徐景德，齊睿琛，彭興力，楊 鑫

(華北科技學(xué)院 研究生處，北京 東燕郊 101601)

王家?guī)X煤礦工作面上隅角瓦斯治理的技術(shù)研究

徐景德，齊睿琛，彭興力，楊 鑫

(華北科技學(xué)院 研究生處，北京 東燕郊 101601)

通過實(shí)驗(yàn)參數(shù)測試和現(xiàn)場觀測，分析了王家?guī)X煤礦瓦斯賦存和涌出特點(diǎn)：煤層瓦斯含量低，煤層透氣性差,瓦斯釋放時間長。結(jié)合王家?guī)X煤礦開拓開采方法和巷道布置特點(diǎn)，確認(rèn)礦井回采工作面上隅角瓦斯超限是由于采用“U”型通風(fēng)系統(tǒng)，上隅角存在回流區(qū)，采空區(qū)積累大量瓦斯。根據(jù)理論分析和現(xiàn)場觀測，提出了用“U套U”型通風(fēng)系統(tǒng)代替“U”型通風(fēng)系統(tǒng)的處理措施，取得了良好效果。

工作面通風(fēng)系統(tǒng)；上隅角；風(fēng)排瓦斯；采空區(qū)

0 引言

王家?guī)X煤礦隸屬山西中煤華晉能源有限責(zé)任公司，位于山西省河津市，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為6.0 Mt/a，主采煤層2#煤層平均厚度為6.20 m。王家?guī)X煤礦礦井絕對瓦斯涌出量為64.39 m3/min；相對瓦斯涌出量為5.10 m3/t。屬于傳統(tǒng)意義上的低瓦斯礦井。雖然王家?guī)X煤礦的通風(fēng)系統(tǒng)供風(fēng)滿足需要，但是。主采工作面上隅角在正常生產(chǎn)期間基本穩(wěn)定在0.4%～0.5%之間，工作面瓦斯?jié)舛仍?.1%～0.3%之間，放頂煤時，上隅角瓦斯?jié)舛确逯悼梢赃_(dá)到0.7%。防治上隅角瓦斯超限成為礦井通風(fēng)的主要任務(wù)[1-3]，需要開展防治工作面上隅角瓦斯超限為主要任務(wù)的瓦斯綜合治理研究。

1 王家?guī)X礦井及主采工作面概況

1.1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)

王家?guī)X礦通風(fēng)方式為中央分列式，通風(fēng)方法為抽出式，由主、副平硐和碟子溝進(jìn)風(fēng)斜井進(jìn)風(fēng)，碟子溝回風(fēng)斜井回風(fēng)。在回風(fēng)斜井井口附近安裝2臺GAF33.5-17-2軸流式風(fēng)機(jī)，通風(fēng)等級孔為7.3 m2、通風(fēng)機(jī)負(fù)壓2340 Pa，掘進(jìn)通風(fēng)采用壓入式。礦井總進(jìn)風(fēng)量17530 m3/min，其中，主平硐風(fēng)量970 m3/min，副平硐風(fēng)量3140 m3/min、碟子溝進(jìn)風(fēng)斜井風(fēng)量13420 m3/min。碟子溝回風(fēng)斜井總排風(fēng)量17750 m3/min。

1.2 主采工作面概況

礦井回采工作面為20102和20103兩個綜采放頂煤工作面，其中主采工作面20102采煤機(jī)割煤高度為3.0 m，工作面面長為250 m，工作面走向長度為1850 m，煤層傾角平均為3°，煤層頂板為泥巖，粉砂巖，易離層或片幫。采用運(yùn)煤巷進(jìn)風(fēng)，工作面回風(fēng)巷回風(fēng)，工作面大約平均日推進(jìn)6.4 m。回采方式采用長壁后退式綜合機(jī)械化放頂煤開采，自然垮落法管理頂板[4]。

圖1 王家?guī)X煤礦20102工作面

2 王家?guī)X礦井采煤工作面上隅角瓦斯來源分析

2.1 王家?guī)X煤礦煤層瓦斯的賦存及涌出特性

表1是王家?guī)X2#煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)。由此可知，王家?guī)X煤層瓦斯的吸附性比較強(qiáng)，放散速度比較慢，具有較好的隔氣性，煤層中的瓦斯容易被保存下來，2#煤層瓦斯含量隨著采深的增加而增大。

