成庄矿综放工作面通风方式改造及采空区瓦斯治理实践

赵学良，朱鹏飞，罗华贵，王 宁，王润超

(1.山西晋煤集团技术研究院有限责任公司，山西 晋城 048006； 2.晋煤集团成庄矿，山西 晋城 048026)

成庄矿回采工作面单日产量在1万t以上，为保证工作面回采期间上隅角、回风巷瓦斯浓度不超限，采用两进两回、两进三回偏Y型巷道布置方式来满足矿井生产及瓦斯治理要求。为解决采空区通风问题，需封闭工作面后部的通风联络巷，利用工作面前部通风联络巷联通回风侧和进风侧，但是出现了上隅角瓦斯浓度超限的新问题。针对上隅角瓦斯浓度超限问题，众多学者在采空区瓦斯涌出规律、顶板“三带”、O型圈理论的基础上[1-5]，针对各自研究工作面的特点，开展了以高位定向长钻孔[6]、走向高位钻孔[7]、采空区埋管[8-10]、高抽巷[11-13]为主要抽采手段的上隅角瓦斯治理技术研究，取得了良好的治理效果。笔者以成庄矿4312综放工作面为研究对象，通过强化采空区瓦斯抽采，解决上隅角瓦斯浓度超限问题。

1 工作面巷道及通风方式

4312综放工作面位于成庄矿四盘区，煤层原始瓦斯含量最大为16 m3/t，经过前期地面井、井下区域递进式千米钻孔预抽，至工作面回采时煤层瓦斯含量已经达标。工作面巷道布置方式如图1～2 所示。

图1 偏Y型通风方式示意图

图2 多巷进风U型通风方式示意图

43121巷为主要进风巷、43123巷为辅助进风巷， 43124巷为主要回风巷、43122巷为辅助回风巷。采用偏Y型通风方式时，工作面上隅角风流分别通过工作面前部和后部两个通风联络巷流向回风侧，较好地解决了上隅角瓦斯积聚问题。为避免采空区通风，需将工作面后部通风联络巷及时封闭，将工作面通风方式优化成多巷U型通风方式。

2 工作面抽采系统布置

在工作面后部通风联络巷封闭之前，采空区瓦斯通过高位钻孔抽采+风排的方式进行采空区瓦斯治理。在工作面后部通风联络巷封闭之后，进风侧风流全部通过工作面前部通风联络巷流向回风侧，导致上隅角区域气体流场负压点前移，采空区瓦斯涌出，上隅角瓦斯积聚，瓦斯浓度极易超限。在此情况下，新建井下移动泵站形成上隅角抽采系统，连接工作面后部通风联络巷密闭墙埋管，强化采空区瓦斯抽采，阻止采空区瓦斯涌向上隅角。工作面抽采系统如图3所示。

图3 4312工作面抽采系统示意图

2.1 高位钻孔布置方式

将高位钻孔钻场布置在回风侧通风联络巷内，使用千米定向钻机向采空区顶板断裂带层位施工定向长钻孔，终孔层位纵向控制在顶板以上40～50 m内，横向控制在距辅助进风巷30～50 m内，钻孔孔径为195 mm，每个钻场布置3～5个高位定向钻孔，接入 ∅350 mm抽采管路进入地面泵站，抽采断裂带积聚瓦斯，促使上隅角瓦斯向断裂带运移。

2.2 上隅角抽采系统建立

上隅角抽采系统主要作用原理：建立井下移动泵站，通过管路连接通风联络巷密闭墙埋管，在回采工作面后部采空区形成一个负压区域，该区域内瓦斯由抽采管路抽走，阻止采空区瓦斯涌向上隅角和回采区域，避免上隅角局部瓦斯积聚。

