特厚煤层综放工作面U形通风回风隅角瓦斯防治

2015-03-08任晓东范喜生

现代矿业 2015年4期

关键词：综放漏风风量

任晓东范喜生

(1.中电投新疆能源化工集团四棵树煤炭有限公司；2.煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院)

特厚煤层综放工作面U形通风回风隅角瓦斯防治

任晓东1范喜生2

(1.中电投新疆能源化工集团四棵树煤炭有限公司；2.煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院)

四棵树煤炭有限公司8#井B51107综放工作面采用上行通风方式后，为了防治回风隅角瓦斯超限，通过对特厚煤层走向长壁综放工作面开采采空区覆岩垮落形态、采空区瓦斯赋存特点、工作面瓦斯涌出来源等分析，建立二维采空区风量与瓦斯浓度关系数学模型，选择适合的风量和回风隅角瓦斯防治措施，杜绝了回风隅角瓦斯超限现象，取得预期效果，有力保障了工作面的安全生产，为类似条件下的工作面回风隅角瓦斯防治积累了成功经验。

特厚煤层综放工作面 U形通风回风隅角瓦斯治理

四棵树煤炭有限公司8#井B51107工作面位于一采区边角地段，主井筒井底西侧，北面为井田境界，南面相邻B51103工作面采空区，其隔离煤柱为15 m。工作面倾向长132 m，运输顺槽走向长360 m，回风顺槽走向长509 m，平均倾角为17°，工作面垂高为40～46 m；煤层平均厚10.5 m，埋藏深度为260～300 m，瓦斯含量为3.19 m3/t；水分为10.27%，灰分为6.02%，挥发分为37.27%；煤层顶板为泥岩、泥质粉砂岩互层。工作面采用综合机械化放顶煤采煤法，采高为3.2 m，放煤高度为7.3 m，全部垮落法管理顶板，日推进2.4 m。

之前矿井综放工作面均采用U形通风方式，下行通风，随着回采深度的递增，回风隅角逐渐出现瓦斯超限现象，经分析认定采空区瓦斯为隅角瓦斯超限的主要来源[1-2]。B51107工作面继续使用下行通风，势必会造成回风隅角瓦斯超限;使用上行通风，有可能造成回风隅角瓦斯超限。为保证矿井安全生产，有必要认真分析B51107工作面改变通风方式后，回风隅角瓦斯浓度的各种影响因素，采取针对性的措施，做好回风隅角瓦斯防治工作。

1 特厚煤层采空区覆岩垮落形态

随着壁式回采工作面向前推进，上部及采空区将形成“横三区”和“竖三带”，其中支撑影响区内顶煤受采动影响，增加了新生裂隙，同时原有裂隙增大；离层区内煤(岩)体之间存在大量气体流通的通道；冒落带内煤(岩)体呈块状堆积，形成大量气体储存空间；裂隙带内存在大量新生裂隙，这些裂隙与冒落带、离层区联通，为瓦斯等相对空气密度较轻的气体提供了流动和存储条件。

煤层开采一定距离后，上覆岩层垮落，采空区中部趋于压实，两侧离层存在，形成“O”形圈[3]，裂隙带内裂隙从下向上逐渐减少，止于弯曲下沉带，空间上形成采动裂隙圆角矩形梯台带[4]，这些平面上沟通、立面上联通的裂隙空间为瓦斯的存储提供了非常好的条件。

B51107工作面开采煤层厚度为10.5 m，开采后采空区冒落带采用经验公式计算：

H=M/(K-1)cosα，

(1)

式中，H为冒落带高度，m；M为回采煤层厚度，取10.5 m；K为岩石碎胀系数，取1.35；α为煤层倾角，取17°。

计算得出B51107工作面开采后采空区冒落带高度H=31.37 m。

文献[5]对特厚煤层覆岩破坏高度研究指出，特厚煤层覆岩破坏高度可为采高的10～11.5倍。为了留有一定的安全空间，取工作面覆岩破坏高度为采厚的10倍，即105 m。

随着回采的不断进行，采空区见方时，裂隙带发育到最大高度，将形成中心高100 m左右的采动裂隙圆角矩形梯台带，之后的回采过程中，采空区垮落形态基本稳定。

2 工作面瓦斯来源分析

B51107工作面综放工作面瓦斯来源有回采工作面的瓦斯涌出、工作面采空区瓦斯涌出，其中回采工作面的瓦斯涌出又包括开采层瓦斯涌出、邻近层瓦斯涌出。B51107工作面回采的B5煤层无上下邻近煤层，回采工作面的瓦斯涌出为开采层瓦斯涌出，综合之前回采的相同条件下工作面瓦斯涌出测定情况，B51107工作面预计检修期间最大瓦斯涌出量为1.65 m3/min，割煤、移架期间最大瓦斯涌出量为3.3 m3/min；工作面采空区瓦斯涌出为开采层采空区破碎状态遗煤瓦斯涌出,是造成B51107工作面回风隅角瓦斯超限主要原因。

3 回风隅角瓦斯超限分析

瓦斯密度标准状态下为0.716 kg/m3，是空气密度的0.55倍，在采空区中瓦斯气体具有很强的扩散能力和一定的升浮特性。文献[6]对较薄厚煤层综放工作面U型通风方式上行通风情况下，上隅角瓦斯浓度超限治理进行了理论探索，本文结合特厚煤层综放开采采空区垮落较高的特点，认为采高3.2 m 范围内，采空区瓦斯浓度变化不大，建立二维采空区漏风场(图1)，对上隅角瓦斯浓度影响进行分析。