表1 王家?guī)X2#煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)

采煤工作面瓦斯來源于兩個方面，一是采煤工作面煤壁及采落的煤塊；二是來自采空區(qū)[5]。王家?guī)X煤礦先采用以風(fēng)量控制瓦斯為主的主要治理方式，經(jīng)過對工作面風(fēng)量由低到高(1600～2200 m3/min)進(jìn)行調(diào)整后不斷觀測發(fā)現(xiàn)，風(fēng)量低會導(dǎo)致工作面回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛认鄬^高。風(fēng)量過高雖然對回風(fēng)巷瓦斯能得到有效的治理，但上隅角瓦斯?jié)舛认鄬ζ撸?，最終得到的結(jié)果工作面生產(chǎn)期間風(fēng)量在1800～1900 m3/min之間上隅角和回風(fēng)巷的瓦斯為最低時期。(如圖2所示)

圖2 風(fēng)量與瓦斯涌出量關(guān)系圖

2.2 回采工藝及各個工序?qū)ぷ髅嫔嫌缃峭咚節(jié)舛扔绊懙年P(guān)系

根據(jù)采空區(qū)遺煤對上隅角瓦斯?jié)舛扔绊懙睦碚撃Ｐ徒⒌纳嫌缃翘幫咚節(jié)舛鹊挠?jì)算公式(1)[6]，計(jì)算出采空區(qū)內(nèi)上隅角處的瓦斯?jié)舛取?0102工作面上隅角瓦斯?jié)舛壤碚撋蠎?yīng)該在0.55%左右。

(1)

式中：μ—?dú)怏w的動力粘性系數(shù)，取1.8×10-5Pa·s；

K—采空區(qū)的滲透率；

P1、P2—下、上隅角處的風(fēng)流靜壓，Pa；

hr—遺煤的厚度；

ρc—煤的密度，kg/m3；

L—工作面長度，m；

f—單位時間單位質(zhì)量的煤放出的瓦斯量(體積)。

通過工作面作業(yè)循環(huán)的瓦斯?jié)舛葯z測峰值，分析了各個工序?qū)ぷ髅嫔嫌缃峭咚節(jié)舛鹊挠绊?。采煤工作面上隅角在正常生產(chǎn)期間基本穩(wěn)定在0.4～0.5%之間，工作面瓦斯?jié)舛仍?.1～0.3%之間，但在放煤期間上隅角瓦斯?jié)舛热杂猩仙厔?，可以作為生產(chǎn)工藝中最影響工作面上隅角瓦斯?jié)舛鹊闹笜?biāo)。放頂煤時，上隅角瓦斯?jié)舛确逯悼梢赃_(dá)到0.7%[7,8]。

圖3 各個生產(chǎn)工序與上隅角瓦斯?jié)舛鹊年P(guān)系

圖4 工作面產(chǎn)量和上隅角瓦斯?jié)舛鹊年P(guān)系

根據(jù)圖3和圖4可知，上隅角瓦斯?jié)舛?、工作面瓦斯?jié)舛?、回風(fēng)流瓦斯?jié)舛榷紩S著工作面的產(chǎn)量呈上升趨勢。產(chǎn)量的增加跟各個生產(chǎn)工藝有密切的聯(lián)系，尤其是割煤和放煤的時候是工作面生產(chǎn)的最重要環(huán)節(jié)。這也間接的說明了，在割煤和放煤的時候是大量瓦斯涌出的時候，當(dāng)產(chǎn)量達(dá)到11000 t的時候，上隅角瓦斯?jié)饽苓_(dá)到0.65%左右。如果當(dāng)?shù)V井真正達(dá)到高產(chǎn)高效礦井“一井一面”時候，瓦斯涌出量會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)在，而到時候上隅角瓦斯?jié)舛瓤隙〞蕖Ｒ虼?，就以現(xiàn)在的情況為依據(jù)來看，在回采的時候放頂煤會伴隨大量的瓦斯涌出，預(yù)計(jì)達(dá)到0.7%。

