朱曉慧

(山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 長(zhǎng)治 046600)

山西霍爾辛赫煤礦年產(chǎn)4.0 Mt/a,批準(zhǔn)開采3號(hào)煤層,煤層平均厚度5.65 m,煤層傾角3°～ 6°,平均4°。2012年礦井被鑒定為高瓦斯礦井,礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為64.08 m3/min,相對(duì)瓦斯涌出量為9.74 m3/t[1],井下采煤工作面采用雙U型通風(fēng)方式。雙U型通風(fēng)方式雖然增加了工作面的風(fēng)量,但存在以下缺點(diǎn):1)由于兩進(jìn)兩回之間的聯(lián)絡(luò)巷增加了保護(hù)煤柱,導(dǎo)致資源浪費(fèi),不符合國(guó)家資源合理、安全、節(jié)約利用的要求;2)聯(lián)絡(luò)巷之間普遍有串風(fēng)和漏風(fēng)的現(xiàn)象,存在嚴(yán)重的安全隱患;3)掘進(jìn)和密閉的工作量也較大;4)外U的專排瓦斯尾巷不符合《煤礦安全規(guī)程》(2016版)的規(guī)定[2]。因此,雙U型通風(fēng)方式已經(jīng)不適合霍爾辛赫煤礦安全、高效生產(chǎn)的要求，亟需尋求更適合霍爾辛赫煤礦井下生產(chǎn)條件的通風(fēng)方式以及相對(duì)應(yīng)的瓦斯治理技術(shù)。

1 不同通風(fēng)方式優(yōu)缺點(diǎn)分析

目前,各礦區(qū)根據(jù)自身生產(chǎn)地質(zhì)條件的不同,分別實(shí)踐了不同的工作面通風(fēng)方式[3],本文針對(duì)常用的幾種通風(fēng)方式進(jìn)行分析,如雙U型、單U型、Y型、偏Y型等通風(fēng)方式。從巷道布置、風(fēng)流分配、通風(fēng)系統(tǒng)管理以及風(fēng)排瓦斯等方面,對(duì)比分析了各通風(fēng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)及適應(yīng)性。

1.1 雙U型通風(fēng)方式

該通風(fēng)方式需布置四條巷道,雙巷進(jìn)風(fēng),雙巷回風(fēng)。其中本工作面進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷與切眼組成內(nèi)圈U型,輔助進(jìn)風(fēng)巷、瓦斯排放尾巷與輔助切眼組成外圈U型,如圖1所示。

圖1 雙U型通風(fēng)方式示意圖Fig.1 Double U-shaped ventilation

采用雙U型通風(fēng)方式的優(yōu)點(diǎn)是:工作面風(fēng)流較穩(wěn)定,有效的增加了供風(fēng)量,風(fēng)量的提高使得風(fēng)排瓦斯效果顯著,并大大增加了采空區(qū)瓦斯的排放范圍,提高了工作面的抗災(zāi)能力。缺點(diǎn)是:為了形成通風(fēng)系統(tǒng)需要施工四條工作面回采巷道及大量的聯(lián)絡(luò)巷,大大增加了巷道掘進(jìn)工程量;并且較多的聯(lián)絡(luò)巷導(dǎo)致漏風(fēng)量也相應(yīng)增多,增大了通風(fēng)系統(tǒng)的管理難度;切頂線以里排瓦斯巷、聯(lián)絡(luò)巷和上隅角通道維護(hù)工程量大，降低了采區(qū)回采率。

目前,《煤礦安全規(guī)程》(2016版)取消了專用排瓦斯巷的規(guī)定,因此所有回采巷道均按工作面回風(fēng)巷道管理,即瓦斯?jié)舛炔坏贸^(guò)1%,雙U型通風(fēng)方式越來(lái)越難以滿足高瓦斯礦井高產(chǎn)高效的要求。

1.2 單U型通風(fēng)方式

單U型通風(fēng)方式是一進(jìn)一回,優(yōu)點(diǎn)是通風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、通風(fēng)構(gòu)筑物少、可靠性較高,在低瓦斯礦井應(yīng)用廣泛。缺點(diǎn)是工作面配風(fēng)量較小,上隅角區(qū)域風(fēng)量較小,風(fēng)流易形成渦流情況,瓦斯難以進(jìn)入主風(fēng)流,從而導(dǎo)致上隅角瓦斯容易積聚[4],對(duì)于瓦斯含量較高或產(chǎn)量較大的高瓦斯工作面必須結(jié)合相對(duì)應(yīng)的瓦斯治理技術(shù),才能有效防治工作面瓦斯超限。

