U型通风系统在高瓦斯矿井综采工作面瓦斯治理中的研究及应用

李忠亮,范军强

(山西晋煤集团 坪上煤业有限公司,山西 晋城 048203)

岳城煤矿隶属晋煤集团沁秀煤业有限公司,矿井设计生产能力1.5 Mt/a,现开采3#煤层,煤层平均厚度6.13 m,采用综合机械化分层开采。矿井绝对瓦斯涌出量203.10 m3/min,相对瓦斯涌出量73.54 m3/t,属高瓦斯矿井。

1 1308(上)工作面瓦斯治理情况

1.1 工作面“三进一回”通风系统

1308(上)工作面原始瓦斯含量为14.5 m3/t,采用分层开采工艺,上层平均采高为2.5 m,工作面切眼长度为174 m,原为“三进一回”通风系统,Ⅲ13083巷为主要进风巷,配风量1 080 m3/min;Ⅲ13081巷、Ⅲ13085巷为辅助进风巷,配风量各为650 m3/min;Ⅲ13082巷为回风巷,配风量2 450 m3/min。正常回采期间,上隅角瓦斯浓度0.15%～0.35%;工作面瓦斯浓度0.15%～0.35%;混合风流瓦斯浓度0.25%～0.50%;回风巷瓦斯浓度0.25%～0.45%，工作面风排瓦斯总量约6.12 m3/min ～11.03 m3/min。

1.2 瓦斯抽采模式

本煤层抽放:分别在工作面两侧顺槽内铺设有两趟Φ400 mm抽采管路,施工普钻交叉钻孔、千米模块钻孔实施工作面顺槽本煤层抽放[1]。Ⅲ13081巷支管瓦斯抽采量2.71 m3/min,Ⅲ13083巷支管瓦斯抽采量2.74 m3/min。

采空区抽放:在工作面回风巷铺设有一趟Φ400 mm抽采管路,通过高位钻场高位钻孔、大孔径高位钻孔、横川插管三种方式实施采空区瓦斯抽采[2]。Ⅲ13082巷支管瓦斯抽采量18.44 m3/min。

地面采动井抽放:Ⅲ1308(上)工作面回采范围共布置2口采动井,第一口位于距切眼258 m、 Ⅲ13081巷41 m处位置,在16-17横川之间;第二口位于距切眼821 m,距Ⅲ13081巷98 m处位置,在4-5横川之间。目前地面采动井未启用。

2 “四位一体”的采空区瓦斯抽采模式

1308(上)综采工作面回采时采空区瓦斯涌出量占工作面回采时瓦斯涌出总量的65%,采空区瓦斯涌出量大[3],通过U型通风系统试验解决采空区瓦斯涌出的问题,采取多种抽采措施消除采空区瓦斯威胁,降低工作面风排瓦斯量[4]。

1)施工大孔径高位钻孔,实施采空区瓦斯抽采。Ⅲ1308(上)采面在Ⅲ13082巷3横川、11横川及辅助回风巷施工大孔径高位钻孔,使用定向钻机施工,钻孔孔径113 mm,将钻孔均匀布置于距巷道顶板5倍～6倍采高的裂隙带,倾向控制范围24 m,走向控制范围200 m～300 m。

2)施工高位钻场抽采钻孔,实施采空区瓦斯抽采。在Ⅲ13082巷9横川和18横川施工高抽钻场。由Ⅲ13082巷向Ⅲ13081巷垂直方向按30°爬坡施工32 m斜巷,然后再施工6 m平巷(高抽巷位于3#煤层顶板上方12 m),采用锚网联合支护,钻场宽4 m,高2.2 m,斜巷宽2.2 m,高2.2 m,长32 m。高抽钻场内布置18个钻孔,左帮、正前及右帮各布置6个钻孔。Ⅲ1308(上)采空区瓦斯治理综合措施钻孔见图1所示。

3)启用工作面地面采动井,实施采空区瓦斯抽采。当工作面推过第一口地面采动井50 m范围时,启用采动井实施采空区瓦斯抽采,抑制采空区瓦斯涌出[5]。图2为Ⅲ1308(上)工作面地面采动井抽采示意图。

图2 地面采动井抽采示意图Fig 2 Gas drainage of well under mining

4)实施工作面尾部埋管抽放,抑制采空区瓦斯涌出。工作面推进至17横川时,沿17横川铺设上隅角尾部抽采管路,抽采源为Ⅲ13082巷采空区抽采管路;上隅角尾部埋管随工作面推进沿Ⅲ13081巷铺设,并预留抽放筛管,作为上隅角抽采实施途径。

图3为Ⅲ1308(上)采空区上隅角埋管示意图。

图3 Ⅲ1308(上)采空区上隅角埋管示意图Fig.3 Buried pipe at the upper corner in Ⅲ1308 goaf

3 “四位一体”抽采效果分析

3.1 大孔径高位钻孔抽采效果

图4为大孔径高位抽采效果图。

图4 大孔径高位钻孔抽采效果Fig.4 Drainage effect using large aperture and high position boreholes

