高瓦斯低透单一厚煤层工作面巷道布置方式优化研究

孙晓冬

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；3.中国科学院地质与地球物理研究所 中国科学院工程地质力学重点实验室，北京 100029；4.中国科学院大学，北京 100049)



开采技术与装备

高瓦斯低透单一厚煤层工作面巷道布置方式优化研究

孙晓冬1,2,3,4

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；3.中国科学院地质与地球物理研究所 中国科学院工程地质力学重点实验室，北京 100029；4.中国科学院大学，北京 100049)

针对高瓦斯低透单一厚煤层工作面瓦斯涌出强度大、局部区域易造成瓦斯积聚问题，采用理论分析、现场观测和数值模拟等手段，对不同巷道布置方式适应性进行了系统分析。研究表明：多巷布置方式存在巷道掘进率高、资源采出率低、上隅角瓦斯易超限问题，基于高可靠性混凝土沿空留巷技术和高抽巷高效抽采技术提出了“两进一回Y型通风+高抽巷”巷道布置模式，现场应用表明，该布置方式可实现无煤柱开采，解决了上隅角瓦斯超限和采空区瓦斯大量涌出问题，为国内其他类似条件煤层开采提供了良好借鉴。

高瓦斯；单一煤层；巷道布置；Y型通风

我国大多数煤层渗透率低，煤层气地面抽采效率差，大部分煤层气需在井下进行近场抽采、采动区抽采或者采后抽采，煤与煤层气共采是我国瓦斯治理的主要模式[1-4]。开采实践表明，卸压层开采是增加煤层透气性系数的有效方法，淮南、平顶山等矿区通过卸压层开采较好地解决了低透气性煤层瓦斯抽采问题。

山西长治地区的3号煤层为单一厚煤层，不具备卸压层开采条件，瓦斯含量为3.5～23.7m3/t，属低透气、强吸附性、难抽放高瓦斯煤层，地面钻井抽采效果不理想。井下钻孔瓦斯流量衰减快，加之煤质松软，易出现塌孔现象，造成预抽难度大。各矿井多采用高强度立体化瓦斯抽采模式，根据统计，高瓦斯矿井的瓦斯抽采率在46%～62.33%之间，平均为52.3%，仍有1/2左右的瓦斯涌出需要风排解决。

3号煤层工作面以往多采用两进一回、三进一回、两进两回或三进两回的多巷布置方式，不仅掘进率偏高，还造成了大量的区段煤柱损失[5-6]。随着采深的加大，巷道掘进解突困难，造成工作面接续持续紧张，且多巷布置方式生产中上隅角瓦斯仍然频繁超限，采空区裂隙带瓦斯极易积聚，安全隐患较多。针对此类高瓦斯低透单一厚煤层工作面，为解决开采中的瓦斯治理问题，亟需改进并优化已有的多巷布置方式，研究兼具科学性、安全性及经济性的巷道布置模式。

1 工作面瓦斯涌出特点

长治地区3号煤层一般厚度5.0～7.0m，多采用放顶煤开采，本地区工作面瓦斯涌出具有以下特点：

(1)瓦斯涌出强度大 3号煤层多采用放顶煤开采，一次采出厚度大，多数工作面日峰值产量大于10kt，工作面前方暴露的煤壁面积大，瓦斯的涌出量大，如余吾矿各工作面绝对瓦斯涌出量为31.45～50.75m3/min。

(2)采空区瓦斯涌出量占比大 随着工作面的不断推进，煤层上覆岩层不断垮落，破碎的岩层和遗煤在釆空区内堆积，形成多孔介质，为釆空区内瓦斯的渗流和扩散形成了通道。支架上方顶煤及遗留在釆空区的浮煤富含的瓦斯不断涌入采空区，这些瓦斯在漏风流和瓦斯压力梯度的作用下部分进入裂缝带、部分向工作面和尾巷内涌出。潞安集团多个矿井观测显示，采空区瓦斯涌出量占整个工作面瓦斯涌出量的38.4%。

(3)局部区域瓦斯易积聚 单纯依靠通风难以解决工作面瓦斯问题，在上隅角会频繁出现瓦斯积聚现象，此外，在放煤过程中放煤口也会出现瓦斯积聚，采空区和裂缝带瓦斯也很难进行充分抽采，容易形成高浓度的瓦斯库。

