn)中上隅角瓦斯仍然頻繁超限，采空區(qū)裂隙帶瓦斯極易積聚，安全隱患較多。針對(duì)此類高瓦斯低透單一厚煤層工作面，為解決開采中的瓦斯治理問題，亟需改進(jìn)并優(yōu)化已有的多巷布置方式，研究兼具科學(xué)性、安全性及經(jīng)濟(jì)性的巷道布置模式。

1 工作面瓦斯涌出特點(diǎn)

長(zhǎng)治地區(qū)3號(hào)煤層一般厚度5.0～7.0m，多采用放頂煤開采，本地區(qū)工作面瓦斯涌出具有以下特點(diǎn)：

(1)瓦斯涌出強(qiáng)度大 3號(hào)煤層多采用放頂煤開采，一次采出厚度大，多數(shù)工作面日峰值產(chǎn)量大于10kt，工作面前方暴露的煤壁面積大，瓦斯的涌出量大，如余吾礦各工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為31.45～50.75m3/min。

(2)采空區(qū)瓦斯涌出量占比大 隨著工作面的不斷推進(jìn)，煤層上覆巖層不斷垮落，破碎的巖層和遺煤在釆空區(qū)內(nèi)堆積，形成多孔介質(zhì)，為釆空區(qū)內(nèi)瓦斯的滲流和擴(kuò)散形成了通道。支架上方頂煤及遺留在釆空區(qū)的浮煤富含的瓦斯不斷涌入采空區(qū)，這些瓦斯在漏風(fēng)流和瓦斯壓力梯度的作用下部分進(jìn)入裂縫帶、部分向工作面和尾巷內(nèi)涌出。潞安集團(tuán)多個(gè)礦井觀測(cè)顯示，采空區(qū)瓦斯涌出量占整個(gè)工作面瓦斯涌出量的38.4%。

(3)局部區(qū)域瓦斯易積聚 單純依靠通風(fēng)難以解決工作面瓦斯問題，在上隅角會(huì)頻繁出現(xiàn)瓦斯積聚現(xiàn)象，此外，在放煤過程中放煤口也會(huì)出現(xiàn)瓦斯積聚，采空區(qū)和裂縫帶瓦斯也很難進(jìn)行充分抽采，容易形成高濃度的瓦斯庫(kù)。

2 不同巷道布置方式適應(yīng)性分析

為解決高瓦斯低透單一厚煤層開采安全問題，主要采用工作面多巷布置方式配合高強(qiáng)度井下抽采措施，其中，應(yīng)用較多的工作面巷道布置方式包括以下幾種[7-8]：

(1)單U布置 這種方式系統(tǒng)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)，適用于采空區(qū)瓦斯涌出量不大的工作面。

(2)兩進(jìn)兩回雙U布置 較常規(guī)單U布置又增加了一個(gè)U型通風(fēng)系統(tǒng)，雙U巷道之間用橫貫聯(lián)通，可提高上隅角和采空區(qū)瓦斯治理效果，但巷道掘進(jìn)量大，適用于不易自燃煤層。

(3)兩進(jìn)一回布置 根據(jù)回采巷道的條數(shù)不同分為2條回采巷道的沿空留巷Y型通風(fēng)和3條回采巷道的偏Y型通風(fēng)，可有效解決上隅角瓦斯積聚問題，但該系統(tǒng)存在采空區(qū)瓦斯積聚問題。巷旁充填材料的選擇是沿空留巷能否成功的關(guān)鍵，潞安集團(tuán)下屬礦井試驗(yàn)過矸石堆垛、砌體墻、高水材料充填支護(hù)、澆筑混凝土隔墻等沿空留巷方式。

(4)三進(jìn)一回布置 工作面供風(fēng)量增大，風(fēng)排瓦斯的能力更強(qiáng)，但與此同時(shí)，巷道的掘進(jìn)量增大，且增加一個(gè)煤柱損失。