綜合來說，不同采煤工序其瓦斯涌出量有所不同。采煤時瓦斯涌出量增加,瓦斯涌出變化較大；回柱時工作面瓦斯涌出量也有明顯增加，瓦斯涌出變化較緩慢，滯后于回柱工序，并在回柱后持續(xù)較長一段時間；放煤時工作面瓦斯很快上升,并在放煤后持續(xù)較長時間[9,10]。

3 20102工作面上隅角瓦斯超限治理

3.1 王家?guī)X通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)排瓦斯能力分析

王家?guī)X礦井的工作面上隅角及回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛冉?jīng)常會超出規(guī)定值,礦井曾經(jīng)采用上下隅角掛設(shè)風(fēng)帳、定向高位鉆孔抽采措施和本煤層采空區(qū)尾部埋管抽采等措施，但由于難以管理原因，治理效果不理想。

礦井及工作面風(fēng)排瓦斯能力的計(jì)算公式(2)如下[11]：

Qg=Q×C×100

(2)

式中：Qg—礦井風(fēng)排絕對瓦斯涌出量，m3/min；

Q—風(fēng)量， m3/min；

C—風(fēng)流中的平均瓦斯?jié)舛龋?。

目前礦井絕對瓦斯涌出量為64.39 m3/min，其中，采煤工作面(2個)總絕對瓦斯涌出量為30.26 m3/min，占整個盤區(qū)絕對瓦斯涌出量的61.13%；其中礦井風(fēng)排絕對瓦斯量115.58 m3/min，工作面的風(fēng)排絕對瓦斯量為35.0 m3/min，完全滿足王家?guī)X煤礦的瓦斯排放風(fēng)量要求。

通過對王家?guī)X煤礦的礦井及工作面風(fēng)排瓦斯能力分析，20102上隅角瓦斯超限問題，是由于王家?guī)X煤礦工作面使用傳統(tǒng)的“U”型通風(fēng)方式，其上隅角區(qū)域存在渦流區(qū)，導(dǎo)致瓦斯積聚，需要改變礦井工作面巷道布置，調(diào)整風(fēng)流流場結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)有效排放瓦斯的目的。

3.2 采用“U套U”型工作面通風(fēng)系統(tǒng)，改變上隅角風(fēng)流流場結(jié)構(gòu)

改造“U+U”型通風(fēng)系統(tǒng)比較合理。U+U型通風(fēng)系統(tǒng)，其通風(fēng)能力大、處理瓦斯能力強(qiáng)，能消除上隅角風(fēng)流渦流狀態(tài)，使工作面上隅角、回風(fēng)尾部聯(lián)絡(luò)巷及兩條回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛仁冀K處于受控狀態(tài)且有較大的富余系數(shù)?！癠+U”型通風(fēng)系統(tǒng)主要有“U套U”型及“U并U”型兩種形式。通過對王家?guī)X綜采工作面的實(shí)際生產(chǎn)條件及瓦斯涌出量進(jìn)行分析研究，以使用“U套U”通風(fēng)系統(tǒng)的“兩進(jìn)兩回”巷道布置方式為宜[12,13]。

具體工藝是，以20102工作面為例,回采工作面仍然采用一進(jìn)兩回的通風(fēng)方式，在回采工作面布置雙切眼，第一切眼留設(shè)在工作面后部，該切眼與瓦斯尾巷相通，第二切眼與回風(fēng)巷相通，瓦斯尾巷除仍然利用貫眼通風(fēng)外，還利用第一切眼通過全負(fù)壓給瓦斯尾巷配風(fēng)，這樣將會大大提高瓦斯尾巷的配風(fēng)量，提高風(fēng)速，從而有效稀釋了瓦斯?jié)舛龋_保了工作面安全生產(chǎn)，這樣位于外側(cè)的進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷就構(gòu)成了雙U系統(tǒng)中的大U,而位于內(nèi)側(cè)的進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷就構(gòu)成了雙U系統(tǒng)中的小U(如圖5所示)。這種大U套小U的通風(fēng)系統(tǒng)提高了工作面排瓦斯的能力,提高了開釆的安全性且大大降低了生產(chǎn)環(huán)境中的粉塵。