1.3 Y型通風(fēng)方式

該系統(tǒng)風(fēng)流為兩進(jìn)一回,采煤工作面的兩條順槽進(jìn)風(fēng),在其中一條順槽的采空區(qū)段進(jìn)行留巷回風(fēng),留巷采用巷旁充填支護(hù),如圖2所示。

Y型通風(fēng)方式的優(yōu)點(diǎn)是改變了U型通風(fēng)方式下上隅角區(qū)域風(fēng)量小、循環(huán)風(fēng)的存在的缺點(diǎn),從根本上解決了上隅角瓦斯積聚難題，而且運(yùn)煤、運(yùn)設(shè)備、供電、供水等管線都在新風(fēng)流中,在回風(fēng)巷內(nèi)既無(wú)電纜、軌道,也無(wú)管路,基本上成為專用回風(fēng)巷,不僅提高了工作面的安全性,也大大改善了工作面的作業(yè)環(huán)境[5-6]。

圖2 Y型通風(fēng)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Y-shaped ventilation

Y型通風(fēng)方式的缺點(diǎn)是該系統(tǒng)回風(fēng)巷的某些局部地點(diǎn)可能存在瓦斯積聚問(wèn)題,需采用瓦斯抽采方法來(lái)處理,并加強(qiáng)瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控;同時(shí),這種通風(fēng)系統(tǒng)需要在采空區(qū)中維護(hù)一條巷道,作為回風(fēng)巷使用,工作量較大,施工、維護(hù)較為困難;對(duì)有自燃傾向煤層,易造成煤層自燃;留巷維護(hù)效果不好會(huì)導(dǎo)致斷面過(guò)小,通風(fēng)阻力增大,工作面供風(fēng)量減少；Y型通風(fēng)方式還需要掘進(jìn)邊界集中回風(fēng)巷,掘進(jìn)工程量大,加劇了礦井采掘接替緊張。

1.4 偏Y型通風(fēng)系統(tǒng)

偏Y型通風(fēng)與Y型通風(fēng)原理一致,但回風(fēng)利用相鄰工作面的回采巷道及聯(lián)絡(luò)巷,不需要掘進(jìn)邊界集中回風(fēng)巷,節(jié)約了掘進(jìn)工作量及工期成本,并且分段式的沿空留巷使用時(shí)間較短,巷道斷面易于維護(hù),可以采用成本較低的支護(hù)方式。偏Y型通風(fēng)使用前提是相鄰的工作面的回采巷道已經(jīng)掘進(jìn)到位,此外,還需要每隔一定距離施工一個(gè)聯(lián)絡(luò)巷,掘進(jìn)和后期管理較為復(fù)雜。

偏Y型通風(fēng)通過(guò)改變工作面通風(fēng)線路及采空區(qū)瓦斯運(yùn)移線路,消除了工作面上隅角瓦斯超限隱患,對(duì)于解決上隅角瓦斯積聚是一種經(jīng)濟(jì)、可靠的方式。

進(jìn)入工作面的風(fēng)流一部分沿工作面流動(dòng),另一部分進(jìn)入采空區(qū)沿流線方向流動(dòng),最后經(jīng)沿空留巷排出。采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植紴?沿走向靠近采空內(nèi)部瓦斯?jié)舛容^高,沿傾斜靠近沿空留巷瓦斯?jié)舛容^高。

因此,無(wú)論是Y型通風(fēng)方式還是偏Y型通風(fēng)方式,都需要配合相應(yīng)的瓦斯抽采措施來(lái)防治沿空留巷內(nèi)的高濃度瓦斯,并控制深部采空區(qū)瓦斯向工作面回風(fēng)側(cè)涌出[7]。

2 通風(fēng)系統(tǒng)的選擇與優(yōu)化

目前,霍爾辛赫井下單個(gè)回采工作面供風(fēng)量為3 200 m3/min～3 300 m3/min左右,正在回采的工作面實(shí)測(cè)瓦斯涌出情況為15 m3/min～25 m3/min。目前井下接替工作面為3603回采工作面,瓦斯含量8 m3/t ～8.7 m3/t,計(jì)劃工作面日產(chǎn)量9 000 t。

根據(jù)礦井已經(jīng)實(shí)踐的通風(fēng)方式及瓦斯治理技術(shù),結(jié)合礦井工作面風(fēng)量、瓦斯含量等基本條件,綜合分析以下通風(fēng)方式以及相應(yīng)的瓦斯治理技術(shù),最終確定最適合霍爾辛赫煤礦接替工作面通風(fēng)方式和瓦斯治理方式。

2.1 通風(fēng)方式及瓦斯治理技術(shù)的分析

2.1.1單U型通風(fēng)+頂板水平走向長(zhǎng)鉆孔

頂板水平走向長(zhǎng)鉆孔的成孔層位對(duì)采空區(qū)瓦斯?jié)舛冉档偷挠绊戄^大。

1)當(dāng)成孔層位位于裂隙帶下部時(shí),隨著上覆巖層的垮落,其鉆孔也遭到破壞,所以對(duì)采空區(qū)淺部瓦斯影響較大,但對(duì)采空區(qū)深部影響較小。

