综放工作面瓦斯治理技术探讨

樊 华，王晨阳

(1.霍州煤电集团 技术研究院，山西 霍州 031412；2.中煤科工集团 重庆研究院有限公司, 重庆 400037)

腾晖煤业是典型的高瓦斯矿井，工作面采用走向长壁放顶煤采煤法，生产过程中瓦斯涌出量较高，易出现工作面瓦斯超限及上隅角瓦斯积聚，给矿井生产和矿工安全带来很大威胁。在以往的生产过程中，腾晖煤业通常采用“U+L”型通风配合多种瓦斯抽放技术来解决瓦斯问题，这种通风方式及瓦斯抽采技术在管理上比较复杂，而且专排瓦斯巷存在较大的安全隐患，本文结合“U”型通风方式和瓦斯抽采技术，探讨了综放工作面瓦斯治理技术。

1 工作面基本情况

腾晖煤业有限公司位于山西省乡宁县枣岭乡店沟村西， 矿井瓦斯等级为高瓦斯矿井，绝对瓦斯涌出量21.62 m3/min。自燃倾向性为自燃，煤尘具有爆炸性。

该煤业公司2-202工作面布置在2-201工作面西侧，煤层平均厚度5.4 m，平均倾角2°，设计顺槽长度640 m，切巷长度145 m，采用走向长壁放顶煤采煤法，采煤高度为2.5 m，放顶煤高度为2.9 m，平均采放比为1∶1.16。根据实验测定结果，2-202工作面瓦斯压力为2.69 MPa(预测值)，瓦斯含量为11.607 m3/t，煤层破坏类型Ⅱ类，瓦斯放散初速度△p为11.9，坚固性系数f为0.47。

2 工作面抽放系统

根据瓦斯涌出量预测结果，2-202工作面绝对瓦斯涌出量为14.63 m3/min，本煤层绝对瓦斯涌出量为13.29 m3/min，占工作面涌出量的91％，邻近层绝对瓦斯涌出量为1.34 m3/min，占工作面涌出量的9％。因此,分别采用本煤层钻孔、顶板高位钻孔、转抽巷辅助钻孔、采空区埋管等方法来降低工作面瓦斯浓度。

2.1 本煤层钻孔

2-202工作面本煤层预抽孔布置在回风顺槽，采用上下交叉孔施工，共284个，上排孔开孔高度为1.8 m，共142个，为斜向孔；下排孔高度为1.5 m，共142个，为平行孔。钻孔距2-202工作面停采线10 m处开始依次向切巷方向施工，孔间距为4.2 m。具体参数见表1，工作面钻孔施工示意图见图1。

表1 本煤层钻孔布置参数表

图1 工作面钻孔施工示意图

采用这种抽采方法可加大单孔抽采的覆盖面积，增加回采工作面煤体的裂隙，提高抽采量，节约抽采时间，加强本煤层钻孔的抽采效果。

2.2 采空区钻孔

采空区钻孔又分为高位裂隙钻孔、顶板高位钻孔、采空区埋管。根据采动裂隙“O”型圈理论，确定采空区钻孔的有效抽采高度为2-202工作面顶板上方16～56 m。

1) 高位裂隙钻孔设计。

高位裂隙钻孔布置在2-2023专抽巷靠近工作面的煤帮，终孔高度控制在离煤层顶板30～40 m，主要是抽放2-202回采面上方高位裂隙带瓦斯，每组施工4个钻孔，钻孔开孔高度为2 m，直径113 mm，孔深90 m，每组钻孔之间的距离为6 m。高位裂隙钻孔示意图见图2。

a) 剖面示意图

b) 平面布置示意图

2) 高位钻孔设计。

顶板高位钻孔的主要作用是以工作面回采采动压力形成的顶板裂隙作为通道，抽放工作面煤壁及上隅角涌出的瓦斯。具体方法是在专抽巷向煤层顶板施工上山巷道爬至顶板上方15 m处施工高位钻场，在钻场内向工作面推进方向施工顶板高位钻孔。

2-202工作面共设计3个高位钻场，在每个钻场内向工作面推进方向施工1组低位裂隙钻孔和2组顶板高位钻孔。低位裂隙钻孔终孔离煤层顶板高度控制在15 m，高位钻孔终孔离煤层顶板高度控制在30 m和35 m处。高位钻孔设计示意图见图3。

a) 平面示意图

b) 剖面示意图

3) 埋管抽采设计。

在2-2023专抽巷内布置1趟d426 mm无缝钢管，在每个横贯口处留设d426 mm变d315 mm的三通，并加设阀门，在横贯内穿过密闭墙埋设1趟d315 mm抽放管，在2-2022回风顺槽侧闭墙前搭设木垛加强巷口支护。埋管示意图见图4。

图4 埋管示意图

2.3 辅助钻孔

辅助钻孔布置在2023专抽巷靠近工作面的煤帮，每组2个钻孔，钻孔间距1 m，每6 m施工1组钻孔，方位角均为90°，倾角均为+14°，落孔位置为2#煤层顶板处，孔深均为30 m，钻孔直径为113 mm，开孔高度为1.5 m。辅助钻孔示意图见图5。

a) 剖面示意图

b) 平面布置示意图

3 工作面通风方式设计

3.1 通风系统

结合2-202工作面瓦斯涌出量实际情况和瓦斯抽采情况，确定2-202工作面采用U型通风系统，设计2-2021巷为进风巷道， 2-2022巷为回风巷道，形成完整的“U”型通风系统。2-2023巷作为独立专抽巷，与2-202工作面在通风系统上无直接关系，负责高低位裂隙抽放，采用局扇供风的方式单独供风。2-202工作面通风系统示意图见图6。

