孫炳興

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

我國(guó)放頂煤開(kāi)采技術(shù)經(jīng)過(guò)20 多年的研究和實(shí)踐，已經(jīng)成為一種投資低、產(chǎn)量高、效益好且適合于特厚及厚煤層開(kāi)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(lèi)[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(chǎn)高，在開(kāi)采過(guò)程中瓦斯涌出絕對(duì)量大幅增加[5]，容易造成工作面回風(fēng)隅角、回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛瘸蓿瑢?duì)安全開(kāi)采造成了嚴(yán)重威脅。高瓦斯煤層綜放工作面該問(wèn)題更為突出，為解決這個(gè)問(wèn)題，許多高瓦斯綜放工作面采用一進(jìn)兩回或多進(jìn)多回的巷道布置方式[6]。但工作面多巷道布置存在區(qū)段煤柱損失大、煤炭回采率低；巷道掘進(jìn)工程量大、成本高、維護(hù)困難；工作面準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，容易造成接續(xù)緊張局面等諸多問(wèn)題[7，8]。隨著對(duì)綜放開(kāi)采工藝認(rèn)識(shí)水平以及工作面瓦斯治理技術(shù)水平的不斷提升，工作面巷道布置方式應(yīng)及時(shí)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。為此，基于保德煤礦的實(shí)際情況，對(duì)高瓦斯煤層綜放工作面巷道布置方式進(jìn)行優(yōu)化研究，以期解決工作面多巷道布置存在的上述諸多問(wèn)題，為類(lèi)似開(kāi)采技術(shù)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(dāng)前開(kāi)采的8#煤層純煤平均厚度6.83m，煤種為氣煤，為Ⅱ類(lèi)自燃煤層。礦井采用“平硐+斜井+立井”綜合開(kāi)拓；分區(qū)抽出式通風(fēng)，現(xiàn)有進(jìn)風(fēng)井6個(gè)，回風(fēng)井2個(gè)；采用走向長(zhǎng)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(tǒng)，“一綜放、二掘錨”，按照5.0Mt/a組織生產(chǎn)。

保德煤礦采面巷道布置優(yōu)化前已回采的6個(gè)綜放工作面采用“一面多巷”(主運(yùn)輸巷、輔助運(yùn)輸巷、一號(hào)回風(fēng)巷和二號(hào)回風(fēng)巷)的巷道布置方式?；夭善陂g工作面采用“兩進(jìn)(或三進(jìn))兩回U型”通風(fēng)系統(tǒng)，配風(fēng)量1800～2500m3/min，最大3000m3/min；瓦斯絕對(duì)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(qū)滯后聯(lián)巷埋管抽采(在工作面二號(hào)回風(fēng)巷安設(shè)?820mm干管、?520mm支管，滯后工作面30～150m 聯(lián)巷埋管抽采，抽采混合量達(dá)300～500m3/min )和回采時(shí)繼續(xù)超前預(yù)抽等(原超前預(yù)抽鉆孔隨采隨拆)。

保德煤礦采煤方法調(diào)整為綜采放頂煤開(kāi)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(wèn)題已經(jīng)成為制約礦井安全生產(chǎn)的主要因素[9，10]。隨著礦井逐步向深部區(qū)開(kāi)采，煤層瓦斯含量不斷增大，從采空區(qū)涌向工作面的瓦斯量急劇升高，這一問(wèn)題顯得更加突出。保德煤礦長(zhǎng)期使用大流量、低負(fù)壓采空區(qū)埋管抽采措施治理瓦斯，抽采管材不可回收，浪費(fèi)嚴(yán)重且治理效果不理想，偶有瓦斯超限情況發(fā)生[11]。因此，通過(guò)優(yōu)化綜放面巷道布置和通風(fēng)方式，在此基礎(chǔ)上調(diào)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(chǎn)成為保德煤礦亟待克服的首要問(wèn)題。

2 采面巷道布置優(yōu)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(wú)煤柱開(kāi)采)”兩種選擇方式?！耙幻嬉幌铩辈贾梅绞酱嬖谌缦聠?wèn)題[12]：保德煤礦未進(jìn)行過(guò)沿空留巷相關(guān)試驗(yàn)研究，對(duì)8#煤層這種厚煤層大采高巷道沿空留巷能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求還不確定；沿空留巷需要增加成本，在實(shí)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(qū)瓦斯的方式，抽采效果難以保證且采空區(qū)抽采管路無(wú)法回收；單巷長(zhǎng)距離掘進(jìn)，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(yōu)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(fēng)方式選擇