2)當(dāng)鉆孔成孔層位于裂隙帶與下沉帶之間時(shí),對(duì)采空區(qū)淺部瓦斯?jié)舛扔绊懽兓幻黠@,但對(duì)采空區(qū)深部影響較明顯,原因是鉆孔位于裂隙下沉帶內(nèi),受到裂隙帶垮落的影響,其所在巖層雖然出現(xiàn)大量裂隙發(fā)育,但鉆孔未遭到完全破壞,為鉆孔抽采采空區(qū)深部瓦斯創(chuàng)造了條件。

3)當(dāng)鉆孔位置過(guò)高,超過(guò)裂隙帶時(shí),雖然鉆孔未遭到破壞，但其所在巖層未形成較好的裂隙發(fā)育,不利于形成瓦斯?jié)B流通道,降低了瓦斯抽采效果。

對(duì)接替工作面采用單U型通風(fēng)方式時(shí),其風(fēng)排瓦斯量需35 m3/min,且回風(fēng)流瓦斯?jié)舛炔坏贸^(guò)0.8%,考慮瓦斯涌出不均衡系數(shù),經(jīng)計(jì)算工作面需要配風(fēng)量為4 400 m3/min ～4 800 m3/min，而現(xiàn)有條件下工作面配風(fēng)量約為3 200 m3/min ～3 500 m3/min,因此,目前工作面配風(fēng)量達(dá)不到回采的要求。

3603采空區(qū)瓦斯抽采量需要達(dá)到12 m3/min左右。根據(jù)以前3103綜放工作面已經(jīng)施工的普通頂板裂隙帶鉆孔的抽采效果來(lái)看,采空區(qū)瓦斯抽采量為7 m3/min ～8 m3/min,通過(guò)高位鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯難度較大。

因此,在目前的巷道斷面條件下采用單U型通風(fēng)+頂板走向長(zhǎng)鉆孔不能滿足接替工作面的通風(fēng)及瓦斯治理要求。

2.1.2單U型通風(fēng)+高抽巷

高抽巷是回采煤層頂板內(nèi)的高位瓦斯抽采巷道的簡(jiǎn)稱。其工作原理是在將要實(shí)施回采工作煤層的上覆巖層內(nèi)部距離回采煤層一定距離的位置處布置一條巖巷,一般布置在上覆巖層的裂隙帶內(nèi),在回采過(guò)程中由于采動(dòng)影響上覆巖層垮落,在垮落帶上方的裂隙帶使頂板上的高位巖巷與采空區(qū)聯(lián)通,采空區(qū)的瓦斯在自身浮力的作用下向上流動(dòng),積聚在裂隙帶附近。在外界施加抽采負(fù)壓的情況下,采空區(qū)瓦斯通過(guò)預(yù)先鋪設(shè)的抽采管被抽出采空區(qū)[8]。高抽巷的示意圖如圖3所示。

圖3 高抽巷抽采瓦斯示意圖Fig.3 Gas drainage in high level drainage roadway

高抽巷抽放效果好,抽放量大,隨著回采強(qiáng)度的加大,裂隙形成越好,抽放效果越明顯,正?；夭蛇^(guò)程中抽出的瓦斯?jié)舛确€(wěn)定。目前在潞安礦區(qū)開展的試驗(yàn)取得了預(yù)期效果。

潞安礦區(qū)某礦井下工作面采用單U型通風(fēng)+高抽巷治理工作面瓦斯,工作面煤層原始瓦斯含量為8 m3/t ～9 m3/t,抽采負(fù)壓5 kPa ～7 kPa,抽采濃度在3%左右,瓦斯流量達(dá)到10 m3/min ～12 m3/min,工作面配風(fēng)3 000 m3/min～4 000 m3/min,在日產(chǎn)量8 000 t～10 000 t的條件下,上隅角、回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛葹?.6%。

綜合上述分析,單U型通風(fēng)+高抽巷方式基本滿足接替工作面的要求,技術(shù)上可行。但是高抽巷掘進(jìn)工期長(zhǎng)、成本高。初期頂板裂隙帶不發(fā)育時(shí),抽采效果較差,需要輔助采空區(qū)抽采鉆孔等抽采方式。

根據(jù)霍爾辛赫井下實(shí)際情況計(jì)算高抽巷的經(jīng)濟(jì)投入,高抽巷巷道斷面6 m2～7 m2,掘進(jìn)成本7 000元/m,3603工作面長(zhǎng)度1 607 m,共計(jì)1 200萬(wàn)元左右。

