高瓦斯工作面通风方式的适用性分析及瓦斯防治技术

朱晓慧

(山西霍尔辛赫煤业有限责任公司,山西 长治 046600)

山西霍尔辛赫煤矿年产4.0 Mt/a,批准开采3号煤层,煤层平均厚度5.65 m,煤层倾角3°～ 6°,平均4°。2012年矿井被鉴定为高瓦斯矿井,矿井绝对瓦斯涌出量为64.08 m3/min,相对瓦斯涌出量为9.74 m3/t[1],井下采煤工作面采用双U型通风方式。双U型通风方式虽然增加了工作面的风量,但存在以下缺点:1)由于两进两回之间的联络巷增加了保护煤柱,导致资源浪费,不符合国家资源合理、安全、节约利用的要求;2)联络巷之间普遍有串风和漏风的现象,存在严重的安全隐患;3)掘进和密闭的工作量也较大;4)外U的专排瓦斯尾巷不符合《煤矿安全规程》(2016版)的规定[2]。因此,双U型通风方式已经不适合霍尔辛赫煤矿安全、高效生产的要求，亟需寻求更适合霍尔辛赫煤矿井下生产条件的通风方式以及相对应的瓦斯治理技术。

1 不同通风方式优缺点分析

目前,各矿区根据自身生产地质条件的不同,分别实践了不同的工作面通风方式[3],本文针对常用的几种通风方式进行分析,如双U型、单U型、Y型、偏Y型等通风方式。从巷道布置、风流分配、通风系统管理以及风排瓦斯等方面,对比分析了各通风方式的优缺点及适应性。

1.1 双U型通风方式

该通风方式需布置四条巷道,双巷进风,双巷回风。其中本工作面进风巷、回风巷与切眼组成内圈U型,辅助进风巷、瓦斯排放尾巷与辅助切眼组成外圈U型,如图1所示。

图1 双U型通风方式示意图Fig.1 Double U-shaped ventilation

采用双U型通风方式的优点是:工作面风流较稳定,有效的增加了供风量,风量的提高使得风排瓦斯效果显著,并大大增加了采空区瓦斯的排放范围,提高了工作面的抗灾能力。缺点是:为了形成通风系统需要施工四条工作面回采巷道及大量的联络巷,大大增加了巷道掘进工程量;并且较多的联络巷导致漏风量也相应增多,增大了通风系统的管理难度;切顶线以里排瓦斯巷、联络巷和上隅角通道维护工程量大，降低了采区回采率。

目前,《煤矿安全规程》(2016版)取消了专用排瓦斯巷的规定,因此所有回采巷道均按工作面回风巷道管理,即瓦斯浓度不得超过1%,双U型通风方式越来越难以满足高瓦斯矿井高产高效的要求。

1.2 单U型通风方式

单U型通风方式是一进一回,优点是通风系统简单、通风构筑物少、可靠性较高,在低瓦斯矿井应用广泛。缺点是工作面配风量较小,上隅角区域风量较小,风流易形成涡流情况,瓦斯难以进入主风流,从而导致上隅角瓦斯容易积聚[4],对于瓦斯含量较高或产量较大的高瓦斯工作面必须结合相对应的瓦斯治理技术,才能有效防治工作面瓦斯超限。

1.3 Y型通风方式

该系统风流为两进一回,采煤工作面的两条顺槽进风,在其中一条顺槽的采空区段进行留巷回风,留巷采用巷旁充填支护,如图2所示。

Y型通风方式的优点是改变了U型通风方式下上隅角区域风量小、循环风的存在的缺点,从根本上解决了上隅角瓦斯积聚难题，而且运煤、运设备、供电、供水等管线都在新风流中,在回风巷内既无电缆、轨道,也无管路,基本上成为专用回风巷,不仅提高了工作面的安全性,也大大改善了工作面的作业环境[5-6]。

图2 Y型通风系统示意图Fig.2 Y-shaped ventilation

Y型通风方式的缺点是该系统回风巷的某些局部地点可能存在瓦斯积聚问题,需采用瓦斯抽采方法来处理,并加强瓦斯监测监控;同时,这种通风系统需要在采空区中维护一条巷道,作为回风巷使用,工作量较大,施工、维护较为困难;对有自燃倾向煤层,易造成煤层自燃;留巷维护效果不好会导致断面过小,通风阻力增大,工作面供风量减少；Y型通风方式还需要掘进边界集中回风巷,掘进工程量大,加剧了矿井采掘接替紧张。

