郭素亮，鞏紅龍

（西山煤電股份有限公司西銘礦，山西 太原 030052）

0 引 言

U 型通風(fēng)系統(tǒng)——反向通風(fēng)系統(tǒng)，1 條巷道進(jìn)風(fēng)1 條巷道回風(fēng)，通風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，U 型后退式通風(fēng)系統(tǒng)采空區(qū)漏風(fēng)小，風(fēng)流管理容易，巷道施工量和維修量小，對(duì)了解煤層賦存情況，掌握礦井瓦斯，火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律較為有利等特點(diǎn)，被我國(guó)煤礦采煤工作面廣泛采用，缺點(diǎn)是上隅角易積聚瓦斯。目前，上隅角瓦斯治理的思路是向瓦斯富集帶進(jìn)行打鉆進(jìn)行抽采，減少涌向采空區(qū)高濃度瓦斯，配合上隅角埋管抽采，上隅角瓦斯治理取得顯著效果?？墒侨杂猩倭可相徑鼘油咚埂⒉煽諈^(qū)遺煤殘存瓦斯或底鄰近層瓦斯被采空區(qū)漏風(fēng)攜帶到上隅角處，仍有時(shí)使上隅角瓦斯超限制約著礦井安全生產(chǎn)。

1 48708 工作面概況

該工作面井下位于北七采區(qū)右翼，東為48710 工作面（已回采），南為北七右翼集中巷，西為48706 備用面，北為實(shí)煤區(qū)。該面上覆蓋2 號(hào)煤為我礦西七、西九盤(pán)區(qū)工作面所采。2、8 號(hào)煤層間距 90 m，3、8 號(hào)煤層間距 71 m，6、8 號(hào)煤層間距 52 m，7、8 號(hào)煤層間距19 m,8、9 號(hào)煤層間距6.80~1.74 m 平均 3.42 m,該面所采8 號(hào)煤層節(jié)理發(fā)育，煤層上部夾石為1.30~3.10m平均2.18 的頁(yè)巖或砂質(zhì)頁(yè)巖，8 號(hào)煤上分層厚度為0.50~0.70 m 平均0.62 m,下分層煤層厚度2.86~3.35m平均3.10 m，厚度變化不大，屬單一穩(wěn)定的中厚煤層。48708 工作面設(shè)皮帶巷、單軌吊巷、切眼、皮帶巷回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷、單軌吊巷回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷和9 個(gè)聯(lián)絡(luò)巷，聯(lián)絡(luò)巷布置在48708 單軌吊巷，與48706 單軌吊巷相通，每個(gè)聯(lián)絡(luò)巷間距約為100 m，用于回采期間封閉聯(lián)巷埋管抽采。工作面選用走向長(zhǎng)壁后退式一次采全高頂板全部垮落綜合機(jī)械化采煤方法。由于工作面兩巷及切眼均沿上分層8 號(hào)煤層頂板掘進(jìn)，為提高煤炭回收率、降低成本，采用托夾石跟底回采?；夭赏七M(jìn)過(guò)程中，老頂初次跨落后，逐步鉆入夾石層至下分層8 號(hào)煤進(jìn)行回采。

2 工作面通風(fēng)系統(tǒng)及瓦斯情況

工作面回采期間采用“U”型通風(fēng)，即皮帶巷進(jìn)風(fēng)，單軌吊巷回風(fēng)。根據(jù)相鄰工作面瓦斯涌出量資料預(yù)測(cè)48708 工作面回采期間瓦斯絕對(duì)涌出量為18 m3/min,相對(duì)瓦斯涌出量為4.32 m3/t。

2.1 工作面最大瓦斯涌出量分源預(yù)測(cè)法

回采工作面最大瓦斯涌出量根據(jù)分源預(yù)測(cè)法（開(kāi)采層、鄰近層）進(jìn)行計(jì)算:

開(kāi)采層瓦斯涌出量可由式（1）計(jì)算

式中：q1為開(kāi)采層相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；K1為圍巖瓦斯涌出系數(shù)，全部垮落法管理頂板K1取1.3；K2為工作面丟煤瓦斯涌出系數(shù)，取回采率的倒數(shù)計(jì)算，回采率取95%；K3為準(zhǔn)備巷道預(yù)排瓦斯對(duì)開(kāi)采層瓦斯涌出影響系數(shù)；m為開(kāi)采層厚度；M為工作面采高；W0為煤層原始瓦斯含量，m3/ t；WC為運(yùn)出礦井后煤的殘存瓦斯含量m3/t。

鄰近層瓦斯涌出量采用式（2）計(jì)算

式中：q2為鄰近層相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；mi為第I 個(gè)鄰近層煤層厚度；M為工作面采高；ηi為第i個(gè)鄰近層瓦斯排放率%；W0i為第i 個(gè)鄰近層煤層原始瓦斯含量，m3/t；Wci為第i 個(gè)鄰近層煤層殘存瓦斯含量，m3/t。

