低瓦斯矿井综放工作面瓦斯治理研究实践

秦晓闰

（晋能集团临汾有限公司， 山西 临汾 041000）

随着采掘机械化水平的提高，煤矿开采强度和生产能力不断增加，尤其是综采放顶煤技术的应用，促使工作面单产水平有了质的提升，实现了煤矿工作面高产高效的目标，同时，采用综放技术进行回采也带来了一些不利影响，如造成了煤层瓦斯涌出量大幅度提升，给工作面瓦斯管理带来难题[1-4]。山西某矿为低瓦斯矿井，工作面瓦斯相对涌出量为3 m3/t，绝对涌出量为12 m3/min，但对于U型通风综放工作面而言，工作面瓦斯向回风巷方向瓦斯逐渐增大，容易造成工作面上部分瓦斯浓度偏高，而上隅角作为采空区瓦斯泄漏点极易造成瓦斯在此积聚，若采取措施不当容易造成瓦斯超限，给工作面的安全生产带来不利影响。为了提升工作面安全水平，降低瓦斯事故率，决定以3302综放工作面为例进行瓦斯治理研究。

1 工作面概况

3302工作面位于矿井3采区北部，所采煤层山西组3号煤层，煤层埋深140～300 m，平均为261 m，煤层厚6.3～7.1 m，平均为6.6 m，煤层倾角为4°～11°，平均为5.5°，煤层赋存相对稳定，结构单一，为稳定可采厚煤层。工作面采煤方法为综采放顶煤，割煤高度为3.0 m，采放比为1∶1.2，顶板管理方式为全部垮落法。工作面设计可采走向长度为1531 m，倾斜长度为200 m，设计回采率为95%。工作面采场布置ZZP4800-17/33型低位放顶煤液压支架184台，MG400/930-WD型采煤机一台，SGZ800/750型前部运输机和SGZ830/800型后部运输机各一部。工作面原设计通风方式为U型“一进一回”式，鉴于U型通风方式容易造成采空区及上隅角瓦斯积聚，将3302工作面优化设计为W型通风，工作面实际配风量不低于2000 m3/min，根据W通风方式设计3条巷道，分别为33021巷、33022巷和33023巷，其中33021巷和33023巷用于进风，33023巷用以回风，三条巷道均为锚网索联合支护。3301工作面布置方式见下页图1所示。

2 U型通风方式分析

以往矿井综放工作面均采用U型通风，U型通风由两条巷道组成，分别用于进风和回风。在U型通风工作面回采过程中，上隅角，工作面附近采空区易出现瓦斯积聚，对U型通风工作面瓦斯分布进行研究可知：正常回采时工作面瓦斯在距离底板不同高度其浓度不同，相对而言，距离底板越高，瓦斯浓度呈上升趋势；工作面采空区漏风中的绝大部分瓦斯可通过上隅角汇入回风巷，这样造成上隅角瓦斯浓度偏高，而U型通风方式的特点造成上隅角风流风速较低，容易在上隅角形成涡流，致使上隅角一部分瓦斯难以被风流稀释带走进而造成这部分瓦斯在上隅角处积聚，这也是U型通风方式下治理上隅角瓦斯的难点所在，实际测量工作面上隅角瓦斯一般1%以上，若不采取措施可达4%以上；鉴于U型通风方式风流由进风巷经由采面进入回风巷，风流瓦斯浓度逐渐增大，同时，采空区内遗煤、采场落煤、底板遗煤等溢出的瓦斯都向工作面涌出，造成工作面距回风巷25～40 m范围内瓦斯浓度较高，偶尔出现瓦斯浓度超过1%，说明U型通风工作面上隅角瓦斯和工作面距离回风巷较近区域容易造成瓦斯积聚和瓦斯超限。

