王 鑫

（霍州煤電集團有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400）

1 概述

霍州煤電集團有限責(zé)任公司店坪煤礦205 工作面位于830 m 水平二采區(qū)西翼，工作面東為830 系統(tǒng)大巷，西為井田邊界，南與9-203 工作面（已圈出）相鄰，北面與9-207 工作面（正在回采）相鄰。

205 工作面設(shè)計走向長度為1373 m，傾向長度為246 m，工作面回采煤層為9#煤層，煤層平均煤厚3.0 m，平均傾角為2°。煤層頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 205 工作面回采的9#煤層頂?shù)装鍘r性匯總表

205 工作面采用綜合機械化回采工藝，初步設(shè)計中工作面采用一進一回“U”型通風(fēng)系統(tǒng)，工作面通風(fēng)量為2115 m3/min。9#煤層自燃傾向性為Ⅱ級，有爆炸危險性。煤層中瓦斯絕對涌出量3.66 m3/min，相對涌出量為0.72 m3/t。

2 U 型通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題

2.1 U 型通風(fēng)現(xiàn)狀

203 工作面為205 工作面鄰近工作面，工作面設(shè)計走向長度為1700 m，傾向長度為205 m，工作面于2020 年4 月12 日已回采結(jié)束。203 工作面主要采用U 型通風(fēng)系統(tǒng)，2031 巷為進風(fēng)巷，2032 巷為回風(fēng)巷，工作面設(shè)計配風(fēng)量為2087 m3/min。203工作面在回采過程中共計出現(xiàn)11 次上隅角瓦斯超限現(xiàn)象，最高瓦斯超限濃度達2.2%，平均瓦斯?jié)舛葹?.3%，導(dǎo)致工作面瓦斯超限斷電5 次，工作面斷電總時長為17.5 h，嚴重威脅工作面安全高效回采。

2.2 U 型通風(fēng)上隅角瓦斯超限原因分析

（1）通風(fēng)系統(tǒng)不合理。203 工作面采用U 型通風(fēng)系統(tǒng)，工作面回風(fēng)流到達上隅角處時出現(xiàn)風(fēng)流斡旋現(xiàn)象，導(dǎo)致工作面回風(fēng)流中局部瓦斯在隨窩風(fēng)風(fēng)流在上隅角上部出現(xiàn)積聚，積聚的瓦斯不能及時被排除，出現(xiàn)瓦斯積聚現(xiàn)象。

（2）采空區(qū)漏風(fēng)量大。203 工作面共計安裝了127 架支架，端頭支架與進風(fēng)順槽非煤壁側(cè)巷幫之間間距達0.7 m，以及支架在分段移架時，架與架之間存在間隙，從而形成采空區(qū)漏風(fēng)通道。通過實測工作面回采期間采空區(qū)漏風(fēng)量達87 m3/min，漏風(fēng)風(fēng)流在采空區(qū)負壓作用下流經(jīng)上隅角，從而導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)瓦斯通過風(fēng)流帶至上隅角。

（3）采空區(qū)遺煤量大。9#煤層地質(zhì)條件單一，煤層內(nèi)主要以中小斷層為主，且全部為正斷層。203 工作面在回采過程中共計揭露19 條中小斷層，工作面采用強行破巖法回采過斷層，在過斷層期間局部煤炭遺留至采空區(qū)內(nèi)，遺煤內(nèi)吸附的瓦斯在采空區(qū)內(nèi)釋放，并通過上隅角以及架間間隙涌出，導(dǎo)致上隅角瓦斯積聚超限。

（4）裂隙瓦斯涌出量大。9#煤層直接頂主要為砂質(zhì)泥巖，該巖體致密成脆性，巖體單軸抗壓強度為22 MPa，在回采應(yīng)力及周期來壓作用下工作面超前50 m 范圍內(nèi)直接頂出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，直接頂內(nèi)形成裂隙帶，煤層內(nèi)瓦斯在頂板裂隙帶內(nèi)富集，工作面回采后直接頂垮落，富集瓦斯隨頂板垮落后涌入采空區(qū)，造成上隅角瓦斯積聚。

