魏引尚，王奕博，賈玉泉，楊 偉，張普選

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西省紅石巖煤礦，陜西 延安 727301)

0 引言

紅石巖煤礦位于陜西省黃陵縣店頭鎮(zhèn)南川河西岸的曹家峪村，其礦井瓦斯相對(duì)涌出量為2.72 m3/t，礦井瓦斯絕對(duì)涌出量6.28 m3/min。其12409工作面按照原有經(jīng)驗(yàn)抽放瓦斯時(shí)發(fā)現(xiàn)，上隅角埋管抽采瓦斯的措施以及移動(dòng)抽采泵站抽采流量不足以解決上隅角瓦斯超限現(xiàn)象的問題。因此，礦井已計(jì)劃并建成地面抽放泵站以解決抽采能力不足的問題，并在實(shí)踐生產(chǎn)的過程中總結(jié)發(fā)現(xiàn)了該瓦斯積聚現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是外部漏風(fēng)和內(nèi)部漏風(fēng)共同作用下漏風(fēng)量較大引起的。結(jié)合大量的工程實(shí)踐資料發(fā)現(xiàn)[1-6]，學(xué)者們?cè)谥卫砩嫌缃峭咚钩迒栴}時(shí)，大多是以治理內(nèi)部漏風(fēng)為出發(fā)點(diǎn)，以抽采瓦斯?jié)舛葹橹卫砗诵?，?duì)于因外部漏風(fēng)和內(nèi)部漏風(fēng)共同造成的漏風(fēng)量過大而導(dǎo)致的上隅角瓦斯積聚的問題如何治理，論述較少。通過對(duì)紅石巖煤礦漏風(fēng)來源的分析發(fā)現(xiàn)，治理12409工作面瓦斯積聚現(xiàn)象的治理核心在于漏風(fēng)。因此，將以治理漏風(fēng)為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合工作面實(shí)際情況，提出并論述基于治風(fēng)理念的穿壁孔抽采措施在治理該類型煤礦的可行性。

1 12409工作面采空區(qū)漏風(fēng)分析

對(duì)于大多數(shù)U型工作面，由于內(nèi)部漏風(fēng)的緣故，工作面進(jìn)風(fēng)巷測(cè)(始端)到工作面回風(fēng)巷側(cè)(末端)的沿程風(fēng)量逐漸變化而非定值，工作面進(jìn)風(fēng)巷(始端)的風(fēng)量和工作面回風(fēng)巷側(cè)(末端)的風(fēng)量并不相等，屬于正壓漏風(fēng)狀態(tài)。

Q進(jìn)=PQ回

(1)

式中：P—風(fēng)量比，正壓漏風(fēng)時(shí)P>1，負(fù)壓漏風(fēng)時(shí)P<1。

進(jìn)入工作面的風(fēng)流一部分沿著工作面向工作面回風(fēng)側(cè)流動(dòng)，另一部分漏進(jìn)采空區(qū)，并伴隨著采空區(qū)內(nèi)的瓦斯，沿著扇形路徑，向工作面回風(fēng)側(cè)流動(dòng)。并且由于瓦斯的密度比空氣小，且上隅角附近由于風(fēng)流方向的變化，形成了一個(gè)流速較低的渦流區(qū)，從而造成了瓦斯在上隅角處的大量積聚。

但此種分析方式的缺陷在于并未充分考慮到外部漏風(fēng)對(duì)工作面上隅角瓦斯的影響性。對(duì)于大多數(shù)U型工作面，外部漏風(fēng)帶來的瓦斯在抽采設(shè)計(jì)中往往忽略不計(jì)入考量，但當(dāng)外部漏風(fēng)達(dá)到了一定的漏風(fēng)量以后，則需要針對(duì)內(nèi)部漏風(fēng)和外部漏風(fēng)重新進(jìn)行實(shí)地分析，制定適宜的抽采措施。