2 不同巷道布置方式适应性分析

为解决高瓦斯低透单一厚煤层开采安全问题，主要采用工作面多巷布置方式配合高强度井下抽采措施，其中，应用较多的工作面巷道布置方式包括以下几种[7-8]：

(1)单U布置 这种方式系统简单，经济，适用于采空区瓦斯涌出量不大的工作面。

(2)两进两回双U布置 较常规单U布置又增加了一个U型通风系统，双U巷道之间用横贯联通，可提高上隅角和采空区瓦斯治理效果，但巷道掘进量大，适用于不易自燃煤层。

(3)两进一回布置 根据回采巷道的条数不同分为2条回采巷道的沿空留巷Y型通风和3条回采巷道的偏Y型通风，可有效解决上隅角瓦斯积聚问题，但该系统存在采空区瓦斯积聚问题。巷旁充填材料的选择是沿空留巷能否成功的关键，潞安集团下属矿井试验过矸石堆垛、砌体墙、高水材料充填支护、浇筑混凝土隔墙等沿空留巷方式。

(4)三进一回布置 工作面供风量增大，风排瓦斯的能力更强，但与此同时，巷道的掘进量增大，且增加一个煤柱损失。

对长治地区典型巷道布置方式工作面进行了现场观测。观测结果如表1所示。随着服务单个工作面巷道数量的增加，供风量随之增大，有利于增加风排瓦斯能力，但造成巷道掘进率增加，资源采出率下降。多巷布置方式下，除两进一回布置可实现无煤柱开采外，其他工作面采出率在75%～78.3%之间，单U布置工作面采出率81.8%，都有大量的煤柱损失存在。但各布置方式治理上隅角瓦斯的效果均不理想，且对采空区瓦斯无针对性的抽采措施，在高强度开采条件下，易造成上隅角瓦斯频繁超限。

表1 不同巷道布置方式工作面瓦斯治理效果

3 巷道布置方式优化研究

近几年随着顶板定向应力处理技术(聚能爆破、水力定向压裂)的发展，可对巷道压力异常显现区域顶板进行优化处理。浇筑混凝土隔墙法沿空留巷虽然有价材料用量大，但该方法适应性广，承载力高，现在已经被广泛接受。巷道顶板定向处理应力优化技术配合混凝土材料留巷使得本地区综放工作面留巷长度大幅增加，基本可实现全长留巷。在对不同工作面巷道布置方式系统分析基础上，基于高可靠性混凝土沿空留巷技术和高抽巷高效抽采技术，提出了适用于高瓦斯低透单一厚煤层工作面的“两进一回Y型通风+高抽巷”巷道布置方式。这种布置方式具有较强的供风和上隅角瓦斯治理能力，可实现无煤柱开采，降低万吨煤掘进率达60%以上，经济效益突出，合理设置的高抽巷可对采空区瓦斯进行高效抽采，对上隅角瓦斯超限也有一定的控制作用，抽采出的高浓度瓦斯不经过工作面和回风巷，直接由管路输送至地面，安全可靠性高。

为对比分析这种巷道布置方式的优势，采用ANSYS有限元分析软件对不同巷道布置方式下工作面通风情况及瓦斯浓度进行了模拟分析。模拟的巷道布置方式包括以下4种：单U型通风+高抽巷、Y型通风+高抽巷(两进一回，沿空留巷)、双U型通风(两进两回)、偏Y型通风(三进一回)。根据工作面的实际地质情况，同时考虑到采场实际条件的复杂性，对其进行了等效简化，设置几何模型的尺寸规格如表2所示，图1为建立的模型拓扑和网格划分。