图1 二维采空区漏风场示意

如图1，采空区前边界x=0，y沿倾向可分为2段：0≤y≤L/2，瓦斯浓度c=0,向采空区内漏风;L/2≤y≤L，c=c(y,z),漏入采空区内的风又从采空区内流出，不考虑c沿高度方向的变化。

根据质量守恒定律，单位时间内漏风从采空区带出的瓦斯体积近似等于经过上、下隅角的流线与采空区支架边界之间的遗煤放出的瓦斯量，即

QoutCout≈Mrf,

(1)

式中，Qout为采空区漏风量,m3/min;Cout为上隅角漏风风流中的瓦斯浓度,%;Mr为遗煤量，m3;f为单位时间单位质量的遗煤放出的瓦斯体积,m3/min。

经过上、下隅角的流线与采空区支架起始边界围成的图形的面积为

(2)

故有

(3)

f=ψg0exp(-nx/vt) ,

(4)

式中，hr为遗煤厚度，m;ρc为煤的密度，kg/m3；ψ为经验常数，回风侧取20×10-6m2/kg；g0为初始瓦斯释放速度，g0=X[0.000 4(Vdaf)2+0.16]，m3/(min/m2)，X为吨煤瓦斯含量，m3/t;Vdaf挥发分，%；n为经验常数，2.8×10-7s-1；x取简化值，L/2；vt为工作面推进速度，m/s。

将式(3)、式(4)代入式(1),得上隅角处(y≈L)的瓦斯浓度为

Cout=0.452hr/Qout.

(5)

可见，上隅角瓦斯浓度与采空区遗煤厚度、采空区漏风量有关。采空区一定高度后的瓦斯赋存不受工作面漏风流的影响，B51107工作面较高的冒落带和裂隙带储存了大量的采空区瓦斯，工作面采用上行通风方式，采空区漏风量控制在一定范围内，回风隅角瓦斯超限的可能性较小。

B51107工作面配备合适的风量以及采取必要的措施控制采空区漏风量，是可以治理回风隅角瓦斯的。工作面采用上行通风的巷道布置见图2。

图2 B51107回采工作面上行通风的巷道布置

4 瓦斯治理措施及效果

(1)增加工作面供风量。B51107工作面设计风量为913 m3/min，根据式(5)得出的结论，工作面初采50 m，供风量为1 100 m3/min，后续回采时，实际供风量达到1 200 m3/min时，隅角瓦斯浓度控制在0.5%左右，工作面风速为1.79 m/s。若风量继续增加，一方面会引起工作面风速偏大，空气中粉尘浓度偏高或超标，不仅对操作人员的观察能力影响较大，增加了操作环节的安全隐患，而且容易形成煤尘爆炸的安全隐患；另一方面会增加采空区漏风量，大量的漏风随即会带出采空区内大量高浓度瓦斯，并汇集与回风隅角处，非常不利于工作面回风隅角瓦斯防治；风量继续增加，会引起采空区自燃带中气体流动加速，增加氧气供给，增加自燃危险性，不利于工作面采空区防灭火管理。鉴于这些原因，B51107工作面实际供风量为1 200 m3/min。

(2)减少采空区漏风。采空区漏风带出的高浓度瓦斯是回风隅角瓦斯超限的重要原因，减少采空区漏风可在一定程度上减少回风隅角的瓦斯量，U形通风方式减少采空区漏风的办法是对进风端头进行有效堵漏。在走向长壁回采工作面进、回风2个端头容易形成尾巷，增加采空区漏风。B51107工作面使用超前深孔预裂爆破技术，使端头顶煤及时垮落，消除尾巷。在进风侧端头挂风障，做好堵漏工作，减少进风侧端头向采空区的漏风量。

(3)调整工作面端头超前形式。U形通风方式的走向长壁回采工作面回风隅角处风流减弱，容易形成涡旋，如果回风隅角与工作面的夹角为锐角，回风隅角处的风流会更弱，甚至呆滞，此时容易形成瓦斯聚集，进而造成瓦斯超限。B51107工作面采用回风侧端头及时移架，回风侧端头超前进风侧端头5～10 m的方法，使回风隅角与工作面形成钝角，减少回风隅角风流的涡旋现象，保证回风流畅。

(4)有效治理工作面顶板。如果U形通风方式的走向长壁回采工作面出现采空区大面积悬顶或周期来压期间顶板活动剧烈等情况，都会造成隅角甚至工作面瓦斯超限。B51107工作面从初采开始，认真执行超前深孔预裂爆破，使采空区顶板能够及时垮落，避免形成大面积悬顶。同时做好工作面矿压监测分析、预测预报工作，采用“等压”及加强后溜顶煤回收等方法，有效避免了来压期间顶板垮落造成回风隅角瓦斯超限的现象。

(5)减少采空区遗煤。通过对以往类似工作面放煤工艺的研究对比，B51107工作面采用多轮顺序双组放煤方式，以2.4 m为一个大循环放一次顶煤，加强顶煤回收，减少采空区遗煤瓦斯放散量。综合统计分析，B51107工作面回采期间，采用此种放煤工艺，顶煤回收率达到92%。顶煤的有效回收，对回风隅角瓦斯量的减少起到了一定作用。

通过以上措施的综合使用，B51107工作面回采期间，风量控制在1 200～1 280 m3/min，回风隅角瓦斯浓度控制在0.3%～0.76%，回风流瓦斯浓度在0.15%～0.28%，未发生瓦斯超限事故。