對(duì)于采空區(qū)漏風(fēng)的來源一般分為內(nèi)部漏風(fēng)和外部漏風(fēng)。根據(jù)郭玉森學(xué)者在采空區(qū)與周圍巷道連通關(guān)系中的闡述[7]，可將采空區(qū)漏風(fēng)簡(jiǎn)化表示為一個(gè)“兩源一匯”的模型，如圖1所示。其中A為內(nèi)部漏風(fēng)，B為外部漏風(fēng)，C為上隅角處。

圖1 “兩源一匯”模型

風(fēng)流沿著進(jìn)風(fēng)巷向回風(fēng)巷途經(jīng)工作面流動(dòng)時(shí)，一部分風(fēng)流從工作面進(jìn)風(fēng)巷側(cè)涌入采空區(qū)，這部分風(fēng)流是造成該工作面內(nèi)部漏風(fēng)的主要來源。內(nèi)部漏風(fēng)附含的瓦斯一部分來源于開采層的煤壁和落煤解吸的瓦斯，另一部分來源于采空區(qū)，采空區(qū)瓦斯涌出包括未采下分層卸壓后涌出的瓦斯、丟煤解吸的瓦斯、鄰近層及圍巖涌出的瓦斯。依據(jù)陜西省煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)督管理局對(duì)紅石巖礦井瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果可知，其礦井瓦斯相對(duì)涌出量2.72 m3/t，瓦斯絕對(duì)涌出量6.28 m3/min，以及多年來紅石巖煤礦生產(chǎn)報(bào)告資料顯示，上隅角瓦斯超限問題集中出現(xiàn)在了煤礦開采的中后期，此時(shí)工作面配風(fēng)量同比前期變化不大。由此可證，上隅角瓦斯超限問題與內(nèi)部漏風(fēng)并沒有直接的邏輯關(guān)系。

12409工作面采空區(qū)附近存在著“老窯”，是造成該工作面外部漏風(fēng)的主要來源，且位置無法確定。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)多次測(cè)定，12409工作面上隅角近采空區(qū)側(cè)的漏風(fēng)量約為180 m3/min。經(jīng)翻閱資料表明，該礦在同一采區(qū)對(duì)12404工作面，12405工作面根據(jù)其瓦斯涌出量而選型的臨時(shí)移動(dòng)抽放泵，最大抽采量僅為55 m3/min。由此可見，對(duì)比同一采區(qū)已采工作面，12409工作面漏風(fēng)量的突然增大，與外部漏風(fēng)存在密不可分的聯(lián)系。

2 治風(fēng)理念及措施

2.1 治風(fēng)理念

根據(jù)工程實(shí)踐需要，以及外部漏風(fēng)源位置的不確定性，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的方式分析選擇治理上隅角瓦斯積聚問題的側(cè)重點(diǎn)。經(jīng)與礦方溝通，在現(xiàn)有12409工作面超前支護(hù)前在巷道頂板位置以間隔5 m的距離，依次打入3組鉆孔(1組5個(gè)鉆孔)，終孔點(diǎn)落入采空區(qū)裂隙帶內(nèi)。測(cè)得抽采管道內(nèi)混合流量45 m3/min，混合瓦斯?jié)舛?%左右，工作面近采空區(qū)側(cè)的漏風(fēng)量約為140 m3/min。此時(shí)上隅角瓦斯?jié)舛燃s為1.9%，仍處于超限狀態(tài)。由此可知，以傳統(tǒng)方式抽采采空區(qū)高濃度瓦斯以達(dá)到降低上隅角瓦斯?jié)舛鹊姆绞皆谠撁旱V效果甚微。

因此，針對(duì)這種情況，治理該煤礦12409工作面上隅角瓦斯超限問題的核心在于治風(fēng)?？蓸?gòu)建一個(gè)“兩源兩匯”的模型，如圖2所示，其中A為內(nèi)部漏風(fēng)，B為外部漏風(fēng)，C為上隅角處，D為抽采鉆口處。考慮到外部漏風(fēng)源位置的不確定因素，通過在上隅角附近處形成一個(gè)具有局部負(fù)壓特性的漏風(fēng)匯(抽采鉆口處)，從而減少向上隅角處流去的漏風(fēng)量，從而達(dá)到治理上隅角瓦斯積聚的效果。