由图4可知,U型通风系统试验期间,工作面推进导致采空区垮落,不断揭露大孔径高位钻孔,大孔径高位钻场瓦斯抽采浓度进一步增大,可有效抑制采空区瓦斯向工作面涌出，结合本工作面尾部大孔径抽采钻孔瓦斯抽采浓度分析,预计U型通风系统试验期间,大孔径高位钻孔瓦斯抽采量将提升至15 m3/min。

3.2 高抽钻场抽采效果

图5为高抽钻场抽采效果图。

图5 高抽钻场抽采效果Fig.5 Drainage effect of high level drilling

由图5所示,结合工作面高位钻场现瓦斯抽采情况分析得出,随工作面推进,高位钻孔将逐步揭露,届时瓦斯抽采量将进一步增大,可较好的抑制采空区瓦斯涌出,为工作面试验U型通风系统创造条件。预计工作面试验U型通风系统期间,高位钻场瓦斯抽采量可达20 m3/min。

结合以往采动井在我矿抽采情况分析,预计本工作面采动井投运后瓦斯抽采浓度可达20%～35%,抽采瓦斯量可达3.80 m3/min ～6.65 m3/min。

结合以往尾部埋管抽采情况分析,预计本工作面尾部埋管抽采瓦斯浓度可达3%～5%,抽采瓦斯量可达1.5 m3/min ～2.0 m3/min

综合上述抽采参数分析,试验U型通风系统期间,采空区瓦斯抽采量预计可达40 m3/min以上,能够较好的抑制采空区瓦斯涌出,达到一定的瓦斯治理效果,为试验U型通风系统夯实基础工作。

4 U型通风效果检验

4.1 系统情况

U型通风系统试验期间,Ⅲ1308(上)综采工作面为U型通风系统,工作面外圈巷道为瓦斯治理巷道、U型全风压通风。工作面U型系统中,Ⅲ13083巷进风,Ⅲ13081巷回风;外圈瓦斯治理巷道通风系统中,Ⅲ13085巷进风,Ⅲ13082巷回风。Ⅲ1308(上)综采工作面U型通风系统见图6所示。

图6 Ⅲ1308(上)综采工作面U型通风系统Fig.6 U-shaped ventilation system in upper Ⅲ1308 fully-mechanized mining face

4.2 配风情况

1)工作面U型系统:Ⅲ13083巷进风1 100 m3/min, Ⅲ13081巷回风1 120 m3/min。

2)工作面外圈瓦斯治理全风压通风巷道:Ⅲ13085巷进风800 m3/min,Ⅲ13082巷回风820 m3/min。

4.3 瓦斯抽采情况

4.3.1本煤层抽采情况

Ⅲ13081巷本煤层支管抽采浓度10.5%,抽采纯量0.8 m3/min;Ⅲ13083巷本煤层支管抽采浓度13%,抽采纯量0.6 m3/min。

4.3.2采空区抽采情况

1)高位钻场抽采:Ⅲ13082巷18横川高位钻场抽采浓度13%,抽采纯量1.7 m3/min;Ⅲ13082巷9横川高位钻场抽采浓度8.5%,抽采纯量0.08 m3/min。

2)大孔径钻孔抽采:Ⅲ13082巷11横川大孔径高位钻孔抽采浓度55%,抽采纯量4.9 m3/min;辅助回风大孔径高位钻孔抽采浓度11%,抽采纯量3.9 m3/min。

3)横川埋管抽采:Ⅲ13082巷采空区支管负责横川埋管抽采,试验期间,增加13横川埋管抽采。支管抽采浓度3.2%,抽采混量51.5 m3/min,抽采纯量1.6 m3/min。

4)地面采动井抽采:开启地面YCCD-06采动井抽采,抽采浓度52%,抽采纯量3.5 m3/min。

5)采空区集中抽采:试验期间,除Ⅲ13082巷采空区支管在13横川埋管抽采外,另由南轨巷引入一趟采空区支管专门负责13横川埋管抽采,抽采浓度1.9%,抽采混量39.8 m3/min,抽采纯量0.7 m3/min。

4.4 瓦斯情况

U型通风系统试验综采工作面正常回采期间,上隅角瓦斯浓度0.30%～0.50%;工作面瓦斯浓度0.30%～0.45%;回风巷瓦斯浓度0.25%～0.45%。

工作面风排瓦斯总量约2.8 m3/min～5.04 m3/min。

5 结束语

经试验,岳城煤矿上分层综采工作面可通过抽放手段解决采空区瓦斯对工作面安全生产的威胁,消除采空区通风,实现系统简化的目标。针对综采工作面采空区瓦斯采取井上下联合抽采的手段可以抑制采空区瓦斯向上隅角和回风巷涌出,实现上隅角瓦斯可控,有效降低工作面风排瓦斯量。