1.4 偏Y型通风系统

偏Y型通风与Y型通风原理一致,但回风利用相邻工作面的回采巷道及联络巷,不需要掘进边界集中回风巷,节约了掘进工作量及工期成本,并且分段式的沿空留巷使用时间较短,巷道断面易于维护,可以采用成本较低的支护方式。偏Y型通风使用前提是相邻的工作面的回采巷道已经掘进到位,此外,还需要每隔一定距离施工一个联络巷,掘进和后期管理较为复杂。

偏Y型通风通过改变工作面通风线路及采空区瓦斯运移线路,消除了工作面上隅角瓦斯超限隐患,对于解决上隅角瓦斯积聚是一种经济、可靠的方式。

进入工作面的风流一部分沿工作面流动,另一部分进入采空区沿流线方向流动,最后经沿空留巷排出。采空区瓦斯浓度分布为:沿走向靠近采空内部瓦斯浓度较高,沿倾斜靠近沿空留巷瓦斯浓度较高。

因此,无论是Y型通风方式还是偏Y型通风方式,都需要配合相应的瓦斯抽采措施来防治沿空留巷内的高浓度瓦斯,并控制深部采空区瓦斯向工作面回风侧涌出[7]。

2 通风系统的选择与优化

目前,霍尔辛赫井下单个回采工作面供风量为3 200 m3/min～3 300 m3/min左右,正在回采的工作面实测瓦斯涌出情况为15 m3/min～25 m3/min。目前井下接替工作面为3603回采工作面,瓦斯含量8 m3/t ～8.7 m3/t,计划工作面日产量9 000 t。

根据矿井已经实践的通风方式及瓦斯治理技术,结合矿井工作面风量、瓦斯含量等基本条件,综合分析以下通风方式以及相应的瓦斯治理技术,最终确定最适合霍尔辛赫煤矿接替工作面通风方式和瓦斯治理方式。

2.1 通风方式及瓦斯治理技术的分析

2.1.1单U型通风+顶板水平走向长钻孔

顶板水平走向长钻孔的成孔层位对采空区瓦斯浓度降低的影响较大。

1)当成孔层位位于裂隙带下部时,随着上覆岩层的垮落,其钻孔也遭到破坏,所以对采空区浅部瓦斯影响较大,但对采空区深部影响较小。

2)当钻孔成孔层位于裂隙带与下沉带之间时,对采空区浅部瓦斯浓度影响变化不明显,但对采空区深部影响较明显,原因是钻孔位于裂隙下沉带内,受到裂隙带垮落的影响,其所在岩层虽然出现大量裂隙发育,但钻孔未遭到完全破坏,为钻孔抽采采空区深部瓦斯创造了条件。

3)当钻孔位置过高,超过裂隙带时,虽然钻孔未遭到破坏，但其所在岩层未形成较好的裂隙发育,不利于形成瓦斯渗流通道,降低了瓦斯抽采效果。

对接替工作面采用单U型通风方式时,其风排瓦斯量需35 m3/min,且回风流瓦斯浓度不得超过0.8%,考虑瓦斯涌出不均衡系数,经计算工作面需要配风量为4 400 m3/min ～4 800 m3/min，而现有条件下工作面配风量约为3 200 m3/min ～3 500 m3/min,因此,目前工作面配风量达不到回采的要求。

3603采空区瓦斯抽采量需要达到12 m3/min左右。根据以前3103综放工作面已经施工的普通顶板裂隙带钻孔的抽采效果来看,采空区瓦斯抽采量为7 m3/min ～8 m3/min,通过高位钻孔抽采采空区瓦斯难度较大。

因此,在目前的巷道断面条件下采用单U型通风+顶板走向长钻孔不能满足接替工作面的通风及瓦斯治理要求。

2.1.2单U型通风+高抽巷

高抽巷是回采煤层顶板内的高位瓦斯抽采巷道的简称。其工作原理是在将要实施回采工作煤层的上覆岩层内部距离回采煤层一定距离的位置处布置一条岩巷,一般布置在上覆岩层的裂隙带内,在回采过程中由于采动影响上覆岩层垮落,在垮落带上方的裂隙带使顶板上的高位岩巷与采空区联通,采空区的瓦斯在自身浮力的作用下向上流动,积聚在裂隙带附近。在外界施加抽采负压的情况下,采空区瓦斯通过预先铺设的抽采管被抽出采空区[8]。高抽巷的示意图如图3所示。