根據(jù)以上對(duì)紅石巖煤礦12409工作面采空區(qū)漏風(fēng)來源的分析，并基于“兩源兩匯”的治理模型，提出以下治風(fēng)理念。

圖2 “兩源兩匯”模型

根據(jù)能量守恒定律以及礦井瓦斯運(yùn)移特性，在上隅角近采空區(qū)處構(gòu)建的漏風(fēng)匯(抽采鉆孔)的漏風(fēng)量D近似滿足式(2)。

QA+QB=QC+QD

(2)

式中：QA—內(nèi)部漏風(fēng)，m3/min；QB—外部漏風(fēng)，m3/min；QC—上隅角處漏風(fēng)量，m3/min；QD—漏風(fēng)匯風(fēng)量，m3/min。

對(duì)于U型工作面，采空區(qū)向工作面上隅角處涌出的瓦斯量與其內(nèi)外壓差的平方有關(guān)[8-10]，當(dāng)通過在上隅角附近處設(shè)置抽采鉆頭抽采瓦斯時(shí)，瓦斯抽放的強(qiáng)度會(huì)影響上隅角附近的瓦斯流向。即在治理該煤礦12409工作面時(shí)，當(dāng)抽采鉆孔處的抽采風(fēng)量QC大于外部漏風(fēng)量QB時(shí)，可以消除由外部漏風(fēng)帶來的臨近層以及采空區(qū)深部瓦斯，并由抽采鉆孔處引排；當(dāng)抽采鉆孔處的抽采風(fēng)量QC大于外部漏風(fēng)量QB與內(nèi)部漏風(fēng)量QA的總和時(shí)，可使得抽采鉆孔處相對(duì)于上隅角處形成一個(gè)局部負(fù)壓區(qū)，即原流從上隅角的外部漏風(fēng)和內(nèi)部漏風(fēng)向抽采鉆孔處流去，從而消除由漏風(fēng)造成的上隅角瓦斯積聚現(xiàn)象。

2.2 治理措施

對(duì)于紅石巖煤礦12409工作面存在的采空區(qū)漏風(fēng)量較大，且現(xiàn)有抽采措施效果不足以消除隱患的現(xiàn)狀，現(xiàn)探討了一種從相鄰巷打穿壁孔的抽采方案以解決上隅角瓦斯積聚問題。

通過對(duì)紅石巖煤礦12409工作面的現(xiàn)場(chǎng)考察發(fā)現(xiàn)，12409工作面回風(fēng)巷與12410工作面回風(fēng)巷處于同位側(cè)，并在停產(chǎn)線處公用一條主回風(fēng)巷。且12410工作面掘進(jìn)開拓工作已經(jīng)完成，通風(fēng)條件成熟。原計(jì)劃采用12410工作面作為12409工作面的“尾巷”，通過打孔將12409工作面上隅角附近的風(fēng)流引排至12410工作面回風(fēng)巷中。這種措施在終孔點(diǎn)和起孔點(diǎn)是以自然風(fēng)壓的方式引排漏風(fēng)。在實(shí)際生產(chǎn)中，內(nèi)外壓差會(huì)受到生產(chǎn)因素以及通風(fēng)因素的影響并不穩(wěn)定，鉆孔內(nèi)部風(fēng)流有可能處于動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)，甚至?xí)霈F(xiàn)風(fēng)流倒流的現(xiàn)象。另外引排至12410工作面回風(fēng)巷中的漏風(fēng)風(fēng)流也有可能導(dǎo)致12410回風(fēng)巷瓦斯超限現(xiàn)象的發(fā)生。因此，將12410工作面回風(fēng)巷作為12409工作面“尾巷”的方式引排漏風(fēng)存在著技術(shù)缺陷以及安全隱患。通過現(xiàn)場(chǎng)考察并在此基礎(chǔ)上，將原有方案改進(jìn)為在12410工作面打穿壁孔，并利用已有管路進(jìn)行改裝從而將抽采孔連入管道，通過抽采泵提供抽采負(fù)壓的方式將避免風(fēng)流倒流和瓦斯超限等其他問題的發(fā)生，并做出相應(yīng)設(shè)計(jì)方案，投入使用。