由圖1可知，回采工作面輔助運(yùn)輸巷緊鄰上鄰近工作面采空區(qū)，因受礦壓影響其巷道底鼓片幫嚴(yán)重，帶式輸送機(jī)應(yīng)安設(shè)于工作面主運(yùn)輸巷中。因此，在“一面兩巷”的巷道布置方式下，工作面通風(fēng)方式有如下幾種方案。

2.2.1方案一：“U”型通風(fēng)

1)下行通風(fēng)。工作面風(fēng)流方向：由工作面輔助運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)，風(fēng)流經(jīng)工作面后，由主運(yùn)輸巷回風(fēng)，工作面風(fēng)流自上向下流動(dòng)，工作面下行通風(fēng)方式如圖2所示。設(shè)備布置及運(yùn)輸：帶式輸送機(jī)布置在工作面主運(yùn)輸巷(回風(fēng))，移變列車(chē)布置在工作面輔助運(yùn)輸巷(進(jìn)風(fēng))，行人進(jìn)料從工作面輔助運(yùn)輸巷進(jìn)入，大件可繞行下鄰近備采工作面輔助運(yùn)輸巷進(jìn)入。采空區(qū)抽采管路：管路安裝在下鄰近備采工作面輔助運(yùn)輸巷，在聯(lián)巷內(nèi)安裝支管，支管閥門(mén)安裝在對(duì)應(yīng)聯(lián)巷口。為提前回收管路，可在每個(gè)聯(lián)巷處設(shè)置一個(gè)主管閥門(mén)，根據(jù)需要打開(kāi)或關(guān)閉閥門(mén)；抽采干管及部分支管可回收。

圖2 工作面下行通風(fēng)方式

2)上行通風(fēng)。工作面風(fēng)流方向：由工作面主運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)，風(fēng)流經(jīng)工作面后，由輔助運(yùn)輸巷回風(fēng)，工作面風(fēng)流自下向上流動(dòng)，工作面上行通風(fēng)方式如圖3所示。設(shè)備布置及運(yùn)輸：帶式輸送機(jī)布置在工作面主運(yùn)輸巷(進(jìn)風(fēng))，移變列車(chē)布置在工作面輔助運(yùn)輸巷(回風(fēng))，行人進(jìn)料從工作面輔助運(yùn)輸巷進(jìn)入，大件可繞行下鄰近備采工作面輔助運(yùn)輸巷進(jìn)入。采空區(qū)抽采管路：管路安裝在工作面輔助運(yùn)輸巷，采用邁步式上隅角插管的抽采方式；切換時(shí)可以根據(jù)需要打開(kāi)閥門(mén)；抽采管路不能回收。

圖3 工作面上行通風(fēng)方式

2.2.2 方案二：偏“Y”型通風(fēng)

1)工作面風(fēng)流方向：工作面輔助運(yùn)輸巷和主運(yùn)輸巷外段進(jìn)風(fēng)，風(fēng)流經(jīng)工作面后通過(guò)聯(lián)巷，由下鄰近工作面輔助運(yùn)輸巷回風(fēng)，工作面風(fēng)流自上向下流動(dòng)。工作面偏“Y”型通風(fēng)方式如圖4所示。

圖4 工作面偏“Y”型通風(fēng)方式

2)設(shè)備布置及運(yùn)輸：帶式輸送機(jī)布置在工作面主運(yùn)輸巷(進(jìn)風(fēng))，移變列車(chē)布置在工作面輔助運(yùn)輸巷(進(jìn)風(fēng))，行人進(jìn)料從工作面輔助運(yùn)輸巷進(jìn)入，大件可繞行下鄰近備采工作面輔助運(yùn)輸巷進(jìn)入。

3)采空區(qū)抽采管路：管路安裝在下鄰近備采工作面輔助運(yùn)輸巷，在聯(lián)巷內(nèi)安裝支管，支管閥門(mén)安裝在對(duì)應(yīng)聯(lián)巷口。為提前回收管路，可在每個(gè)聯(lián)巷處設(shè)置一個(gè)主管閥門(mén)，根據(jù)需要打開(kāi)或關(guān)閉閥門(mén)；抽采干管及部分支管可回收。