图3 高抽巷抽采瓦斯示意图Fig.3 Gas drainage in high level drainage roadway

高抽巷抽放效果好,抽放量大,随着回采强度的加大,裂隙形成越好,抽放效果越明显,正常回采过程中抽出的瓦斯浓度稳定。目前在潞安矿区开展的试验取得了预期效果。

潞安矿区某矿井下工作面采用单U型通风+高抽巷治理工作面瓦斯,工作面煤层原始瓦斯含量为8 m3/t ～9 m3/t,抽采负压5 kPa ～7 kPa,抽采浓度在3%左右,瓦斯流量达到10 m3/min ～12 m3/min,工作面配风3 000 m3/min～4 000 m3/min,在日产量8 000 t～10 000 t的条件下,上隅角、回风巷瓦斯浓度为0.6%。

综合上述分析,单U型通风+高抽巷方式基本满足接替工作面的要求,技术上可行。但是高抽巷掘进工期长、成本高。初期顶板裂隙带不发育时,抽采效果较差,需要辅助采空区抽采钻孔等抽采方式。

根据霍尔辛赫井下实际情况计算高抽巷的经济投入,高抽巷巷道断面6 m2～7 m2,掘进成本7 000元/m,3603工作面长度1 607 m,共计1 200万元左右。

2.1.3偏Y型通风+插管抽采+顶板高位钻孔

为考察偏Y型通风方式是否能满足工作面供风需求,在3601综放工作面进行偏Y型通风试验,3601工作面回采区域残余瓦斯含量大约5.33 m3/t～7.05 m3/t，平均瓦斯含量6.19 m3/t,日产量7 000 t。

3601工作面采用偏Y型通风方式后,前后调风两次,试验结果为:

1)初期配风3 050 m3/min,回风流最大瓦斯浓度0.64%,回风流平均瓦斯浓度0.41%,工作面最大瓦斯浓度0.78%,工作面平均瓦斯浓度0.24%。

2)后期配风量调整为2 200 m3/min,回风流最大瓦斯浓度0.79%,回风流平均瓦斯浓度0.51%,工作面最大瓦斯浓度0.79%,工作面平均瓦斯浓度0.25%。

可以看出,在配风量较低的情况下,工作面及回风流瓦斯浓度均有所增加,但并未造成瓦斯超限。

根据沿空留巷采空区瓦斯分布规律可知,在距工作面较近的采空区内,由于风流流动方向是从进风侧流向回风侧,而在偏Y型通风方式下,由于两条进风巷的风压不同,使得上隅角和回风巷的瓦斯浓度较低,但有瓦斯浓度较高的区域向采空区深部运移的趋势。

根据综放面采空区瓦斯分布规律可知,在采空区内回风平巷侧100 m～120 m处存在高浓度瓦斯富集区域,高浓度瓦斯会随着采空区的漏风风流运移到工作面及沿空留巷中。因此考虑采用插管+顶板高位钻孔的方式抽采采空区高浓度瓦斯，从本质上治理涌向工作面及沿空留巷的采空区高浓度瓦斯。

根据矿井试验的应用情况可知,采空区插管抽采量为3 m3/min左右,顶板高位钻孔的抽采量为10 m3/min。

因此采用偏Y型通风+插管抽采+顶板高位钻孔在技术上是可行的。

2.2 通风方式及瓦斯治理技术的分析

通过前面的技术可行性分析,选择技术可行的通风方式及相对应的瓦斯治理技术再进行经济对比,即单U型通风+高抽巷与偏Y型通风+插管抽采+顶板高位钻孔两种方法对比，结合经济投入和可行性的优缺点综合分析。

3603和3605工作面采用偏Y型通风+插管抽采+顶板高佳钻孔是接替工作面较为合理的通风及瓦斯治理方式,矿井可根据采掘部署合理选择。

3 结论

1)从巷道布置、风流分配、通风系统管理以及风排瓦斯等方面,对比分析了各通风方式的优缺点及适应性。适合霍尔辛赫煤矿的是单U通风、Y型通风、偏Y型通风方式，并提出必须结合相应的瓦斯抽采措施,才能有效解决工作面及采空区的瓦斯涌出。

2)根据各通风方式及相应的瓦斯抽采措施的效果和成本分析,得到最适合霍尔辛赫煤矿高瓦斯工作面的是“偏Y型通风方式+插管抽采+顶板高位钻孔”的方式。

3)建议在采用偏Y型通风方式时,要做好沿空留巷断面的维护工作,并加大瓦斯抽采力度,降低煤层残余瓦斯含量和采空区瓦斯涌出量,最终实现霍尔辛赫高瓦斯工作面的安全高效开采。