因此工作面瓦斯涌出中本煤層瓦斯所占比例：

則該煤層屬于以本煤層瓦斯涌出為主的煤層，以日產(chǎn)5 000 t 煤預(yù)計(jì)該工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為18 m3/min，抽采 10 m3/min，其中風(fēng)排 8 m3/min。

2.2 工作面風(fēng)量計(jì)算

按瓦斯涌出量進(jìn)行計(jì)算：

式中：qc為采煤工作面回風(fēng)巷風(fēng)流中最大瓦斯絕對(duì)涌出量，風(fēng)排取8 m3/min；KCH4為采煤工作面瓦斯涌出不均衡通風(fēng)系數(shù)，正常生產(chǎn)時(shí)連續(xù)觀測(cè)1 個(gè)月，日最大絕對(duì)瓦斯涌出量與月平均日絕對(duì)瓦斯涌出量的比值，取1.7；125 為按采煤工作面回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛炔怀^(guò)0.8%的換算系數(shù)。

2.3 上隅角瓦斯來(lái)源分析

48708 工作面及兩巷沿8#煤層頂板掘進(jìn)，回采推進(jìn)過(guò)程中，逐步鉆入8#煤夾石層，采用托夾石跟底回采。隨著工作面的回采推進(jìn)，不可采上分層8#煤隨采煤推進(jìn)跟著8#煤夾石層垮落到采空區(qū)冒落帶內(nèi)，成為采空區(qū)遺煤瓦斯涌出源。

8#煤與下鄰近層9#煤直接底為細(xì)砂巖，層間距平均為3.42 m，9#煤為未采實(shí)體煤，因采動(dòng)影響9#煤內(nèi)大量瓦斯解稀由吸附式轉(zhuǎn)變成游離式。通過(guò)底板裂隙涌向采空區(qū)，成為采空區(qū)瓦斯重要來(lái)源，見(jiàn)圖1。

圖1 瓦斯涌出分布圖

2.4 采空區(qū)漏風(fēng)分析

采煤工作面實(shí)體煤被采出后，采空區(qū)圍巖在重力作用下破壞原有平衡而垮落，從工作面向采空區(qū)分為工作面區(qū)、垮落區(qū)與壓實(shí)區(qū)，形成所謂的采空區(qū)“橫三區(qū)、豎三帶”。圍巖原生孔隙與圍巖垮落碎塊形成非勻質(zhì)網(wǎng)狀立體孔隙，在風(fēng)壓與分子自然擴(kuò)散的作用下，漏風(fēng)通道成半立體橢圓形態(tài)。

采煤工作面由于供風(fēng)需求，在風(fēng)壓作用下使風(fēng)流克服巷道阻力進(jìn)行流動(dòng)，一進(jìn)一回U 型通風(fēng)系統(tǒng)的采煤工作面，一小部風(fēng)流向采空區(qū)流動(dòng)，絕大部風(fēng)流向工作面流動(dòng)。處在工作面回風(fēng)側(cè)的上隅角存在風(fēng)壓差，成為采空區(qū)漏風(fēng)的動(dòng)力。

采空區(qū)漏風(fēng)計(jì)算。采空區(qū)漏風(fēng)量與采空區(qū)阻力、孔隙率存在一定聯(lián)系，孔隙率大小與采空區(qū)冒落圍巖碎脹系數(shù)有關(guān)，用采空區(qū)圍巖碎脹系數(shù)算出孔隙率：

采空區(qū)碎脹系數(shù)與殘余碎脹系數(shù)關(guān)系式：

式中：為初始冒落碎脹系數(shù)，無(wú)因次，取1.65；為壓實(shí)后碎脹系數(shù)，無(wú)因次，取1.13；a為衰減率，m-1；d為采空區(qū)坐標(biāo)（x，y）處與邊界距離，m。

算得采空區(qū)阻值約R2=0.988 4，y=0.005x+5.709 9

QL=14.2%×1 700=241 m3/min

在抽采后負(fù)壓的影響下采空區(qū)漏風(fēng)量，據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算約增長(zhǎng)50%左右。

3 上隅角瓦斯抽采治理方案

在48708 單軌吊巷利用澳鉆施工走向長(zhǎng)鉆孔及頂板走向鉆孔, 以解決中低位裂隙帶富集瓦斯，在48706 單軌吊巷施工高位裂隙鉆孔解決7#煤鄰近層下沉擴(kuò)散瓦斯，在48706 單軌吊巷施工大孔徑煤柱鉆孔插管解決回采期間上隅角瓦斯，同時(shí)采用密閉埋管方式解決采空區(qū)瓦斯。

3.1 抽采參數(shù)