为了掌握工作面、上隅角及其附近采空区等处瓦斯情况，在距底板3 m处进行了瓦斯浓度测量，具体见图1和图2所示。由图1可知，工作面采场瓦斯浓度采空区侧要高于煤墙侧，分析认为采空区瓦斯是工作面瓦斯主要来源，是造成工作面瓦斯积聚和超限的根本原因；由图2可知，随着上隅角瓦斯浓度的增加，回风巷瓦斯浓度也随着增加，说明上隅角瓦斯是回风巷瓦斯的重要来源，将上隅角瓦斯浓度控制在1%以内，可以确保回风巷瓦斯浓度不超过0.7%，能够满足安全生产。由工作面回风流瓦斯浓度计算工作面瓦斯绝对涌出量为9.1 m3/min，而矿井工作面瓦斯绝对涌出量可达12 m3/min，说明采用U型通风方式难以满足瓦斯排放要求。

图1 工作面及采空区横向瓦斯分布

图2 上隅角和回风巷瓦斯浓度关系

3 W型通风方式应用

采用U型通风方式时，在综放工作面回采过程，容易造成瓦斯在上隅角积聚和工作面距回风巷较近区域瓦斯浓度偏高，处理不当易引起瓦斯超限，影响工作面安全回采。鉴于此，在进行3302工作面通风方式设计时，采用W型通风方式代替原U型通风方式，通过W型通风方式的应用，由“一进一回”式改为“两进一回”式，即33021巷和33023巷进风、33022巷回风，工作面33023巷下行风可有效带走工作面上隅角积聚的瓦斯，促使上隅角瓦斯浓度急剧降低，测量结果显示采用W型通风后，3302工作面上隅角瓦斯浓度一般保持在0.08%左右，有效的保障了工作面的安全生产。同时，采用W型通风方式也可有效的解决临近工作面采空区向3302工作面上隅角涌出的问题，同时33023巷作为进风巷，风压相对较高，可有效预防工作面采空区瓦斯涌出，可有效降低回风流中瓦斯浓度。另外，采用W型通风方式，通过将上段巷道改为进风流，有效的降低了巷道和工作面温度，风流与运煤方向一致还起到有效抑尘作用，大幅度降低了33023巷煤尘浓度。现场测量可知，相比于U型通风综放工作面，上段33023巷道温度可降低3°左右，煤尘浓度可降低45%以上，有效的改善了职工作业环境，经济和社会效益显著。3302工作面W型通风方式见图3所示。

图3 3302工作面W通风方式示意

在风量相当的情况下，W型通风方式上下风道风量较小，其通风阻力仅为U型通风方式的25%，拱风能力是U型通风的2倍，治理瓦斯效果较好。为了保证两条进风巷风量需求，在实际中配送风量为2000m3/min，相比于U型通风方式提高了近700 m3/min，可见采用W通风方式所需风量要远超过U型通风方式。另外，在上下风流汇聚处容易形成涡流，造成两股风流交汇处瓦斯浓度忽高忽低，甚至造成瓦斯在该处积聚，会严重影响安全生产。为了确保上下风流汇集处的瓦斯浓度符合要求，在3302工作面采用了吊挂风障和使用水射流风机来解决风流交汇处瓦斯问题。水射流风机其原理是高压水通过喷嘴形成旋转雾化射流，雾化射流与空气进行动能交换，空气在射流的卷吸作用下前进形成风流，并产生负压，将附近空气吸入风机[5]。在利用水射流风机治理瓦斯时将风机吸风口布置在上下风流汇集处瓦斯浓度较高的地方，出风口布置在回风流中，出风口要求周围无电气设备，周围通畅，这样可将含有瓦斯的空气排放到回风流中，避免了瓦斯在上下风流汇集处出现积聚。3302工作面通过水射流风机使用后，上下风流汇集处瓦斯浓度始终稳定在0.04%左右，杜绝了瓦斯超限现象，且水射流风机质量较小，可随着工作面推进不断前移，实用性较好。

4 结语

U型通风方式的通风特点决定了随风流方向瓦斯浓度逐渐增高，且上隅角处于负压最低点，风流容易在此形成涡流，引起上隅角瓦斯不易排出在此积聚，不利于工作面安全高效回采。W型通风方式通过上下两风道进风，造成上隅角消失，避免了瓦斯在工作面上部积聚和超限，同时，通过W通风还起到了降温降尘作用，改善了工作面作业环境，鉴于两风流交汇处容易形成涡流，提出采用水射流风机来治理风流汇集处瓦斯，治理效果较好。