王家岭煤矿工作面上隅角瓦斯治理的技术研究

徐景德，齐睿琛，彭兴力，杨 鑫

(华北科技学院 研究生处，北京 东燕郊 101601)

王家岭煤矿工作面上隅角瓦斯治理的技术研究

徐景德，齐睿琛，彭兴力，杨 鑫

(华北科技学院 研究生处，北京 东燕郊 101601)

通过实验参数测试和现场观测，分析了王家岭煤矿瓦斯赋存和涌出特点：煤层瓦斯含量低，煤层透气性差,瓦斯释放时间长。结合王家岭煤矿开拓开采方法和巷道布置特点，确认矿井回采工作面上隅角瓦斯超限是由于采用“U”型通风系统，上隅角存在回流区，采空区积累大量瓦斯。根据理论分析和现场观测，提出了用“U套U”型通风系统代替“U”型通风系统的处理措施，取得了良好效果。

工作面通风系统；上隅角；风排瓦斯；采空区

0 引言

王家岭煤矿隶属山西中煤华晋能源有限责任公司，位于山西省河津市，矿井设计生产能力为6.0 Mt/a，主采煤层2#煤层平均厚度为6.20 m。王家岭煤矿矿井绝对瓦斯涌出量为64.39 m3/min；相对瓦斯涌出量为5.10 m3/t。属于传统意义上的低瓦斯矿井。虽然王家岭煤矿的通风系统供风满足需要，但是。主采工作面上隅角在正常生产期间基本稳定在0.4%～0.5%之间，工作面瓦斯浓度在0.1%～0.3%之间，放顶煤时，上隅角瓦斯浓度峰值可以达到0.7%。防治上隅角瓦斯超限成为矿井通风的主要任务[1-3]，需要开展防治工作面上隅角瓦斯超限为主要任务的瓦斯综合治理研究。

1 王家岭矿井及主采工作面概况

1.1 矿井通风系统

王家岭矿通风方式为中央分列式，通风方法为抽出式，由主、副平硐和碟子沟进风斜井进风，碟子沟回风斜井回风。在回风斜井井口附近安装2台GAF33.5-17-2轴流式风机，通风等级孔为7.3 m2、通风机负压2340 Pa，掘进通风采用压入式。矿井总进风量17530 m3/min，其中，主平硐风量970 m3/min，副平硐风量3140 m3/min、碟子沟进风斜井风量13420 m3/min。碟子沟回风斜井总排风量17750 m3/min。

1.2 主采工作面概况

矿井回采工作面为20102和20103两个综采放顶煤工作面，其中主采工作面20102采煤机割煤高度为3.0 m，工作面面长为250 m，工作面走向长度为1850 m，煤层倾角平均为3°，煤层顶板为泥岩，粉砂岩，易离层或片帮。采用运煤巷进风，工作面回风巷回风，工作面大约平均日推进6.4 m。回采方式采用长壁后退式综合机械化放顶煤开采，自然垮落法管理顶板[4]。

图1 王家岭煤矿20102工作面

2 王家岭矿井采煤工作面上隅角瓦斯来源分析

2.1 王家岭煤矿煤层瓦斯的赋存及涌出特性

表1是王家岭2#煤层瓦斯基础参数。由此可知，王家岭煤层瓦斯的吸附性比较强，放散速度比较慢，具有较好的隔气性，煤层中的瓦斯容易被保存下来，2#煤层瓦斯含量随着采深的增加而增大。

表1 王家岭2#煤层瓦斯基础参数

采煤工作面瓦斯来源于两个方面，一是采煤工作面煤壁及采落的煤块；二是来自采空区[5]。王家岭煤矿先采用以风量控制瓦斯为主的主要治理方式，经过对工作面风量由低到高(1600～2200 m3/min)进行调整后不断观测发现，风量低会导致工作面回风巷瓦斯浓度相对较高。风量过高虽然对回风巷瓦斯能得到有效的治理，但上隅角瓦斯浓度相对偏高，所以，最终得到的结果工作面生产期间风量在1800～1900 m3/min之间上隅角和回风巷的瓦斯为最低时期。(如图2所示)