圖5 大U套小U通風(fēng)系統(tǒng)

通過對礦井的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造,風(fēng)排瓦斯的途徑由原先的只由回風(fēng)巷排出變?yōu)橛蓛蓷l回風(fēng)巷巷道排出,并且采空區(qū)的瓦斯通過“U套U”型通風(fēng)系統(tǒng)中的大U排出,最終解決工作面上隅角瓦斯超限問題以及局部瓦斯積聚問題[14]。

該礦區(qū)工作面采取“U套U”型通風(fēng)系統(tǒng)的改造后，上隅角瓦斯?jié)舛鹊玫搅肆己玫男Ч?，改造之前的上隅角瓦斯?jié)舛扰c改造之后的上隅角瓦斯?jié)舛葘?shí)際對比數(shù)據(jù)如下表2：

表2 改造前后上隅角瓦斯?jié)舛葘Ρ?/p>

3.3 “U套U”型工作面通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

(1)進(jìn)風(fēng)巷及回風(fēng)巷的數(shù)目都增加至兩條，提升了系統(tǒng)的通風(fēng)能力,能更好地稀釋工作面及采空區(qū)產(chǎn)生的瓦斯。

(2) “U套U”型通風(fēng)系統(tǒng)的布置,工作面的風(fēng)量在符合規(guī)定的前提下進(jìn)行了適度的減小,這樣就降低了工作面的煤塵,改善了工作人員的作業(yè)環(huán)境。

(3)大U套小U通風(fēng)系統(tǒng)中,隨著工作面的推進(jìn),大U仍可一直保留,這樣對日后釆空區(qū)各種參數(shù)的檢測提供了便利,使工作人員可以更早的發(fā)現(xiàn)異常情況,更易于防滅火措施的實(shí)施。

(4)易于回采及工作面接續(xù)，在高瓦斯礦井的通風(fēng)系統(tǒng)布置中, “U套U”型通風(fēng)系統(tǒng)是既能保證工作面高效生產(chǎn)，又能保證巷道較小掘進(jìn)和維護(hù)工作量的一種通風(fēng)系統(tǒng)。

4 結(jié)論

(1)對特大型傳統(tǒng)意義上的瓦斯礦井，其工作面上隅角瓦斯超限，采取風(fēng)排瓦斯治理是首選方式。

(2)上隅角瓦斯?jié)舛瘸拗饕脑騺碜杂谂c工作面采空區(qū)遺煤解吸速度緩慢、放頂煤時大量煤體破碎釋放的瓦斯、上下鄰近層的影響有關(guān)。

(3)實(shí)踐表明，通過調(diào)整、優(yōu)化工作面通風(fēng)系統(tǒng)改造，采用“U套U”型的工作面通風(fēng)系統(tǒng)在王家?guī)X煤礦取得了很好的的效果，解決工作面上隅角瓦斯超限的問題。該礦井區(qū)域性通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化成功經(jīng)驗(yàn)對全國其他類似礦井具有一定的借鑒作用。

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Technological Research on Gas Management of Upper Corner in Wang Jialing Working Face

XU Jing-de，QI Rui-chen，PENG Xing-li，YANG Xin

(GraduateSchool,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao，101601，China)

After experimental parameter test and field observation, the paper analyzed the characteristics of gas occurrence and emission: The content of coal seam gas is low with poor gas permeability and long gas releasing time. Combining with characteristics of exploitation scheme and roadway layout, the reason why gas exceeding the limit in mining face in the upper corner is that adopting "U" type ventilation system lead to recirculation zone in the upper corner and gas accumulation too much in the goaf. According to the theoretical analysis and field observation, we came up with "U set U" type instead of the "U" type ventilation system to solve the problem above and gained good results.

the ventilation system on working face；the upper corner；ventilation air methane；goaf

2015-12-15

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(3142014118,3142014119)

徐景德(1965-)，男，安徽安慶人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榈V井瓦斯災(zāi)害防治及安全監(jiān)管監(jiān)察。E-mail：xujd1430@126.com

TD712

A

1672-7169(2016)01-0014-05