2.2.3 方案三：“Y”型通風(fēng)

1)工作面風(fēng)流方向：工作面主運(yùn)輸巷和輔助運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)，風(fēng)流經(jīng)工作面后，在主運(yùn)輸巷沿空留巷段通過(guò)聯(lián)巷進(jìn)入下鄰近備采工作面輔助運(yùn)輸巷及切眼進(jìn)行回風(fēng)，風(fēng)流自上至下。工作面“Y”型通風(fēng)方式如圖5所示。

圖5 工作面“Y”型通風(fēng)方式

2)設(shè)備布置及運(yùn)輸：帶式輸送機(jī)布置在工作面主運(yùn)輸巷(進(jìn)風(fēng))，移變列車(chē)布置在工作面輔助運(yùn)輸巷(進(jìn)風(fēng))，行人進(jìn)料從工作面輔助運(yùn)輸巷進(jìn)入，大件可繞行下鄰近備采工作面輔助運(yùn)輸巷進(jìn)入。

3)采空區(qū)抽采管路：管路安裝在下鄰近備采工作面輔助運(yùn)輸巷，在聯(lián)巷內(nèi)安裝支管，支管閥門(mén)安裝在對(duì)應(yīng)聯(lián)巷口。為提前回收管路，可在每個(gè)聯(lián)巷處設(shè)置一個(gè)主管閥門(mén)，根據(jù)需要打開(kāi)或關(guān)閉閥門(mén)；抽采干管及部分支管可回收。

4)沿空留巷：當(dāng)工作面推進(jìn)過(guò)上一個(gè)聯(lián)巷時(shí)，采用“切頂卸壓”方法保留下一個(gè)聯(lián)巷段巷道作為工作面回風(fēng)。采用恒阻錨索對(duì)巷道頂板加強(qiáng)支護(hù)，回采前對(duì)巷道正幫側(cè)頂板定向預(yù)裂，待工作面推過(guò)后，在礦壓作用下頂板沿預(yù)裂切縫自動(dòng)切落形成巷幫，留巷段采取“木垛+圓木+網(wǎng)片+風(fēng)筒布”進(jìn)行擋矸擋風(fēng)。

據(jù)文獻(xiàn)[13-15]及開(kāi)采實(shí)踐，采用下行通風(fēng)工作面漏風(fēng)相對(duì)較少，風(fēng)流方向與瓦斯上浮方向相反，采空區(qū)瓦斯涌向工作面受阻，回風(fēng)隅角瓦斯治理相對(duì)容易，并為采空區(qū)瓦斯抽采效果提高提供了便利條件。下行通風(fēng)機(jī)械風(fēng)壓與采空區(qū)內(nèi)熱風(fēng)壓方向相反，對(duì)抑制采空區(qū)遺煤自然發(fā)火有利。此外，下行通風(fēng)對(duì)工作面降塵有積極作用，可改善工作面作業(yè)環(huán)境，并有利于工作面降溫和濕度的改善。Y型通風(fēng)改變了工作面回風(fēng)隅角風(fēng)流流向，是預(yù)防和治理采煤工作面上隅角瓦斯積聚和回風(fēng)巷瓦斯超限有效的一種通風(fēng)方式，但需要沿空留巷其技術(shù)難度大且投入高，沿空留巷段支護(hù)不良時(shí)可引起采空區(qū)漏風(fēng)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(fēng)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(fēng)方式，整個(gè)帶式運(yùn)輸機(jī)及電氣設(shè)備處于回風(fēng)流中，安全性低且設(shè)備維護(hù)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(fēng)方式應(yīng)選擇方案二。針對(duì)方案二由于礦壓影響導(dǎo)致上鄰近采空區(qū)瓦斯涌入工作面輔運(yùn)巷進(jìn)風(fēng)流的缺點(diǎn)，采取以下改進(jìn)措施：在上鄰近工作面預(yù)留采空區(qū)卸壓管，并與抽采管路對(duì)接，減少上鄰近采空區(qū)瓦斯涌出量；嚴(yán)格執(zhí)行采面防滅火和防塵措施，加強(qiáng)電氣焊管控，外因火災(zāi)防治措施落實(shí)到位；帶式輸送機(jī)機(jī)尾、馬蹄兒等電氣設(shè)備上風(fēng)側(cè)安裝相關(guān)傳感器，回風(fēng)流內(nèi)人員必須攜帶甲烷便攜儀；提高帶式輸送機(jī)維修頻率，加強(qiáng)設(shè)備防爆性能檢查。

