新景矿综采工作面Y型通风瓦斯治理技术

2019-08-08刘飞

陕西煤炭 2019年4期

刘飞

(山西新景矿煤业有限责任公司，山西阳泉 045000)

0 引言

沿空留巷即在工作面回采过程中保留维护原有巷道作为下一工作面进风巷使用，有效实现了无煤柱护巷和资源节约高效开采[1]。对于吸附性强、瓦斯含量大的煤层，虽然采用先抽后采、边采边抽的治理方式取得了一定效果，但由于工作面回采单位时间内涌出的瓦斯量大，采用U型通风方式工作面上隅角及回风顺槽瓦斯含量经常超标，严重威胁工作面的安全和高效生产，瓦斯问题一直没有得到彻底解决，随着开采深度和开采强度的增加，瓦斯灾害威胁日益严重[2]。沿空留巷技术实现了Y型通风，消除了U型通风上隅角产生涡流而导致瓦斯积聚的现象[3]。但回采过程中留巷侧紧邻采空区，风流负压下带出采空区留煤瓦斯，同时上覆邻近层卸压瓦斯也会涌入工作面，留巷段及回风巷瓦斯超限现象时有发生，因此在保持Y型通风基础上，配合采空区和邻近层抽放技术才能有效解决工作面瓦斯超限，才能提高安全开采水平。

1 工作面概况

新景矿位于阳泉市西部，井田面积64.747 km2，其中3#煤层为突出煤层，属于煤与瓦斯突出矿井。3213综采工作面井下位于佛洼采区南翼中部，东为7211工作面(已采)，北隔采区大巷为3214工作面(正采)，西为3215工作面(正掘)，南为太旧高速公路保护煤柱。工作面位于525水平，地面标高977～1 078 m，工作面标高451～522 m，埋藏深度为450～490 m。工作面采长231～222 m，可采走向长1 533 m；煤层总厚1.62～2.88 m，平均煤厚2.50 m，煤体容重为1.4 t/m3，回采率为95%，可采储量为111.79万t，煤体瓦斯压力0.75～1.57 MPa，瓦斯含量7.3～17.82 m3/t，为典型的高突工作面。

工作面直接顶为1.25 m的灰黑色砂质泥岩，含植物化石，局部受老顶砂岩冲蚀不存在。基本顶为5.3 m的中粒砂岩，直接底为1.6 m的灰黑色砂质泥岩，顶板较为稳固，回采过程中很少出现冒顶事故，适用于沿空留巷柔模支护技术。

2 沿空留巷Y型通风布置方式

沿空留巷是将上一工作面的顺槽保留下来留给下一个工作面使用，因此可以回收留设的保安煤柱，节约了大量的煤炭资源，并且少掘一条巷道，有利于采掘部署[4]。沿空留巷采用的两进一回的Y型通风方式，即工作面的上、下巷同时进风，另一条巷回风，这种通风方式可以有效防止上隅角瓦斯积聚，并且各种设备、管道都在新鲜风流中，极大地提高了回风巷的安全性[5]。3213回采工作面共设计有4条通风巷道：1条进风巷，1条第二辅助进风巷，1条第一辅助进风巷，1条回风巷，即“三进一回”Y型通风系统，辅助进风巷通过“柔模”支护沿采空区留巷。第一辅助进风巷沿空留巷段采用“柔模”内填充钢筋混凝土巷旁支护，每段“柔模”尺寸为长3 m，高2.5 m，宽1.5 m。留巷段由于矿压剧烈，巷道变形严重，每隔5 m间距左右交错加设木垛支撑巷道顶板。沿空留巷布置方式如图1所示。

图1 沿空留巷布置图

工作面配风设置为进风巷1 728 m3/min，第一辅助进风巷798 m3/min，第二辅助进风巷448 m3/min，回风巷2 982 m3/min。辅助进风巷留巷段通过横贯与回风巷贯通，工作面污风经回采工作面通过留巷段沿着回采反方向流动，同时采空区瓦斯也流向留巷段与工作面污风混合后汇入回风巷，采空区瓦斯流动方向如图2所示。

图2 采空区瓦斯流动方向示意图

3 工作面瓦斯来源及抽采方式

3.1 工作面瓦斯来源

从3#煤层邻近层关系及具体开采情况来看，工作面瓦斯涌出来源主要是开采层涌出。开采层瓦斯涌出包括煤壁瓦斯涌出、本煤层落煤和采空区丢煤瓦斯涌出和工作面下隅角管理不够，漏风较严重。回风上下隅角放顶不及时，导致存在较大空间，如上隅角后方由于瓦斯大量涌出，风流中有大量瓦斯。3213工作面瓦斯涌出情况见表1。