通過對(duì)紅石巖煤礦漏風(fēng)量較大的問題討論分析，此設(shè)計(jì)方案主要以抽采上隅角附近的漏風(fēng)為主，通過形成一個(gè)具有局部負(fù)壓特性的漏風(fēng)匯以達(dá)到治理效果。本設(shè)計(jì)以現(xiàn)有條件，從與12409工作面相鄰的12410工作面打穿壁孔到12409工作面上隅角附近。5 m布置1個(gè)鉆孔，每次抽采時(shí)將5個(gè)鉆孔連入管路，連接至地面泵站引排。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)孔進(jìn)入采空區(qū)深部后，下一個(gè)孔接力抽采，并將該孔進(jìn)行灌漿封孔處理。鉆孔設(shè)計(jì)圖及參數(shù)表如圖3、表1。

圖3 鉆孔設(shè)計(jì)示意圖

表1 鉆孔技術(shù)參數(shù)表

3 治理效果分析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)瓦檢員每天的檢測(cè)報(bào)告，將其整理匯總，見表2。

表2 抽采數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)表2，可統(tǒng)計(jì)連入管路的5個(gè)鉆孔總流量約為200 m3/min，此時(shí)由于漏風(fēng)產(chǎn)生的采空區(qū)瓦斯主要由抽采管道處引排。并發(fā)現(xiàn)上隅角瓦斯?jié)舛乳L期保持在0.3%以下，根據(jù)投采前后的上隅角瓦斯?jié)舛葘?duì)比，可基本驗(yàn)證“兩源兩匯”模型的工業(yè)適用性。并且通過對(duì)抽采管路里的瓦斯?jié)舛鹊臋z測(cè)發(fā)現(xiàn)，瓦斯?jié)舛然揪S持在3%左右，因此，可判定該瓦斯是由外部漏風(fēng)引起的，從而證明了治風(fēng)理念的正確性。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)2016版的《煤礦安全規(guī)程》，對(duì)于傳統(tǒng)的U+L型通風(fēng)方式的尾巷抽采措施因存在安全隱患，已不能再使用。而對(duì)于紅石巖煤礦，12410掘進(jìn)工作面切眼已形成，且與12409工作面以并行的方式共用一條主回風(fēng)巷道，通風(fēng)條件成熟，且在管路已經(jīng)鋪設(shè)完畢的情況下，在12410回風(fēng)巷打穿壁孔到12409工作面上隅角附近，并連入抽采管路進(jìn)行抽采的措施是可行的，與新的章程并不沖突。

(2)12409工作面外部漏風(fēng)較大從而導(dǎo)致上隅角瓦斯積聚的隱患困擾煤礦的正常生產(chǎn)工作已久。煤礦方在實(shí)際生產(chǎn)中采用了上隅角插管的抽采措施，但效果并不明顯。在綜合分析了紅石巖煤礦12409工作面采空區(qū)漏風(fēng)來源之后，以治風(fēng)的理念采取穿壁孔抽采方式取得了良好的抽采效果，解決了上隅角瓦斯積聚的問題，并驗(yàn)證了此類煤礦治風(fēng)理念的正確性。

(3)主要針對(duì)工程實(shí)踐進(jìn)行分析論述，對(duì)于內(nèi)部漏風(fēng)和外部漏風(fēng)共同作用下采空區(qū)內(nèi)部的風(fēng)流流向，以及瓦斯分布并未進(jìn)行深入分析，希望在以后的研究中不斷深入，總結(jié)。