2.1.3偏Y型通風(fēng)+插管抽采+頂板高位鉆孔

為考察偏Y型通風(fēng)方式是否能滿足工作面供風(fēng)需求,在3601綜放工作面進(jìn)行偏Y型通風(fēng)試驗(yàn),3601工作面回采區(qū)域殘余瓦斯含量大約5.33 m3/t～7.05 m3/t，平均瓦斯含量6.19 m3/t,日產(chǎn)量7 000 t。

3601工作面采用偏Y型通風(fēng)方式后,前后調(diào)風(fēng)兩次,試驗(yàn)結(jié)果為:

1)初期配風(fēng)3 050 m3/min,回風(fēng)流最大瓦斯?jié)舛?.64%,回風(fēng)流平均瓦斯?jié)舛?.41%,工作面最大瓦斯?jié)舛?.78%,工作面平均瓦斯?jié)舛?.24%。

2)后期配風(fēng)量調(diào)整為2 200 m3/min,回風(fēng)流最大瓦斯?jié)舛?.79%,回風(fēng)流平均瓦斯?jié)舛?.51%,工作面最大瓦斯?jié)舛?.79%,工作面平均瓦斯?jié)舛?.25%。

可以看出,在配風(fēng)量較低的情況下,工作面及回風(fēng)流瓦斯?jié)舛染兴黾?但并未造成瓦斯超限。

根據(jù)沿空留巷采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律可知,在距工作面較近的采空區(qū)內(nèi),由于風(fēng)流流動(dòng)方向是從進(jìn)風(fēng)側(cè)流向回風(fēng)側(cè),而在偏Y型通風(fēng)方式下,由于兩條進(jìn)風(fēng)巷的風(fēng)壓不同,使得上隅角和回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛容^低,但有瓦斯?jié)舛容^高的區(qū)域向采空區(qū)深部運(yùn)移的趨勢(shì)。

根據(jù)綜放面采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律可知,在采空區(qū)內(nèi)回風(fēng)平巷側(cè)100 m～120 m處存在高濃度瓦斯富集區(qū)域,高濃度瓦斯會(huì)隨著采空區(qū)的漏風(fēng)風(fēng)流運(yùn)移到工作面及沿空留巷中。因此考慮采用插管+頂板高位鉆孔的方式抽采采空區(qū)高濃度瓦斯，從本質(zhì)上治理涌向工作面及沿空留巷的采空區(qū)高濃度瓦斯。

根據(jù)礦井試驗(yàn)的應(yīng)用情況可知,采空區(qū)插管抽采量為3 m3/min左右,頂板高位鉆孔的抽采量為10 m3/min。

因此采用偏Y型通風(fēng)+插管抽采+頂板高位鉆孔在技術(shù)上是可行的。

2.2 通風(fēng)方式及瓦斯治理技術(shù)的分析

通過(guò)前面的技術(shù)可行性分析,選擇技術(shù)可行的通風(fēng)方式及相對(duì)應(yīng)的瓦斯治理技術(shù)再進(jìn)行經(jīng)濟(jì)對(duì)比,即單U型通風(fēng)+高抽巷與偏Y型通風(fēng)+插管抽采+頂板高位鉆孔兩種方法對(duì)比，結(jié)合經(jīng)濟(jì)投入和可行性的優(yōu)缺點(diǎn)綜合分析。

3603和3605工作面采用偏Y型通風(fēng)+插管抽采+頂板高佳鉆孔是接替工作面較為合理的通風(fēng)及瓦斯治理方式,礦井可根據(jù)采掘部署合理選擇。

3 結(jié)論

1)從巷道布置、風(fēng)流分配、通風(fēng)系統(tǒng)管理以及風(fēng)排瓦斯等方面,對(duì)比分析了各通風(fēng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)及適應(yīng)性。適合霍爾辛赫煤礦的是單U通風(fēng)、Y型通風(fēng)、偏Y型通風(fēng)方式，并提出必須結(jié)合相應(yīng)的瓦斯抽采措施,才能有效解決工作面及采空區(qū)的瓦斯涌出。

2)根據(jù)各通風(fēng)方式及相應(yīng)的瓦斯抽采措施的效果和成本分析,得到最適合霍爾辛赫煤礦高瓦斯工作面的是“偏Y型通風(fēng)方式+插管抽采+頂板高位鉆孔”的方式。

3)建議在采用偏Y型通風(fēng)方式時(shí),要做好沿空留巷斷面的維護(hù)工作,并加大瓦斯抽采力度,降低煤層殘余瓦斯含量和采空區(qū)瓦斯涌出量,最終實(shí)現(xiàn)霍爾辛赫高瓦斯工作面的安全高效開采。