對(duì)長(zhǎng)治地區(qū)典型巷道布置方式工作面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。觀測(cè)結(jié)果如表1所示。隨著服務(wù)單個(gè)工作面巷道數(shù)量的增加，供風(fēng)量隨之增大，有利于增加風(fēng)排瓦斯能力，但造成巷道掘進(jìn)率增加，資源采出率下降。多巷布置方式下，除兩進(jìn)一回布置可實(shí)現(xiàn)無煤柱開采外，其他工作面采出率在75%～78.3%之間，單U布置工作面采出率81.8%，都有大量的煤柱損失存在。但各布置方式治理上隅角瓦斯的效果均不理想，且對(duì)采空區(qū)瓦斯無針對(duì)性的抽采措施，在高強(qiáng)度開采條件下，易造成上隅角瓦斯頻繁超限。

表1 不同巷道布置方式工作面瓦斯治理效果

3 巷道布置方式優(yōu)化研究

近幾年隨著頂板定向應(yīng)力處理技術(shù)(聚能爆破、水力定向壓裂)的發(fā)展，可對(duì)巷道壓力異常顯現(xiàn)區(qū)域頂板進(jìn)行優(yōu)化處理。澆筑混凝土隔墻法沿空留巷雖然有價(jià)材料用量大，但該方法適應(yīng)性廣，承載力高，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛接受。巷道頂板定向處理應(yīng)力優(yōu)化技術(shù)配合混凝土材料留巷使得本地區(qū)綜放工作面留巷長(zhǎng)度大幅增加，基本可實(shí)現(xiàn)全長(zhǎng)留巷。在對(duì)不同工作面巷道布置方式系統(tǒng)分析基礎(chǔ)上，基于高可靠性混凝土沿空留巷技術(shù)和高抽巷高效抽采技術(shù)，提出了適用于高瓦斯低透單一厚煤層工作面的“兩進(jìn)一回Y型通風(fēng)+高抽巷”巷道布置方式。這種布置方式具有較強(qiáng)的供風(fēng)和上隅角瓦斯治理能力，可實(shí)現(xiàn)無煤柱開采，降低萬噸煤掘進(jìn)率達(dá)60%以上，經(jīng)濟(jì)效益突出，合理設(shè)置的高抽巷可對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行高效抽采，對(duì)上隅角瓦斯超限也有一定的控制作用，抽采出的高濃度瓦斯不經(jīng)過工作面和回風(fēng)巷，直接由管路輸送至地面，安全可靠性高。

為對(duì)比分析這種巷道布置方式的優(yōu)勢(shì)，采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)不同巷道布置方式下工作面通風(fēng)情況及瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行了模擬分析。模擬的巷道布置方式包括以下4種：?jiǎn)蜺型通風(fēng)+高抽巷、Y型通風(fēng)+高抽巷(兩進(jìn)一回，沿空留巷)、雙U型通風(fēng)(兩進(jìn)兩回)、偏Y型通風(fēng)(三進(jìn)一回)。根據(jù)工作面的實(shí)際地質(zhì)情況，同時(shí)考慮到采場(chǎng)實(shí)際條件的復(fù)雜性，對(duì)其進(jìn)行了等效簡(jiǎn)化，設(shè)置幾何模型的尺寸規(guī)格如表2所示，圖1為建立的模型拓?fù)浜途W(wǎng)格劃分。

表2 采場(chǎng)模型幾何尺寸

圖1 模型拓?fù)浜途W(wǎng)格劃分

表3為數(shù)值模擬的各方案上隅角瓦斯?jié)舛葘?duì)比結(jié)果。

從表3中可以得到以下結(jié)論：

(1)兩進(jìn)兩回雙U型通風(fēng)和三進(jìn)一回偏Y型通風(fēng)方式易造成裂縫帶和采空區(qū)瓦斯積聚，工作面上隅角和回風(fēng)巷均出現(xiàn)了不同程度的超限。

(2)U型通風(fēng)配合高抽巷與Y型通風(fēng)配合高抽巷抽采的效果都比較理想，采空區(qū)臨近工作面的區(qū)域瓦斯?jié)舛鹊玫搅孙@著的控制，而上隅角的瓦斯?jié)舛染芙档椭?%以下。

(3)Y型通風(fēng)+高抽巷的抽放效果較U型通風(fēng)+高抽巷抽放效果對(duì)瓦斯含量高的工作面安全系數(shù)更高，即Y型通風(fēng)+高抽巷布置方式更能適應(yīng)瓦斯含量大或開采強(qiáng)度大的工作面。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