4312工作面相邻的已经回采工作面瓦斯涌出量一般约为48 m3/min，其中风排瓦斯量为32 m3/min。工作面后部通风联络巷封闭之后，上隅角瓦斯涌出量一般占到回采工作面风排瓦斯量的30%左右，因此上隅角瓦斯涌出量约为9.60 m3/min，考虑到回采工作面瓦斯涌出的不均衡性，按照1.2倍的富裕系数进行计算，最终确定回采工作面上隅角采空区瓦斯涌出量为11.52 m3/min，按照抽采瓦斯浓度(CH4体积分数，下同)2%～4%确定风流混合量为288 m3/min。最困难时期抽采瓦斯管路负压段(埋管到井下临时抽采瓦斯泵站)管路长约 2 600 m，正压段(井下临时抽采瓦斯泵站到排放位置)长约300 m。在此基础上，根据抽采设计规范，得到抽采管路内径为605 mm，抽采泵的吸气压力为72 kPa，装机能力需达到402.14 m3/min。最终选用ZJW500煤矿用湿式罗茨真空泵为主体设备建设上隅角抽采系统，连接联络巷密闭墙埋管。密闭墙埋管设施如图4所示。

1—抽采瓦斯管路；2—注浆管；3—砂(泥浆充填物)； 4—观测管；5—密闭墙；6—放水管及放水池。图4 密闭墙埋管抽采瓦斯示意图

3 应用效果分析

工作面采空区瓦斯治理技术优化为高位钻孔+联络巷密闭墙埋管(连接上隅角抽采系统)+风排模式。在井下移动泵站建成前，先安装一趟接入地面泵站的管路接抽密闭墙埋管，形成上隅角抽采系统；在井下移动泵站建成后，抽采能力增强，将后续的密闭墙埋管接入移动泵站形成上隅角抽采系统。根据工作面实际推进过程中抽采系统优化的关键节点，分4个阶段进行分析：

1)回采工作面采用偏Y型通风方式；

2)及时封闭回采工作面后部通风联络巷，此阶段密闭墙埋管接地面泵站形成上隅角抽采系统，抽采瓦斯混合量较小；

3)井下移动泵站建成，与地面泵站抽采管路一起构成上隅角抽采系统，增强了上隅角抽采系统能力；

4)以井下移动泵站为主体形成了稳定的上隅角抽采系统。

3.1 高位钻孔抽采效果分析

高位钻孔主要抽采顶板断裂带积聚瓦斯，瓦斯浓度高，以接抽高位钻孔的∅350 mm管路抽采的瓦斯混合量、瓦斯浓度、瓦斯纯量数据变化规律进行高位钻孔抽采效果分析，如图5～7所示。

图5 工作面推进过程中高位钻孔管路抽采瓦斯混合量、 瓦斯浓度变化曲线

图6 工作面推进过程中高位钻孔管路抽采瓦斯混合量、 瓦斯纯量变化曲线

图7 抽采瓦斯浓度与瓦斯混合量之间的关系曲线

抽采瓦斯混合量代表着抽采能力，其值在各个阶段变化相对稳定。由图5～7可知，高位钻孔抽采瓦斯浓度与瓦斯纯量随抽采瓦斯混合量的增大而增大，高位钻孔管路系统抽采瓦斯混合量均值为19.07～75.16 m3/min，瓦斯浓度为9.20%～35.80%，平均为23.80%；抽采瓦斯纯量为2.74～27.82 m3/min，平均为12.50 m3/min。抽采瓦斯浓度与瓦斯混合量之间是对数函数关系，抽采瓦斯纯量与瓦斯混合量之间是线性关系。

3.2 联络巷密闭墙埋管抽采效果分析

密闭墙埋管在通风联络巷上部，处于采空区垮落带，其抽采数据变化如图8～9所示。

图8 密闭墙埋管抽采瓦斯浓度、瓦斯混合量变化曲线

图9 密闭墙埋管抽采瓦斯混合量、瓦斯纯量变化曲线

密闭墙埋管抽采瓦斯混合量大、瓦斯浓度低，这是由其所在位置和上隅角抽采系统的能力决定的。由图8～9可知：阶段二中，密闭墙埋管抽采瓦合混合量为55～250 m3/min，是上隅角抽采系统的初期形成阶段，瓦斯浓度为8.26%左右，抽采瓦斯纯量为14.57 m3/min；阶段三中，抽采瓦斯混合量为460 m3/min左右，瓦斯浓度为2.80%左右，抽采瓦斯纯量为14.25 m3/min；阶段四中，抽采瓦斯混合量为420 m3/min左右，瓦斯浓度从2.80%逐渐下降至2.07%左右，瓦斯纯量从11.50 m3/min下降至8.89 m3/min，这一阶段瓦斯浓度与瓦斯纯量缓慢下降的原因一是上隅角抽采系统稳定运行，采空区瓦斯涌出与排放逐渐平衡，二是工作面回采处于末期，采空区瓦斯涌出总量在减小。从3个阶段整体分析，密闭墙埋管的抽采瓦斯浓度随抽采瓦斯混合量的增大而减小。