48708 工作面裂隙帶垂高經(jīng)計(jì)算取17～40.8 m。澳鉆施工走向高位長(zhǎng)鉆孔6 個(gè)，垂高19~38.4 m；高位裂隙帶鉆孔從10 貫眼向外40 m 處開(kāi)始施工，鉆場(chǎng)間距20 m，鉆孔孔徑113 mm，每個(gè)鉆場(chǎng)布置2 個(gè)孔，垂高取27.2~61.2 m。

圖2 煤柱孔剖面圖

為解決48708 回采期間上隅角瓦斯，設(shè)計(jì)在48708 單軌吊巷與48706 單軌吊巷煤柱之間施工大孔徑煤柱鉆孔，控制上隅角瓦斯。鉆孔從48706 單軌吊巷往48708 單軌吊巷施工1-8 個(gè)貫眼，每個(gè)貫眼施工1 個(gè)鉆孔，鉆孔距貫眼口50 m，鉆孔徑480 mm；9貫眼施工2 個(gè)鉆孔，第1 個(gè)鉆孔距貫眼口30 m，鉆孔徑350 mm；第2 個(gè)鉆孔距貫眼口60 m，孔徑480mm。

在48706 工作面單軌吊巷與48708 工作面單軌巷間施工9 個(gè)貫眼（貫眼間距100 m），封閉后用抽采管路接入低濃抽采系統(tǒng)，解決48708 采空區(qū)涌入48708 工作面瓦斯。

3.2 抽采系統(tǒng)

在冀家溝抽采泵站建立了分源抽采系統(tǒng)，根據(jù)目前實(shí)際情況，48708 工作面本煤層鉆孔、走向中高位長(zhǎng)鉆孔、高位裂隙帶鉆孔由冀家溝高濃系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，大孔徑煤柱鉆孔及密閉埋管抽采由低濃系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。

3.3 抽采管選型計(jì)算

瓦斯抽采管徑計(jì)算：

式中：D為瓦斯管內(nèi)徑，m；Q為管內(nèi)瓦斯混合流量，m3/min；V為瓦斯在管路中的平均流速，m/s，一般取V=5～15 m/s。

預(yù)計(jì)工作面抽采管路內(nèi)瓦斯混合流量≥30 m3/min；瓦斯在管路內(nèi)平均流速V=5 m/s。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得D=325 mm，按AQ1027-2006《瓦斯抽采規(guī)范》第5.4.2 條規(guī)定“管路應(yīng)取10%的備用系數(shù)”，因此需選取抽采管路直徑D≥357 mm，48708 工作面裂隙帶選取D426×3 mm不銹鋼瓦斯抽采管路。

4 抽采管路阻力計(jì)算

1）直管阻力損失計(jì)算得1 436.36 Pa；

2）管路系統(tǒng)局部阻力計(jì)算得287.27 Pa；

3）抽采管路系統(tǒng)的總阻力計(jì)算得1 723.63 Pa；

4）48708 工作面鉆孔抽采負(fù)壓計(jì)算得23276.37Pa。

因此48708 單軌吊巷管道最遠(yuǎn)處鉆孔的孔口負(fù)壓最小也能達(dá)到23.28 kPa（大于13 kPa），證明48708工作面所選抽采管管徑均符合抽采要求。

圖3 48708 工作面抽采上隅角風(fēng)流圖

抽采管路?？紤]到該面實(shí)際巷道和鉆孔的布置情況，確定在48708 單軌吊巷布置一趟D426 不銹鋼抽采管路用于工作面本煤層預(yù)抽及走向長(zhǎng)鉆孔抽采。在48706 單軌吊巷布置2 趟不銹鋼管，D711 不銹鋼抽采管路用于大孔徑煤柱孔插管抽采及密閉埋管抽采，D426 不銹鋼抽采管路用于高位裂隙帶瓦斯抽采。

5 總 結(jié)

1）48708 工作面采用大孔徑煤柱孔插管及密閉埋管抽采，抽取采空區(qū)漏風(fēng)改變回采工作面上隅角風(fēng)流狀態(tài)，改變U 型通風(fēng)方式“一源一匯”瓦斯的交匯點(diǎn)。使工作面上隅角處于進(jìn)風(fēng)流狀態(tài)瓦斯穩(wěn)定在0.1%左右，為本質(zhì)性的解決上隅角瓦斯治理提供了借鑒。

2）大孔徑煤柱孔與密閉埋管間距為50 m，由于抽采負(fù)壓因素增加了采空區(qū)漏風(fēng)，在交替進(jìn)入上隅角抽采時(shí)，存在間距遠(yuǎn)抽采負(fù)壓控風(fēng)流不穩(wěn)定，使上隅角瓦斯上升情況。

3）由于抽采漏風(fēng)，孔口負(fù)壓流速大，使采空區(qū)冒落碎小石塊進(jìn)入管路，使管路阻力增大，降低了抽采率及抽采效果。

4）由于采空區(qū)漏風(fēng)的增大，加大采空區(qū)自然帶的寬度，給礦井自燃發(fā)火帶來(lái)潛在隱患。