表1 3213工作面瓦斯涌出情况

3.2 回采前瓦斯抽采方式

在回风顺槽和运输顺槽内，钻孔设计927个，单孔深度120 m，钻孔间距1.5 m，共计安装主管路900 m，评价单元9个，目前工作面抽采浓度为21%，抽采负压为15.9 kPa，混合量55.92 m3/min，纯量11.7 m3/min。经过8个月的抽采，煤层瓦斯含量由平均12.82 m3/t降为7.9 m3/t，累计抽放瓦斯130 000 m3左右，在回采前的抽采大大降低了瓦斯含量，提高了抽放量。

4 采空区瓦斯治理措施及改进

4.1 预埋管路抽放采空区瓦斯

采空区遗煤瓦斯不断涌出积聚，进而在风流负压下涌向沿空留巷段和回风巷内，易造成瓦斯超限[6-7]。为保证较高的瓦斯抽采率和工作面安全生产，采用预埋管路的方法抽取采空区涌出的瓦斯。具体方法是，利用现有瓦斯抽采系统在回风巷新安设一趟φ530 mm的瓦斯抽放管，伸入回风巷闭墙以里700 mm，利用瓦斯抽采负压形成的引导动力，对采空区瓦斯进行定向引流，采空区及封闭区积聚的瓦斯流入抽放管路中，从而减少瓦斯向留巷段及回风巷的涌出。留巷与回风巷每过一个横贯封闭一次，并启封下一横贯临时闭墙作通风联络巷用，每封闭一次，将上一闭墙外瓦斯抽放管路截断，使每次瓦斯抽放管均伸出新封闭墙700 mm用以抽采此段采空区涌出的瓦斯。预埋管路抽放采空区瓦斯布置如图3所示。

图3 预埋管路抽采布置图

4.2 邻近层钻孔抽采卸压瓦斯

上邻近层处于不同的变形带，煤层卸压及瓦斯释放情况不同，处于垮落带的近距离邻近层，容易受到破坏而很快冒落，对抽放不利，处于裂隙带的邻近层，得到充分卸压，利于抽放。工程实践表明，邻近层终孔布置于裂隙带中下部抽采效果最佳，工程实践表明，邻近层终孔布置于裂隙带中下部抽采效果最佳[8]。根据新景矿3213工作面围岩地质情况及实践，裂隙带最大高度一般为8～10倍采高，即20～25 m，邻近层钻孔终孔垂高设计为15.3 m，伸入工作面投影长度25 m，钻孔共设计126个，钻孔长度51.8 m，设计角度17.2°。

当工作面周期来压期间，由于上覆岩层受到采动区域影响来压剧烈，顶板垮落变形，处于裂隙带的1#、2#邻近煤层受到顶板压力影响出现大范围变形断裂。邻近层原富含瓦斯的高应力区煤体得到卸压，其赋存瓦斯剧烈涌出，由于钻孔抽采范围有限，无法满足要求而致使出现采空区和上隅角瓦斯超限的危险，且单孔抽采范围边界区域抽采量很小。当周期来压区域正好处于抽采范围边缘区，由于瓦斯涌出量大，钻孔往往无法有效满足抽采要求。因此，钻孔间距既要小于周期来压步距，又要使相邻两孔抽采范围能有一定程度上的重叠交汇。根据对现场来压统计，3213工作面周期来压步距为12.5～14.8 m，平均为13.6 m。结合单孔抽采半径，确定邻近层钻孔间距以10 m为宜。总设计工程量为6 526 m，布孔方案如图4所示。

a-平面布置图；b-剖面布置图图4 邻近层钻孔布置示意图

4.3 瓦斯治理效果及改进计划

3213综采工作面应用沿空留巷Y型通风系统配合预埋管路抽采和邻近层卸压抽放等采空区瓦斯治理措施。通过监测统计可知，回风巷瓦斯浓度平均为0.6%，较原3214工作面回风瓦斯浓度0.8%下降了25%，上隅角瓦斯浓度控制在0.7%以下。工作面瓦斯总涌出量为59.64 m3/min，其中风排瓦斯量16.48 m3/min，降低了5.54 m3/min；瓦斯抽采量43.14 m3/min，增加了4.42 m3/min，抽采率为72.3%，提高了8.5%，瓦斯治理效果显著。

工作面采用沿空留巷Y型通风技术通过改变采空区瓦斯流动方向有效改善了上隅角瓦斯积聚问题，但同时也带来了一些问题。从现场情况来看，沿空留巷段矿压显现剧烈，巷道变形严重，最严重处行人通过出现一定困难。导致巷道风阻较大，对保障回风风量带来了困难。因此如何有效降低沿空留巷段矿压显现问题是下一步突破沿空留巷技术瓶颈的关键，可以针对相关问题采取以下技术手段：①通过起底等方式增加巷道断面，同时保证巷道表面的光滑度，从而减少巷道风阻；②成立矿压研究小组，有针对性的对矿压规律进行研究，根据实际情况制定专项支护方案；③推进水力压裂切顶的项目的顺利开展，通过水力压裂技术切断老顶，减小老顶破断距的方式降低矿压显现。