黃 華，段春生，張 立

（1.山西省晉神能源有限公司，山西 忻州 036599；2.太原理工大學，山西 太原 030024）

0 引 言

煤礦井下開采過程中，瓦斯是制約礦井安全高效生產(chǎn)的主要因素之一，尤其是對采煤工作面安全回采影響最為明顯[1-2]。部分高瓦斯礦井采煤工作面在回采前雖然采取煤層瓦斯超前預抽措施，但由于受地質(zhì)條件、抽采技術(shù)、生產(chǎn)工藝等條件制約，工作面回采期間采空區(qū)及煤壁集中涌出的瓦斯還需通過通風的方法進行稀釋并排出?？茖W合理的通風方式和足夠的配風量能夠減少工作面瓦斯積聚，提高瓦斯排放量，對工作面瓦斯治理起到關(guān)鍵作用[3-4]。本文以晉控陽村煤業(yè)1308 工作面為例，對工作面瓦斯抽采技術(shù)和通風方式進行研究，提出工作面并列雙U 型通風布置方式，并在工作面進行應用。

1 工程概況

1.1 工作面通風系統(tǒng)

晉控陽村煤業(yè)礦井設計生產(chǎn)能力2.0 Mt/a，主采5 號煤層和9 號煤層，屬于高瓦斯礦井。礦井絕對瓦斯涌出量為221.05 m3/min，相對瓦斯涌出量為75.12 m3/t。III1308 工作面位于礦井5 號煤層三盤區(qū)，現(xiàn)主采5 號煤層，煤層平均厚度2.8 m，采用綜合機械化分層開采工藝，工作面切巷長182 m。工作面通風系統(tǒng)原采用的是“三進一回”通風方式，即III13081、III13083 和III13085 巷道進風，3條巷道配風量分別為600、600 和1 100 m3/min，III13082 巷道回風，配風量為2 400 m3/min。工作面正常生產(chǎn)期間，工作面瓦斯?jié)舛仍?.25%～0.40%，上隅角瓦斯?jié)舛仍?.45%～0.65%，回風流中瓦斯?jié)舛仍?.40%～0.60%，工作面風排瓦斯量平均值為6.58 m3/min。

1.2 工作面抽采系統(tǒng)

工作面抽采系統(tǒng)主要采用的方式為本煤層抽放、采空區(qū)抽放和地面采動井抽放[5-6]。

（1）本煤層抽放系統(tǒng)，在工作面III13081 和III13083 兩條巷道內(nèi)分別安裝1 趟φ300 mm 的瓦斯抽放管路，在巷道內(nèi)向工作面施工順層鉆孔后進行封孔抽放，III13081 和III13083 兩條巷道抽采管路中瓦斯抽采純量分別達到2.82 m3/min 和2.86 m3/min。

（2）采空區(qū)抽放系統(tǒng)，在III13082 回風巷內(nèi)安裝1 趟φ300 mm 的抽放管，利用在高位鉆場內(nèi)施工的高位鉆孔和橫川插管的方式對工作面采空區(qū)內(nèi)的瓦斯進行抽采，抽采管路中的瓦斯抽采純量達到19.18 m3/min。

（3）地面采動井抽放系統(tǒng)，在III1308 工作面開采區(qū)域范圍內(nèi)的地面對應位置開鑿了2 個采動井，其中1 號采動井布置在距工作面切巷位置312 m，2 號采動井距工作面切巷位置842 m 位置處，目前該系統(tǒng)暫未使用。

2 工作面抽采系統(tǒng)優(yōu)化

III1308 工作面回采期間瓦斯涌出量主要來源于采空區(qū)，其涌出量占工作面瓦斯總涌出量的68%左右。為提高采空區(qū)瓦斯抽放量，在原抽采系統(tǒng)的基礎上通過對工作面采空區(qū)抽采系統(tǒng)優(yōu)化，采取多種措施來降低工作面采空區(qū)瓦斯積聚量和風排瓦斯量。

（1）利用大孔徑高位鉆孔對工作面采空區(qū)瓦斯進行抽采。在III13082 巷道內(nèi)的第3 橫川、第11 橫川和輔助回風巷內(nèi)利用千米定向鉆機向工作面采空區(qū)方向施工孔徑為113 mm 的大孔徑高位抽采鉆孔對采空區(qū)瓦斯進行抽放。鉆孔沿巷道頂板施工，終孔位置距工作面頂板6～7 倍采高處的裂隙帶中，鉆孔抽采控制范圍為沿工作面傾向方向30 m，走向方向250～300 m。

