综采工作面通风系统优化及瓦斯治理效果分析

2024-01-07张立卓姬忠峰

山西冶金 2023年7期

云霄，张立卓，姬忠峰

（中检集团公信安全科技有限公司，山东枣庄 277101）

1 25102 综采工作面概述

鑫臻煤矿25102 综采工作面位于二水平5-1 煤一盘区，一水平3-1 煤13201、13202 采空区下方，25102 主运顺槽东侧为25103 备采工作面，25102 回风顺槽西侧为25103 准备工作面，保护煤柱为20 m，25102 工作面切眼距离井田边界25 m，距离寸二矿3-1 煤22111 工作面28.4 m，距离5-1 煤31201 工作面204.8 m。25102 工作面掘进长度2 285.4 m，回采长度为2 149.8 m，宽度249.2 m，煤层厚度为5.62～6.18 m，平均煤厚5.9 m，本工作面计划于2021 年11 月中旬开始回采[1-2]。

瓦窑坡煤矿绝对瓦斯涌出量为0.67 m3/min，相对瓦斯涌出量为4.43 m3/t，属瓦斯矿井。25102 综采工作面前期主要采用“U”型通风系统，工作面设计配风量为1 826 m3/min，由于受工作面通风系统及瓦斯抽采技术限制，工作面回采前期上隅角频繁出现瓦斯超限现象，最大瓦斯浓度达1.7%，回采煤层瓦斯抽采率不足22%。

2 工作面通风系统优化

为了解决25102 工作面传统“U”型通风时风阻大、上隅角瓦斯超限等技术难题，决定对工作面通风系统进行合理优化，提出了“Y”型通风系统。

2.1 通风系统构筑

25102 工作面回风顺槽西侧为25103 准备工作面，中间预留保安煤柱宽度为25 m，构筑“Y”型通风系统前，在25102 回风顺槽与25103 工作面回风顺槽之间施工通风横贯，横贯布置间距为100 m，横贯断面规格为宽×高=3.5 m×3.0 m；在横贯顶板往下1.5 m 处安装1 趟直径为132 mm 的瓦斯抽采钢管，如图1 所示。

图1 25102 工作面“Y”通风平面示意图

在对工作面进行回采时，25102 运输顺槽为主进风巷，回风顺槽为辅助进风巷，位于原工作面上隅角处沿空留巷，留巷段为主回风巷，风流通过沿空巷、通风横贯进入25103 回风顺槽内，最后进入盘区总回风巷，“Y”型通风系统总配风量为1 540 m3/min，其中25102 运输顺槽配风量为1 040 m3/min，回风顺槽配风量为500 m3/min。

2.2 通风系统沿空巷维护

当通风横贯进入采空区3.0 m 处时，进行沿空留巷支护，布置一排挡矸支架，挡矸支架由工字钢顶梁和U29 棚腿组成，顶梁长度为0.5 m，棚腿长度为3.5 m，挡矸支架支设间距为0.5 m。

挡矸支架支设完成后，在同一排支架上挂风筒布以及钢筋网，钢筋网与挡矸支架之间采用铅丝进行捆绑。钢筋网采用直径为6 mm 的圆钢焊接而成，每片钢筋网长度为1.5 m、宽度为1.0 m。

钢筋网铺设完成后，在钢筋网外侧挂设水泥帘，每卷水泥帘长度为5.0 m、宽度为2.0 m，水泥帘一端通过锚杆固定在沿空巷顶板上，水泥帘的质量为45 kg/m，相邻2 卷水泥帘搭接宽度为0.5 m。

3 工作面综合瓦斯抽采技术

3.1 采空区埋管瓦斯抽采

为了对采空区瓦斯进行抽采，在进行沿空留巷时，在位于采空区侧巷帮安装瓦斯抽采软管，软管直径为110 mm，软管延伸采空区内长度为10 m，软管端头安装直径为110 mm 的法兰盘，软管沿沿空巷走向布置，布置间距为10 m，每段沿空巷布置5 根采空区瓦斯抽采软管[3]。

在所有瓦斯抽采软管法兰盘上安装1 个混合器，混合器变头法兰盘直径为132 mm，在混合器法兰盘与通风横贯上瓦斯抽采管之间安装1 根抽采软管，将通风横贯瓦斯抽采管路与15103 回风顺槽内安装的主瓦斯抽采管路进行连接，主管路直径为800 mm，主管路与采区临时瓦斯抽采泵站连接[4]。