3 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改進

根據(jù)203 工作面回采情況，為了解決工作面上隅角瓦斯超限、采空區(qū)漏風(fēng)等技術(shù)難題，決定對205 工作面通風(fēng)系統(tǒng)進行優(yōu)化[1-5]，建立“Y”型通風(fēng)系統(tǒng)。

3.1 Y 型通風(fēng)系統(tǒng)方案

205 工作面鄰近207 工作面，采用Y 型通風(fēng)系統(tǒng)時減少一條回采巷道，即205 工作面與207 工作面共用一條巷道（沿空巷），如圖1。采用Y 型通風(fēng)系統(tǒng)時2051 巷為主進風(fēng)巷，配風(fēng)量980 m3/min，2052 巷為輔助進風(fēng)巷，配風(fēng)量750 m3/min。工作面回采新鮮風(fēng)流沿2051 巷進入工作面，污風(fēng)沿沿空留巷段經(jīng)207 切眼、2072 巷進入盤區(qū)回風(fēng)巷。

圖1 205 工作面“Y”型通風(fēng)系統(tǒng)布置示意圖

3.2 沿空留巷支護技術(shù)

為了保證工作面安全回采，提高沿空巷圍巖穩(wěn)定性，防止采空區(qū)內(nèi)有害氣體向沿空巷內(nèi)涌入，決定對沿空巷采取“爆破切頂施工+安裝擋矸裝置+架設(shè)矩形工字鋼棚”聯(lián)合控制技術(shù)。

3.2.1 爆破切頂施工

（1）切頂施工目的。為了防止205 工作面采空區(qū)垮落時對沿空巷頂板產(chǎn)生剪切破壞作用，對沿空巷與采空區(qū)邊緣施工爆破鉆孔，對鉆孔內(nèi)安裝聚能管以及礦用乳化炸藥，提前進行爆破預(yù)裂施工，使工作面頂板沿工作面走向方向形成貫穿裂隙，當工作面回采后采空區(qū)頂板沿貫穿裂隙直接垮落，避免了采空區(qū)垮落時對沿空巷頂板產(chǎn)生破壞作用。

（2）爆破切頂鉆孔布置參數(shù)。采用液壓鉆機配套直徑為65 mm 合金鋼鉆頭進行爆破鉆孔施工，鉆孔施工直徑為70 mm，鉆孔布置在距工作面煤壁0.3 m 處頂板上，鉆孔深度為6.5 m，鉆孔布置間距為3.0 m，鉆孔沿直線進行布置。

（3）爆破切頂施工工藝。① 在沿空巷頂板施工爆破切頂鉆孔，鉆孔超前工作面30 m 布置，鉆孔施工完后及時清理鉆孔內(nèi)煤屑；② 鉆孔施工完后對鉆孔內(nèi)安裝聚能管，每根聚能管長度為3.0 m，直徑為65 mm，聚能管兩側(cè)均勻布置一排直徑為10 mm 孔，孔間距為0.3 m，每個鉆孔內(nèi)安裝兩節(jié)聚能管，管與管之間采用絲扣連接；③ 對聚能管內(nèi)填裝兩支礦用乳化炸藥以及一支毫秒延期電雷管，對鉆孔孔口處采用水炮泥進行封堵，封堵長度不得低于1.0 m。待所有工序完成后依次進行爆破。

3.2.2 安裝擋矸裝置

為了防止采空區(qū)垮落時采空區(qū)內(nèi)巖體以及有害氣體涌入留巷段，需在沿空巷位于工作面一側(cè)安裝擋矸裝置。

（1）工作面回采后及時在架后5.0 m 范圍內(nèi)安裝擋矸裝置，擋矸裝置主要由頂梁和棚腿組成。頂梁長度為0.5 m，采用11#工字鋼梁制成，頂梁兩端各焊制一個直徑為30 mm 支護孔；棚腿采用U29型鋼制成，棚腿兩側(cè)各焊制5 個直徑為30 mm 圓環(huán)。

（2）擋矸裝置安裝時先安裝頂梁，頂梁采用兩根長度為1.5 m、直徑為22 mm 錨桿進行固定，頂梁沿巷道走向布置，且布置在距切頂孔0.2 m 處；頂梁安裝后采用卡纜將頂梁與棚腿進行固定。