图2 风量与瓦斯涌出量关系图

2.2 回采工艺及各个工序对工作面上隅角瓦斯浓度影响的关系

根据采空区遗煤对上隅角瓦斯浓度影响的理论模型建立的上隅角处瓦斯浓度的计算公式(1)[6]，计算出采空区内上隅角处的瓦斯浓度。20102工作面上隅角瓦斯浓度理论上应该在0.55%左右。

(1)

式中：μ—气体的动力粘性系数，取1.8×10-5Pa·s；

K—采空区的渗透率；

P1、P2—下、上隅角处的风流静压，Pa；

hr—遗煤的厚度；

ρc—煤的密度，kg/m3；

L—工作面长度，m；

f—单位时间单位质量的煤放出的瓦斯量(体积)。

通过工作面作业循环的瓦斯浓度检测峰值，分析了各个工序对工作面上隅角瓦斯浓度的影响。采煤工作面上隅角在正常生产期间基本稳定在0.4～0.5%之间，工作面瓦斯浓度在0.1～0.3%之间，但在放煤期间上隅角瓦斯浓度仍有上升趋势，可以作为生产工艺中最影响工作面上隅角瓦斯浓度的指标。放顶煤时，上隅角瓦斯浓度峰值可以达到0.7%[7,8]。

图3 各个生产工序与上隅角瓦斯浓度的关系

图4 工作面产量和上隅角瓦斯浓度的关系

根据图3和图4可知，上隅角瓦斯浓度、工作面瓦斯浓度、回风流瓦斯浓度都会随着工作面的产量呈上升趋势。产量的增加跟各个生产工艺有密切的联系，尤其是割煤和放煤的时候是工作面生产的最重要环节。这也间接的说明了，在割煤和放煤的时候是大量瓦斯涌出的时候，当产量达到11000 t的时候，上隅角瓦斯浓能达到0.65%左右。如果当矿井真正达到高产高效矿井“一井一面”时候，瓦斯涌出量会远远大于现在，而到时候上隅角瓦斯浓度肯定会超限。因此，就以现在的情况为依据来看，在回采的时候放顶煤会伴随大量的瓦斯涌出，预计达到0.7%。

综合来说，不同采煤工序其瓦斯涌出量有所不同。采煤时瓦斯涌出量增加,瓦斯涌出变化较大；回柱时工作面瓦斯涌出量也有明显增加，瓦斯涌出变化较缓慢，滞后于回柱工序，并在回柱后持续较长一段时间；放煤时工作面瓦斯很快上升,并在放煤后持续较长时间[9,10]。

3 20102工作面上隅角瓦斯超限治理

3.1 王家岭通风系统的风排瓦斯能力分析

王家岭矿井的工作面上隅角及回风流中的瓦斯浓度经常会超出规定值,矿井曾经采用上下隅角挂设风帐、定向高位钻孔抽采措施和本煤层采空区尾部埋管抽采等措施，但由于难以管理原因，治理效果不理想。

矿井及工作面风排瓦斯能力的计算公式(2)如下[11]：

Qg=Q×C×100

(2)

式中：Qg—矿井风排绝对瓦斯涌出量，m3/min；

Q—风量， m3/min；

C—风流中的平均瓦斯浓度，%。

目前矿井绝对瓦斯涌出量为64.39 m3/min，其中，采煤工作面(2个)总绝对瓦斯涌出量为30.26 m3/min，占整个盘区绝对瓦斯涌出量的61.13%；其中矿井风排绝对瓦斯量115.58 m3/min，工作面的风排绝对瓦斯量为35.0 m3/min，完全满足王家岭煤矿的瓦斯排放风量要求。

通过对王家岭煤矿的矿井及工作面风排瓦斯能力分析，20102上隅角瓦斯超限问题，是由于王家岭煤矿工作面使用传统的“U”型通风方式，其上隅角区域存在涡流区，导致瓦斯积聚，需要改变矿井工作面巷道布置，调整风流流场结构，实现有效排放瓦斯的目的。

3.2 采用“U套U”型工作面通风系统，改变上隅角风流流场结构

改造“U+U”型通风系统比较合理。U+U型通风系统，其通风能力大、处理瓦斯能力强，能消除上隅角风流涡流状态，使工作面上隅角、回风尾部联络巷及两条回风巷瓦斯浓度始终处于受控状态且有较大的富余系数。“U+U”型通风系统主要有“U套U”型及“U并U”型两种形式。通过对王家岭综采工作面的实际生产条件及瓦斯涌出量进行分析研究，以使用“U套U”通风系统的“两进两回”巷道布置方式为宜[12,13]。