3.2 迈步式顺层钻孔瓦斯抽采

瓦斯抽采钻孔沿工作面回风顺槽、运输顺槽侧煤壁布置，回风顺槽侧钻孔在超前工作面50 m 布置，布置间距为20 m，钻孔开口位置距顶板1.0 m，钻孔深度为100 m，钻孔直径为75 mm，钻孔以5°俯角布置。

运输顺槽处瓦斯抽采钻孔超前工作面60 m 布置，钻孔布置间距为20 m，钻孔水平投影与回风顺槽钻孔呈交错迈步式布置，钻孔深度为100 m，直径为75 mm，钻孔开口位置距底板间距为1.0 m，且以5°仰角布置。

顺层钻孔布置完成后，对钻孔内安装瓦斯抽采支管，将支管与横贯内管路连接进行瓦斯抽采，单孔瓦斯抽采时间不得低于10 d，当工作面推进至距抽采钻孔3.0 m 时立即停止抽采，并对钻孔进行封堵。

3.3 高位裂隙钻孔抽采

工作面回采过程中，受采动影响，上覆顶板出现裂隙，形成瓦斯富集区，为了避免顶板垮落过程中富集区瓦斯涌入工作面，对顶板裂隙区布置高位裂隙钻孔[5]。

为了实现高位裂隙钻孔施工、瓦斯抽采与工作面回采协同作业，将高位裂隙钻场布置在通风横贯内，钻场布置间距为30 m，每个钻场内布置4 个高位裂隙钻孔，如图2 所示。

图2 25102 工作面瓦斯抽采施工平面示意图（未标单位：mm）

钻孔编号为1 号、2 号、3 号、4 号，钻孔直径为75 mm，深度为80 m，其中1 号钻孔水平偏角为5°，2号钻孔水平偏角为10°，3 号钻孔水平偏角为15°，4 号钻孔水平偏角为20°，钻孔布置仰角为15°。

4 实际应用效果分析

4.1 “Y”型通风优点分析

1）解决了上隅角瓦斯超限问题：采用传统的“U”型通风系统时，工作面回风顺槽侧存在上隅角，而采用“Y”型通风系统后，改变了工作面风流流动线路，解决了上隅角处窝风现象；同时对工作面采用沿空留巷，后期可通过沿空巷进行采空区分源抽采，能够进一步提升矿井抽放系统能力，充分防治瓦斯涌出。

2）减少了采空区漏风量：采用传统“U”型通风时，由于工作面两端存在风压差，风流进入工作面后，在风压差作用下，架间间隙形成漏风通道，导致采空区内漏风量大，工作面风阻大；而采用“Y”通风系统后，工作面两端头巷道均为进风巷，在工作面上下隅角处风压差小，减少了采空区漏风量，降低了风阻，提高了工作面通风效率。

4.2 瓦斯抽采效果分析

4.2.1 降低了上隅瓦斯浓度

25102 工作面采用“Y”型通风系统后，解决了传统“U”型通风时上隅角“窝风”现象，同时通过沿空巷埋管进行采空区瓦斯抽采，减少采空区瓦斯向上隅角涌出现象。由图3-1 可知，工作面回采在40 m 范围内上隅角处瓦斯积聚升高，主要原因由两方面：一方面是沿空巷中风流为工作面总回风流，回风中含瓦斯；另一方面是工作面回采前40 m 采空区瓦斯抽采效率低，未达到设计负压值，造成局部采空区瓦斯向沿空巷内涌出。在40 m 后上隅角处瓦斯趋于稳定，最大瓦斯浓度（体积分数）为0.44%。

图3 综采瓦斯抽采后工作面瓦斯抽采量及上隅角瓦斯浓度变化曲线图

4.2.2 提高了工作面瓦斯抽采率

25102 工作面采用采空区埋管、顺槽钻孔以及高位裂隙孔瓦斯抽采后，工作面瓦斯抽采效率得到了明显提高。根据图3-2 可知，抽采前期由于采空区、顶板裂隙以及煤层内富含高浓度瓦斯，在工作面推进前50 m 范围内，采空区、煤层以及裂隙带瓦斯抽采量呈直线上升趋势，随着抽采负压的提高，煤层及采空区内瓦斯浓度降低，抽采量逐渐降低，最终采空区瓦斯抽采量稳定在15.4 m3/min，高位钻孔瓦斯抽采量稳定在10 m3/min，煤层瓦斯抽采量稳定在22.3 m3/min；工作面瓦斯总抽采率达42.8%，总回风流中瓦斯浓度低于0.7%。