（2）在工作面順槽內(nèi)施工高位鉆場，在鉆場內(nèi)施工頂板高位鉆孔對采空區(qū)瓦斯進行抽放。分別在III13082 巷道內(nèi)的第8 橫川和19 橫川內(nèi)布置高位鉆場，高位鉆場沿與巷道垂直方向布置，按+25°坡度施工25 m 后在施工5 m 長平巷，巷道采用錨網(wǎng)索支護，巷寬4 m，高2.5 m，每個高位鉆場內(nèi)共設計施工24 個高抽鉆孔，分別布置在巷道的左右?guī)图罢胺?。工作面綜合瓦斯治理抽采鉆孔布置如圖1 所示。

圖1 III1308 工作面綜合瓦斯治理措施鉆孔布置Fig.1 Drilling arrangement of comprehensive gas control measures in III1308 working face

（3）開啟地面采動井抽放系統(tǒng)，對工作面采空區(qū)內(nèi)的瓦斯進行抽放。在工作面回采超過地面1號采動井50 m 位置時開啟地面1 號采動井開始對工作面采空區(qū)內(nèi)的瓦斯進行抽放，減少工作面采空區(qū)瓦斯涌出量。地面采動井抽放系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 III1308 工作面地面采動井布置示意Fig.2 Layout of ground mining wells in III1308 working face

（4）工作面上隅角埋管抽放。在工作面回采期間對上隅角使用磚垛密閉后埋入D225 mm 抽放管，抽放管末端管路改為D50 mm 篩管（圖3），上隅角抽放管與順層抽放系統(tǒng)連接，隨工作面向前推進進行向外挪移，對工作面采空區(qū)內(nèi)的瓦斯進行抽放。

圖3 II1308 工作面上隅角埋管抽放布置示意Fig.3 Drainage layout of buried pipe at corner in III1308 working face

3 工作面通風系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 并列雙U 通風方式基本工作原理

并列雙U 通風系統(tǒng)工作的基本原理是在工作面上下順槽設計布置2 條進風巷、2 條回風巷共計4 條巷道，其中進風順槽同時兼做工作面主要運輸巷[7-8]。在工作面回采過程中，工作面煤體內(nèi)吸附的瓦斯會形成游離狀態(tài)從工作面進入到采空區(qū)內(nèi)和上隅角，由于工作面上隅角通風不暢，容易導致上隅角瓦斯積聚造成超限。并列雙U 通風系統(tǒng)主要作用是改變上隅角風流狀態(tài)，對工作面上隅角內(nèi)的瓦斯進行稀釋，降低上隅角瓦斯?jié)舛?，達到工作面合理配風要求[9-10]。同時，隨著工作面推進時采空區(qū)面積越來越大，在風壓作用下，工作面涌出的瓦斯被引進外圈U 型回風系統(tǒng)中，在工作面運輸機機頭處采空區(qū)漏風量控制好的基礎上，能夠防止采空區(qū)出現(xiàn)大量瓦斯集中涌出造成上隅角瓦斯超限現(xiàn)象。

3.2 工作面并列雙U 通風優(yōu)化方案

對III1308 工作面原“三進一回”通風系統(tǒng)進行調(diào)整，改為“兩進兩回”并列雙U 型通風方式，即III13083 和III13085 巷道進風，III13081 和III13082 巷道進行回風，巷道之間每間隔200 m 布置1 條聯(lián)絡巷進行連接。其中III13083 進風巷與III13081 回風巷形成內(nèi)U 型通風系統(tǒng)，III13085 進風巷與III13082 回風巷形成外圈U 型通風系統(tǒng)，兩條通風系統(tǒng)均為獨立的全風壓通風系統(tǒng)，具體通風系統(tǒng)布置如圖4 所示。

圖4 III1308 工作面雙U通風系統(tǒng)布置Fig.4 Layout of double U ventilation system in III1308 working face

4 優(yōu)化后瓦斯抽采效果分析

（1）大孔徑高位鉆孔瓦斯抽采效果分析。

工作面采用大孔徑抽采鉆孔進行抽放后，預測效果如圖5 所示。

圖5 大孔徑高位鉆孔瓦斯抽采效果Fig.5 Gas drainage effect of large aperture high level borehole

根據(jù)圖5 分析可知，工作面采用并列雙U 通風系統(tǒng)后，在工作面回采推進過程中，隨著采空區(qū)跨落時大孔徑高位鉆孔被不斷揭露后，其對采空區(qū)內(nèi)的瓦斯抽采量不斷增加，有效控制了采空區(qū)內(nèi)的瓦斯集中向工作面涌出，由圖中分析可知，預計大孔徑高位鉆孔抽放采空區(qū)內(nèi)的瓦斯平均濃度能夠達到15 m3/min。