高河礦E1315工作面采用“兩進(jìn)一回Y型通風(fēng)+高抽巷”巷道布置方式，沿空留巷材料選用高強(qiáng)度混凝土，留巷巷道作為回風(fēng)巷使用，臨近工作面的兩條巷道均作為進(jìn)風(fēng)巷，總供風(fēng)量4400m3/min，其中膠帶巷配風(fēng)量3000m3/min。高抽巷凈寬3.0m，凈高2.8m，距回風(fēng)巷水平距離40m，距煤層頂板垂直距離35m。該工作面生產(chǎn)期間，最高日產(chǎn)量32kt，工作面具備年產(chǎn)8Mt生產(chǎn)能力，工作面采出率較原三進(jìn)一回布置方式提高11.7%。觀測(cè)期間，工作面瓦斯和上隅角瓦斯均未出現(xiàn)超限現(xiàn)象，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛冉档土?5.7%，上隅角最大瓦斯?jié)舛冉档土?8.8%，風(fēng)排瓦斯量降低了49.3%，高抽巷抽采工作面瓦斯涌出量占比30%～55%，說明Y型通風(fēng)+高抽巷布置方式可滿足3號(hào)煤層綜放工作面高強(qiáng)度開采需要。

5 結(jié) 論

(1)高瓦斯低透單一厚煤層工作面瓦斯涌出強(qiáng)度大，采空區(qū)瓦斯涌出量占比高，多巷布置方式不僅巷道掘進(jìn)率高，且局部區(qū)域易造成瓦斯積聚現(xiàn)象。

(2)“兩進(jìn)一回Y型通風(fēng)+高抽巷”巷道布置方式具有較強(qiáng)的供風(fēng)和上隅角瓦斯治理能力，設(shè)置的高抽巷可解決采空區(qū)瓦斯進(jìn)行高效抽采，降低了巷道掘進(jìn)量和煤柱損失，具有經(jīng)濟(jì)和安全上的先進(jìn)性。

(3)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，“兩進(jìn)一回Y型通風(fēng)+高抽巷”工作面基本杜絕了上隅角瓦斯超限問題，風(fēng)排瓦斯?jié)舛冉档土?9.3%，改善了工人作業(yè)環(huán)境，為國(guó)內(nèi)其他類似條件煤層開采提供了良好借鑒。

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[責(zé)任編輯：周景林]

Roadway Optimal Layout of Working Face with High Gas and Low Permeability Single Coal Seam

SUN Xiao-dong1，2，3，4

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；2.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；3.China Academy of Sciences of Engineering Geological Mechanics Key Laboratory，Geology and Geophysics Institute of China Academy of Sciences，Beijing 100029，China；4.Chinese Academy of Sciences University，Beijing 100049，China)

To the problems of methane accumulation in some local region that induced ultra high gas emission of high gas and low permeability single coal seam working face，then the adaption of different roadway layout style were analyzed by theory analysis，field observation and numerical simulation and so on.The results showed that some problems appeared in multiple roadways layout style，which is about roadway driving rate is high，resource recovery ratio is low and gas in upper corner is overrun easily，based on high reliability cement retaining roadways along goaf technology and high effect drainage technology high level suction roadway，then the roadway layout style of ‘two intakes and one return ‘Y’ style ventilation and high level suction roadway’ was put forward，the field practical showed that non coal pillar mining would be realized，and the problems that methane overrun in upper corner and methane emission largely in goaf were solved，it references for other similar situation in home.

high gas；single coal seam；roadway layout；Y style ventilation

2016-06-08

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.06.008

國(guó)家自然科學(xué)青年基金資助項(xiàng)目 (51504135)

孫曉冬(1984-)，男，河南清豐人，助理研究員，博士研究生，研究方向?yàn)槊旱V安全高效開采及工程地質(zhì)災(zāi)害防治。

孫曉冬.高瓦斯低透單一厚煤層工作面巷道布置方式優(yōu)化研究[J].煤礦開采，2016，21(6)：28-30.

TD802

A

1006-6225(2016)06-0028-03