表2 采场模型几何尺寸

图1 模型拓扑和网格划分

表3为数值模拟的各方案上隅角瓦斯浓度对比结果。

从表3中可以得到以下结论：

(1)两进两回双U型通风和三进一回偏Y型通风方式易造成裂缝带和采空区瓦斯积聚，工作面上隅角和回风巷均出现了不同程度的超限。

(2)U型通风配合高抽巷与Y型通风配合高抽巷抽采的效果都比较理想，采空区临近工作面的区域瓦斯浓度得到了显著的控制，而上隅角的瓦斯浓度均能降低至1%以下。

(3)Y型通风+高抽巷的抽放效果较U型通风+高抽巷抽放效果对瓦斯含量高的工作面安全系数更高，即Y型通风+高抽巷布置方式更能适应瓦斯含量大或开采强度大的工作面。

4 现场应用效果分析

高河矿E1315工作面采用“两进一回Y型通风+高抽巷”巷道布置方式，沿空留巷材料选用高强度混凝土，留巷巷道作为回风巷使用，临近工作面的两条巷道均作为进风巷，总供风量4400m3/min，其中胶带巷配风量3000m3/min。高抽巷净宽3.0m，净高2.8m，距回风巷水平距离40m，距煤层顶板垂直距离35m。该工作面生产期间，最高日产量32kt，工作面具备年产8Mt生产能力，工作面采出率较原三进一回布置方式提高11.7%。观测期间，工作面瓦斯和上隅角瓦斯均未出现超限现象，回风流瓦斯浓度降低了55.7%，上隅角最大瓦斯浓度降低了38.8%，风排瓦斯量降低了49.3%，高抽巷抽采工作面瓦斯涌出量占比30%～55%，说明Y型通风+高抽巷布置方式可满足3号煤层综放工作面高强度开采需要。

5 结 论

(1)高瓦斯低透单一厚煤层工作面瓦斯涌出强度大，采空区瓦斯涌出量占比高，多巷布置方式不仅巷道掘进率高，且局部区域易造成瓦斯积聚现象。

(2)“两进一回Y型通风+高抽巷”巷道布置方式具有较强的供风和上隅角瓦斯治理能力，设置的高抽巷可解决采空区瓦斯进行高效抽采，降低了巷道掘进量和煤柱损失，具有经济和安全上的先进性。

(3)现场应用表明，“两进一回Y型通风+高抽巷”工作面基本杜绝了上隅角瓦斯超限问题，风排瓦斯浓度降低了49.3%，改善了工人作业环境，为国内其他类似条件煤层开采提供了良好借鉴。

[1]王家臣，范志忠.厚煤层煤与瓦斯共采的关键问题[J].煤炭科学技术，2008，36(2)：1-5.

[2]程远平，俞启香.中国煤矿区域性瓦斯治理技术的发展[J].采矿与安全工程学报，2007，24(4)：383-390.

[3]袁 亮.卸压开采抽采瓦斯理论及煤与瓦斯共采技术体系[J].煤炭学报，2009，34(1)：1-8.

[4]程远平，俞启香，袁 亮，等.煤与远程卸压瓦斯安全高效共采试验研究[J].中国矿业大学学报，2004，33(2)：132-136.

[5]李宗翔.综放工作面采空区瓦斯涌出规律的数值模拟研究[J].煤炭学报，2002，27(2)：173-178.

[6]何利文，施式亮，刘 影.回采工作面瓦斯涌出的复杂性及其度量[J].煤炭学报，2008，33(5)：547-550.

[7]吴世跃，郭勇义.Y型通风方式治理高产综采面瓦斯的研究[J].西安科技学院学报，2001，21(3)：205-207.

[8]王彦凯，李新娟.潞安矿区低透气性松软单一煤层立体化瓦斯抽采技术探索[J].煤炭工程，2010，42(8)：49-50.

[责任编辑：周景林]

Roadway Optimal Layout of Working Face with High Gas and Low Permeability Single Coal Seam

SUN Xiao-dong1，2，3，4

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；2.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；3.China Academy of Sciences of Engineering Geological Mechanics Key Laboratory，Geology and Geophysics Institute of China Academy of Sciences，Beijing 100029，China；4.Chinese Academy of Sciences University，Beijing 100049，China)

To the problems of methane accumulation in some local region that induced ultra high gas emission of high gas and low permeability single coal seam working face，then the adaption of different roadway layout style were analyzed by theory analysis，field observation and numerical simulation and so on.The results showed that some problems appeared in multiple roadways layout style，which is about roadway driving rate is high，resource recovery ratio is low and gas in upper corner is overrun easily，based on high reliability cement retaining roadways along goaf technology and high effect drainage technology high level suction roadway，then the roadway layout style of ‘two intakes and one return ‘Y’ style ventilation and high level suction roadway’ was put forward，the field practical showed that non coal pillar mining would be realized，and the problems that methane overrun in upper corner and methane emission largely in goaf were solved，it references for other similar situation in home.

high gas；single coal seam；roadway layout；Y style ventilation

2016-06-08

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.06.008

国家自然科学青年基金资助项目 (51504135)

孙晓冬(1984-)，男，河南清丰人，助理研究员，博士研究生，研究方向为煤矿安全高效开采及工程地质灾害防治。

孙晓冬.高瓦斯低透单一厚煤层工作面巷道布置方式优化研究[J].煤矿开采，2016，21(6)：28-30.

TD802

A

1006-6225(2016)06-0028-03