具体工艺是，以20102工作面为例,回采工作面仍然采用一进两回的通风方式，在回采工作面布置双切眼，第一切眼留设在工作面后部，该切眼与瓦斯尾巷相通，第二切眼与回风巷相通，瓦斯尾巷除仍然利用贯眼通风外，还利用第一切眼通过全负压给瓦斯尾巷配风，这样将会大大提高瓦斯尾巷的配风量，提高风速，从而有效稀释了瓦斯浓度，确保了工作面安全生产，这样位于外侧的进风巷和回风巷就构成了双U系统中的大U,而位于内侧的进风巷和回风巷就构成了双U系统中的小U(如图5所示)。这种大U套小U的通风系统提高了工作面排瓦斯的能力,提高了开釆的安全性且大大降低了生产环境中的粉尘。

图5 大U套小U通风系统

通过对矿井的通风系统进行改造,风排瓦斯的途径由原先的只由回风巷排出变为由两条回风巷巷道排出,并且采空区的瓦斯通过“U套U”型通风系统中的大U排出,最终解决工作面上隅角瓦斯超限问题以及局部瓦斯积聚问题[14]。

该矿区工作面采取“U套U”型通风系统的改造后，上隅角瓦斯浓度得到了良好的效果，改造之前的上隅角瓦斯浓度与改造之后的上隅角瓦斯浓度实际对比数据如下表2：

表2 改造前后上隅角瓦斯浓度对比

3.3 “U套U”型工作面通风系统优点

(1)进风巷及回风巷的数目都增加至两条，提升了系统的通风能力,能更好地稀释工作面及采空区产生的瓦斯。

(2) “U套U”型通风系统的布置,工作面的风量在符合规定的前提下进行了适度的减小,这样就降低了工作面的煤尘,改善了工作人员的作业环境。

(3)大U套小U通风系统中,随着工作面的推进,大U仍可一直保留,这样对日后釆空区各种参数的检测提供了便利,使工作人员可以更早的发现异常情况,更易于防灭火措施的实施。

(4)易于回采及工作面接续，在高瓦斯矿井的通风系统布置中, “U套U”型通风系统是既能保证工作面高效生产，又能保证巷道较小掘进和维护工作量的一种通风系统。

4 结论

(1)对特大型传统意义上的瓦斯矿井，其工作面上隅角瓦斯超限，采取风排瓦斯治理是首选方式。

(2)上隅角瓦斯浓度超限主要的原因来自于与工作面采空区遗煤解吸速度缓慢、放顶煤时大量煤体破碎释放的瓦斯、上下邻近层的影响有关。

(3)实践表明，通过调整、优化工作面通风系统改造，采用“U套U”型的工作面通风系统在王家岭煤矿取得了很好的的效果，解决工作面上隅角瓦斯超限的问题。该矿井区域性通风系统的优化成功经验对全国其他类似矿井具有一定的借鉴作用。

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Technological Research on Gas Management of Upper Corner in Wang Jialing Working Face

XU Jing-de，QI Rui-chen，PENG Xing-li，YANG Xin

(GraduateSchool,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao，101601，China)

After experimental parameter test and field observation, the paper analyzed the characteristics of gas occurrence and emission: The content of coal seam gas is low with poor gas permeability and long gas releasing time. Combining with characteristics of exploitation scheme and roadway layout, the reason why gas exceeding the limit in mining face in the upper corner is that adopting "U" type ventilation system lead to recirculation zone in the upper corner and gas accumulation too much in the goaf. According to the theoretical analysis and field observation, we came up with "U set U" type instead of the "U" type ventilation system to solve the problem above and gained good results.

the ventilation system on working face；the upper corner；ventilation air methane；goaf

2015-12-15

中央高校基本科研业务费资助项目(3142014118,3142014119)

徐景德(1965-)，男，安徽安庆人，博士，教授，硕士生导师，研究方向为矿井瓦斯灾害防治及安全监管监察。E-mail：xujd1430@126.com

TD712

A

1672-7169(2016)01-0014-05