图6 2-202工作面通风系统示意图

3.2 风量计算

根据《山西焦煤集团矿井配风、风量计算标准》有关规定，回采工作面实际需风量，应按气象条件、瓦斯涌出量、二氧化碳涌出量、人员等规定分别进行计算，然后取其中最大值。

1) 按气象条件计算。

Q采=60×70％×V采S采K采高K采面长=738 m3/min

式中：

Q采—采煤工作面需要风量，m3/min；

V采—采煤工作面的风速，m/s，按采煤工作面进风流的速度取1；

S采—采煤工作面的平均有效断面积，m2，取13.31；

K采高—回采工作面采高调整系数，放顶煤工作面取1.2；

K采面长—回采工作面长度调整系数，取1.1；

70％—有效通风断面系数；

60—单位换算生产的系数。

2) 按照瓦斯涌出量计算。

Q采=200·qCH4·KCH4=1 597 m3/min

式中：

Q采—回采工作面实际需要风量，m3/min；

200—按回采工作面回风流中瓦斯浓度不超过0.5％换算系数；

qCH4—回采工作面回风巷风流中瓦斯平均绝对涌出量，m3/min；

KCH4—回采工作面瓦斯涌出不均衡通风系数，按上限配风取2.2。

3) 按照二氧化碳涌出量计算。

Q采= 100×qCO2×KCO2=90 m3/min

式中：

Q采—回采工作面实际需要风量，m3/min；

qCO2—采煤工作面回风巷风流中最大绝对二氧化碳涌出量，m3/min；

KCO2—采煤工作面二氧化碳涌出不均匀的备用风量系数，取1.5；

100 —按采煤工作面回风流中二氧化碳的浓度不超过1％换算系数。

4) 按工作面人数计算。

Q采≥4N=204 m3/min

式中：

N—采煤工作面同时工作的最多人数，人，取51；

4—每人需风量，m3/min。

5) 按风速进行验算。

a) 验算工作面最小风量:

Q采≥60×0.25Smax=147 m3/min

Smax=Lmax×h采高×70％=9.84 m2

b) 验算工作面最大风量:

Q采≤60×4Smin=2 109.6 m3/min

S最小=Lmin×h采高×70％=8.79 m2

c) 综合机械化采煤工作面在采取煤层注水和采煤机喷雾措施后，验算最大风量:

Q采≤60×5Smin=2 637 m3/min

式中：

Smax—采煤工作面最大控顶有效面积，m2;

Lmax—采煤工作面最大控顶距，m;

h采高—采煤工作面实际采高，m;

Smin—采煤工作面最小控顶有效断面积，m2;

Lmin— 采煤工作面最小控顶距，m;

0.25 —采煤工作面允许的最小风速，m/s;

70％—有效通风断面系数；

4.0—采煤工作面允许的最大风速，m/s;

5.0—采煤工作面允许的最大风速,m/s。

6) 风量分配。

a) 根据工作面采用一进一回的“U”型通风系统，各环节配风量见表2。

表2 工作面回采期间配风情况表

由表2可知,整个工作面配风1 595 m3/min，其中,2-2021巷进风1 595 m3/min, 2-2022巷回风1 595 m3/min，2条巷道风速均低于巷道最大允许风速4 m/s，大于巷道最小允许风速0.25 m/s，符合《煤矿安全规程》规定。

b) 2-2023巷作为专抽巷，将采用局部通风方式，FBDYNO6.3 (2×45 kW)的局扇配备1 000 mm风筒确保巷道全长通风，风机采用单级运行，风筒出口风量可达500 m3/min以上，专抽巷风速确保在0.35 m/s，符合规定。

c) 2-2021联巷作为库房管理，按照硐室配风150 m3/min给予配备。

4 效果检验

1) 根据瓦斯抽采设计方案，2-202回采工作面抽采时间14个月，抽采瓦斯量为254万m3。经取样分析，2-202工作面瓦斯含量经测定最高值5.14 m3/t，瓦斯可解析量最大为4.1 m3/t,残存量为1.04 m3/t,低于规定要求5.2 m3/t，已达到抽采达标预期效果。

2) 2-202工作面经生产实际测量，割煤期间回风流瓦斯浓度控制在0.42％，上隅角瓦斯浓度控制在0.45％左右，专排巷瓦斯浓度控制在0.2％，取得了较好效果，保证了安全高效生产，对相似条件下的矿井生产有一定的借鉴意义。

3) 2-202工作面本煤层瓦斯抽采效果达标后，综合实际情况，采用了“U”型通风方式，保证了矿井瓦斯治理达标，相比以往的“U+L”型通风方式，简化了通风系统，方便了瓦斯管理，降低了安全隐患，节约了生产成本。

4) 在高位钻场抽放瓦斯的过程中发现个别钻孔的瓦斯浓度几乎为零。分析原因可能是由于钻孔终端位置没有准确地打到裂隙带中，导致部分钻孔瓦斯抽放效果差。因此，在今后的工作中要慎重考虑采空区冒落带及裂隙带的高度，设计过程中准确掌握相应的资料，保证设计到位；同时要严格施工过程，按照设计施工，保证抽放钻孔的高度、位置合适。

参 考 文 献

[1]赵耀江.沙曲瓦斯治理报告[D]. 太原:太原理工大学,2011.

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