2.3 巷道優(yōu)化后采空區(qū)抽采方式

根據(jù)方案二，工作面采用下行通風(fēng)方式，采空區(qū)瓦斯抽采管路安裝在下鄰近備采工作面輔助運(yùn)輸巷，在聯(lián)巷內(nèi)安裝支管，支管閥門(mén)安裝在對(duì)應(yīng)聯(lián)巷口。為了緩解巷道間頻繁施工聯(lián)巷進(jìn)行插管抽采采空區(qū)的問(wèn)題，可以在巷道間煤柱施工大直徑橋接采空區(qū)鉆孔來(lái)代替巷道間聯(lián)巷插管抽采[16]。為提前回收管路，可在每個(gè)聯(lián)巷處設(shè)置一個(gè)主管閥門(mén)，根據(jù)需要打開(kāi)或關(guān)閉閥門(mén)。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(qū)瓦斯抽采方式

2.4 優(yōu)化方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

優(yōu)化后的“一面兩巷”綜放工作面布置方案與優(yōu)化前綜放工作面巷道布置方式相比較，工作面準(zhǔn)備巷道由3條或4條減少到2條，通風(fēng)系統(tǒng)由此前的“兩進(jìn)多回”U型通風(fēng)方式、上行通風(fēng)調(diào)整為“兩進(jìn)一回”偏Y型通風(fēng)方式、下行通風(fēng)，工作面回采期間采空區(qū)瓦斯抽采方式由工作面二號(hào)回風(fēng)巷安設(shè)抽采管路、聯(lián)巷埋管抽采、抽采干管及支管不可回收改變?yōu)橄锣徑鼈溆妹孑o助運(yùn)輸巷安設(shè)抽采管路、聯(lián)巷插管抽采、抽采干管和部分支管可以回收。優(yōu)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(yōu)點(diǎn)：減小了工作面約1/3煤巷(準(zhǔn)備巷道及聯(lián)巷)掘進(jìn)工程量，降低了采面巷道掘進(jìn)成本；采空區(qū)抽采干管及部分支管能回收，可節(jié)約采面瓦斯治理成本；抽采支管數(shù)量、抽采量及抽采負(fù)壓可控，有利于提高采空區(qū)瓦斯抽采效果；工作面巷道掘進(jìn)工程量減少，同比縮短了工作面準(zhǔn)備的時(shí)間，為增大工作面本煤層預(yù)抽鉆孔預(yù)抽時(shí)間創(chuàng)造了條件；有利于提高采區(qū)煤炭資源回采率；下行通風(fēng)降塵效果好，有利于隅角瓦斯治理和抑制采空區(qū)遺煤自然發(fā)火。

根據(jù)保德煤礦掘進(jìn)速度、生產(chǎn)成本、開(kāi)采設(shè)計(jì)等技術(shù)水平及當(dāng)?shù)氐奈镔Y采購(gòu)情況，以三盤(pán)區(qū)設(shè)計(jì)工作面平均水平為基礎(chǔ)，對(duì)巷道優(yōu)化前后經(jīng)濟(jì)進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)表1。由表1可知，按照礦井當(dāng)前生產(chǎn)條件和三盤(pán)區(qū)深部區(qū)采面設(shè)計(jì)參數(shù)平均值，保德煤礦采煤工作面采用“一面兩巷”布置方式與當(dāng)前巷道布置方式相比：?jiǎn)蚊婵蓽p少3700多米準(zhǔn)備巷道掘進(jìn)工程量，減少煤柱遺留煤量約48萬(wàn)t，單面準(zhǔn)備時(shí)間可縮短約7.4個(gè)月，單面可節(jié)約礦井生產(chǎn)成本3800萬(wàn)元左右。綜上所述，優(yōu)化后的巷道布置方案在技術(shù)上可行、在經(jīng)濟(jì)上合理，且其工作面通風(fēng)推薦采用偏“Y”型通風(fēng)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(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)面概況