（2）高位鉆場瓦斯抽采效果分析。

采用高位鉆場對工作面采空區(qū)瓦斯抽采后，預測效果如圖6 所示。根據(jù)圖6 分析可知，隨著工作面不斷向前回采推進，從高位鉆場向工作面施工的抽采鉆孔被不斷揭露后，瓦斯抽采濃度不斷提高，采空區(qū)內(nèi)的瓦斯集中涌出現(xiàn)象得到有效抑制，給工作面試驗采用并列雙U 通風方式打下了有利條件。在工作面試驗采用并列雙U 通風方式后，預計高位鉆場抽采工作面采空區(qū)內(nèi)的瓦斯?jié)舛绕骄軌蜻_到25 m3/min。

圖6 高位鉆場鉆孔瓦斯抽采效果Fig.6 Effect of borehole gas drainage in high drilling field

（3）采動井抽采效果分析。

根據(jù)以往礦井采用采動井抽采工作面瓦斯情況及當前工作面實際情況，預測III1308 工作面利用采動井抽放瓦斯時抽放濃度能夠達到30%～35%，瓦斯抽采量能夠達到4～6.5 m3/min。

（4）隅角抽放效果分析。

根據(jù)礦井以往工作面上隅角埋管抽放瓦斯情況，預測III1308 工作面采用該抽放方式后上隅角瓦斯抽放濃度能夠達到4%～5%，瓦斯抽采量能夠達到1.0～2.0 m3/min。

采取以上瓦斯抽采措施后，在工作面試驗采用并列雙U 通風方式后，采空區(qū)內(nèi)的瓦斯抽采量預計能夠達到45 m3/min 以上。

5 抽采效果檢驗

5.1 并列雙U 通風系統(tǒng)配風情況

工作面采用并列雙U 通風系統(tǒng)配風情況如下。

（1）工作面內(nèi)圈雙U 通風系統(tǒng)，III13083 進風巷內(nèi)配備的風量為1 050 m3/min，III13081 回風巷配備的風量為1 100 m3/min。

（2）工作面外圈雙U 通風系統(tǒng)，III13085 進風巷內(nèi)配備的風量為900 m3/min，III13082 回風巷配備的風量為920 m3/min。

5.2 工作面實際瓦斯抽采情況

工作面在采用并列雙U 通風方式后，通過對各抽采措施抽放的瓦斯數(shù)據(jù)進行了采集分析，具體情況如下。

（1）本煤層瓦斯抽采情況。

III13081 和III13083 兩條巷道內(nèi)安裝的抽采支管抽放的瓦斯?jié)舛确謩e為11%和14%，抽采純量分別為0.9 m3/min 和0.7 m3/min。

（2）高位鉆場鉆孔抽采瓦斯情況。

在III13082 巷道內(nèi)的第8 橫川和19 橫川內(nèi)布置高位鉆場抽采的瓦斯?jié)舛确謩e為9.5%和14%，瓦斯抽采純量分別為0.1 m3/min 和1.6 m3/min。

（3）大孔徑高位鉆孔瓦斯抽采情況。

在III13082 巷道內(nèi)的第3 橫川和輔助回風巷內(nèi)施工的大孔徑高位鉆孔抽采瓦斯?jié)舛确謩e為50%和12%，抽采純量分別為5.0 m3/min 和4.1 m3/min。

（4）地面采動井瓦斯抽采情況。

地面1 號采動井開啟后，經(jīng)計量抽采瓦斯?jié)舛冗_到53%，瓦斯抽采純量達到3.8 m3/min。

（5）上隅角瓦斯抽采情況。

通過對上隅角瓦斯抽放情況進行計量，工作面回采期間上隅角瓦斯抽采濃度為4.8%，抽采純量為1.6 m3/min。

5.3 工作面回采期間瓦斯情況

采用并列雙U 通風方式后，工作面正常生產(chǎn)期間，經(jīng)觀測，工作面瓦斯?jié)舛葹?.15%～0.25%，上隅角瓦斯?jié)舛葹?.25%～0.40%，回風巷內(nèi)瓦斯?jié)舛葹?.30%～0.50%。工作面風排瓦斯量為2.5～4.5 m3/min，平均3.2 m3/min。

6 結(jié) 語

通過現(xiàn)場實踐驗證，綜采工作面在采用并列雙U 通風方式的基礎上，通過采取瓦斯聯(lián)合抽采治理措施對工作面本煤層和采空區(qū)瓦斯進行抽采，有效抑制了采空區(qū)內(nèi)瓦斯積聚集中大量涌出，杜絕了工作面及上隅角瓦斯超限問題，降低了工作面風排瓦斯量，實現(xiàn)了工作面安全高效生產(chǎn)，為類似條件下綜采工作面瓦斯治理提供了技術(shù)參考，具有極大的推廣價值。