3.3 区域配风及回风瓦斯浓度变化规律分析

工作面回采过程中回采区域的配风量与回风巷的瓦斯浓度变化如图10所示。

图10 区域配风量、回风巷瓦斯浓度变化曲线

由图10可知，阶段一区域配风量为6 470 m3/min左右，43122回风巷瓦斯浓度为0.20%～0.42%，平均为0.27%；43124回风巷瓦斯浓度为0.21%～0.65%，平均为0.43%；工作面正常回采时，产量在10 000 t/d，“阶段一①”属于工作面初采，产量由 900 t/d 逐渐上升到6 000 t/d，“阶段一②”工作面产量为 8 500 t/d，导致了这两个小区间回风巷瓦斯浓度较低。在阶段二至阶段四配风量逐渐由5 600 m3/min下降至4 900 m3/min左右，43122回风巷瓦斯浓度为0.12%左右；43124回风巷瓦斯浓度为0.42%左右。在工作面回采过程中，工作面的配风量和回风巷瓦斯浓度同步减小。

3.4 风排瓦斯与抽采瓦斯之间的规律分析

4312工作面回采过程中各阶段瓦斯量及上隅角瓦斯浓度统计如表1所示。

表1 4312工作面回采过程中各阶段瓦斯量及上隅角瓦斯浓度统计

由表1可知，在阶段四，工作面后部通风联络巷及时封闭，工作面抽采系统、通风方式优化完成，抽采率为57.65%，上隅角瓦斯浓度为0.60%。

3.5 上隅角瓦斯浓度变化规律分析

上隅角抽采系统通过通风联络巷密闭墙埋管对采空区瓦斯进行抽采，使得工作面上隅角瓦斯浓度不超限。工作面从后部封闭的通风联络巷推进至前部通风联络巷过程中，上隅角瓦斯浓度变化规律如图11 所示。

图11 两联络巷间上隅角瓦斯浓度变化曲线

由图11可知，在工作面后部通风联络巷封闭之后，随着工作面向前推进，上隅角瓦斯浓度呈现先增大后减小的趋势。这是因为上隅角是密闭墙抽采负压与巷道配风负压相互作用的区域，在工作面推进至两联络巷中部之前，密闭墙埋管起主要作用，随着工作面与后部密闭墙埋管距离的增大，上隅角瓦斯浓度呈增大趋势；当工作面继续向前推进，其距离前部通风联络巷越来越近，配风负压逐渐起到主要作用，导致上隅角瓦斯浓度呈减小趋势；两个通风联络巷中部(即上隅角浓度稳定区域)是配风负压和密闭墙埋管抽采负压共同作用的结果。对上隅角瓦斯浓度呈增大趋势的部分进行拟合，得出在现有抽采能力作用下，通风联络巷间距为80 m时，上隅角瓦斯浓度不超1.00%。

4 结语

1)在原有的高位钻孔抽采系统的基础上，提出建立上隅角抽采系统连接工作面后部的通风联络巷密闭墙埋管，强化对采空区垮落带瓦斯进行抽采，避免上隅角瓦斯超限，得到工作面各项瓦斯治理技术措施的变化规律，并使工作面的区域配风量减小了 1 570 m3/min。

2)在工作面回采过程中，根据工作面上隅角抽采系统能力，分成4个阶段对高位钻孔和密闭墙埋管抽采数据进行了分析，其中高位钻孔抽采瓦斯纯量和瓦斯浓度随抽采瓦斯混合量的增大而增大；密闭墙埋管抽采瓦斯浓度随抽采瓦斯混合量的增大而减小，抽采瓦斯纯量变化不大。

3)在工作面从后部封闭的通风联络巷向前推进的过程中，上隅角瓦斯浓度呈现先增大后减小的趋势，工作面通风联络巷间距可以从现有的60 m扩大到80 m，保证上隅瓦斯浓度不超过1.00%。