（3）擋矸裝置安裝間距為0.5 m，擋矸裝置安裝后在相鄰兩架擋矸裝置之間采用5 根長0.5 m、直徑為20 mm 圓鋼拉桿進行連接固定。

（4）待所有擋矸裝置安裝后，在擋矸裝置之間鋪設(shè)一層鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)與擋矸裝置之間采用鉛絲固定。鋼筋網(wǎng)鋪設(shè)后在其外側(cè)鋪設(shè)一層風(fēng)筒布。

3.2.3 施工走向錨索吊棚

為了防止采空區(qū)垮落時，受采空區(qū)殘余應(yīng)力影響，導(dǎo)致留巷段頂板出現(xiàn)破碎、垮落現(xiàn)象，決定對留巷斷層頂板施工兩排走向邁步式吊棚。

（1）205 工作面沿空巷段施工的走向錨索吊棚主要由一根工字鋼梁和恒阻錨索組成，鋼梁長度為3.5 m，鋼梁上焊制兩個錨索鉆孔，孔間距為2.5 m。為了防止鋼梁兩側(cè)邊對頂板產(chǎn)生切頂破壞作用，在鋼梁與頂板接觸一側(cè)焊接一塊厚度為8 mm 鋼板。

（2）錨索吊棚沿巷道走向布置，第一排錨索吊棚施工在距擋矸裝置0.5 m 處，錨索吊棚成直線布置，每架吊棚布置間距為1.0 m；第二排錨索吊棚與第一排布置排距為1.5 m，相鄰兩架錨索吊棚成邁步式布置。如圖2。

圖2 205 工作面沿空留巷段支護平面示意圖（mm）

4 Y 型通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用效果

4.1 Y 型通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)點

（1）減少巷道掘進工程量。205 工作面采用Y型通風(fēng)系統(tǒng)后與207 工作面共用一條巷道，與U 型通風(fēng)系統(tǒng)相比，減少一條巷道，同時采用Y 型通風(fēng)系統(tǒng)后相鄰兩個工作面之間無需預(yù)留煤柱，提高了工作面回采效率，減少了采空區(qū)內(nèi)遺煤量。

（2）減少風(fēng)阻及配風(fēng)量。采用兩進一回的“Y”通風(fēng)系統(tǒng)后，降低了工作面通風(fēng)風(fēng)阻，減少了工作面通風(fēng)風(fēng)量，實測205 工作面采用Y 型通風(fēng)系統(tǒng)后總配風(fēng)量為1730 m3/min，與設(shè)計配風(fēng)量相比減少385 m3/min。

（3）減少采空區(qū)漏風(fēng)量。采用Y 型通風(fēng)系統(tǒng)后降低了工作面頭尾順槽兩側(cè)風(fēng)壓差，減少了采空區(qū)漏風(fēng)量，通過現(xiàn)場測定205 工作面回采過程中采空區(qū)漏風(fēng)量不足85 m3/min。

（4）避免上隅角瓦斯積聚。與U 型通風(fēng)系統(tǒng)相比，采用Y 型通風(fēng)系統(tǒng)后工作面不存在上隅角，同時采空區(qū)內(nèi)負壓小、采空區(qū)漏風(fēng)量小，避免了采空區(qū)內(nèi)有害氣體涌入工作面，解決了U 型通風(fēng)系統(tǒng)上隅角瓦斯積聚、采空區(qū)有害氣體涌出量大等問題。

4.2 實際應(yīng)用效果分析

（1）降低工作面瓦斯?jié)舛取＝刂?020 年12月24 日205 工作面已回采650 m，工作面采用Y型通風(fēng)系統(tǒng)回采過程中未出現(xiàn)一次瓦斯超限斷電現(xiàn)象，實測工作面落煤點機道處平均瓦斯?jié)舛葹?.7%，沿空留巷段平均瓦斯?jié)舛葹?.9%，采用束管監(jiān)測系統(tǒng)對采空區(qū)內(nèi)瓦斯監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在架后30 m 范圍內(nèi)平均瓦斯?jié)舛炔蛔?.6%。

（2）提高經(jīng)濟效益。205 工作面采用Y 型通風(fēng)系統(tǒng)后，減少了采掘巷道布置數(shù)量，減少巷道掘進工程量達1300 m；同時205 工作面與207 工作面之間無需預(yù)留煤柱，可增加煤柱回采量，提高了回采率和經(jīng)濟效益。