保德煤礦81505工作面位于保德煤礦北部區(qū)下部，工作面面長(zhǎng)240m，可采長(zhǎng)度1856m，地面標(biāo)高877～1054m，底板標(biāo)高620～683m，西為設(shè)計(jì)81506工作面，東為81504采空區(qū)，南為五盤(pán)區(qū)集中輔運(yùn)大巷，北為未開(kāi)發(fā)實(shí)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(shè)計(jì)的一號(hào)回風(fēng)巷和二號(hào)回風(fēng)巷進(jìn)風(fēng)，風(fēng)流經(jīng)工作面后至主運(yùn)輸巷后段到聯(lián)巷再流至81506二號(hào)回風(fēng)巷回風(fēng)，工作面回采期間配風(fēng)量1800～2100m3/min，采空區(qū)瓦斯抽采管路布置在下鄰近81506備采工作面二號(hào)回風(fēng)巷，采用聯(lián)巷插管抽采采空區(qū)瓦斯治理方式。81505工作通風(fēng)及采空區(qū)瓦斯抽采管路布置如圖7所示。

表1 巷道布置方式優(yōu)化前后單面經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析估算

圖7 81505工作面通風(fēng)系統(tǒng)及采空區(qū)瓦斯抽采管路布置

3.2 應(yīng)用效果分析

81505工作面回采工期9個(gè)月，日均產(chǎn)量1.4萬(wàn)t，采用下行通風(fēng)配合采空區(qū)聯(lián)巷插管抽采采空區(qū)的瓦斯治理方式，并對(duì)進(jìn)風(fēng)流瓦斯加強(qiáng)管理?；夭善陂g工作面瓦斯?jié)舛?.08%～0.2%，平均0.12%；回風(fēng)隅角(下隅角)瓦斯?jié)舛?.1%～0.6%，平均0.38%。

81505工作面與81504工作面為相鄰工作面，地質(zhì)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(fēng)隅角瓦斯?jié)舛确植既鐖D8和圖9所示。由圖8和圖9對(duì)比可知，采用下行通風(fēng)的81505工作面瓦斯治理效果明顯好于采用上行通風(fēng)的81504工作面；與81504工作面相比，81505工作面和回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛确謩e降低了40%左右和33%左右。回采期間，81505工作面回風(fēng)隅角平均瓦斯?jié)舛葍H有0.38%，工作面、回風(fēng)隅角和回風(fēng)巷均未發(fā)生瓦斯超限事故，工作面及回風(fēng)隅角瓦斯涌出問(wèn)題得到有效解決，安全生產(chǎn)形勢(shì)明顯好轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了綜放工作面安全高效生產(chǎn)。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)抽采管材回收再利用，節(jié)約抽采材料費(fèi)700萬(wàn)元左右，經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。

圖8 81505與81504面初采至末采工作面瓦斯?jié)舛葘?duì)比

圖9 81505與81504面初采至末采回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛葘?duì)比

3.3 推廣應(yīng)用

在81505綜放工作面回采試驗(yàn)前其巷道“一面三巷”布置已完畢，工作面回采試驗(yàn)期間原布置的二號(hào)回風(fēng)巷僅作為通風(fēng)巷道，可以封閉不用。由此，試驗(yàn)證明綜放面減少1條巷道，采用“一面兩巷”布置技術(shù)上完全可行，且在工作面瓦斯防治效果上具有明顯優(yōu)勢(shì)。因此，保德煤礦三盤(pán)區(qū)深部區(qū)綜放工作面均設(shè)計(jì)采用“一面兩巷”布置，當(dāng)前81310工作面已按照“一面兩巷”準(zhǔn)備完畢。

4 結(jié) 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(shù)上可行，并通過(guò)實(shí)踐證實(shí)具有較強(qiáng)的優(yōu)越性，適合礦井生產(chǎn)實(shí)際。

2)綜放工作面采用下行通風(fēng)后，并依此對(duì)工作面采空區(qū)瓦斯抽采方式進(jìn)行調(diào)整，解決了回風(fēng)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(yōu)化工作面巷道布置的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整工作面通風(fēng)及采空區(qū)瓦斯抽采方式，提升了礦井煤炭回采率，降低了礦井生產(chǎn)成本，緩解了接續(xù)緊張的局面，確保了工作面安全高效生產(chǎn)，優(yōu)化采煤工作面巷道布置取得了顯著的安全、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。