双U,通风方式在高瓦斯矿井综采工作面瓦斯综合治理中的应用

黄 华，段春生，张 立

（1.山西省晋神能源有限公司，山西 忻州 036599；
2.太原理工大学，山西 太原 030024）

煤矿井下开采过程中，瓦斯是制约矿井安全高效生产的主要因素之一，尤其是对采煤工作面安全回采影响最为明显[1-2]。部分高瓦斯矿井采煤工作面在回采前虽然采取煤层瓦斯超前预抽措施，但由于受地质条件、抽采技术、生产工艺等条件制约，工作面回采期间采空区及煤壁集中涌出的瓦斯还需通过通风的方法进行稀释并排出。科学合理的通风方式和足够的配风量能够减少工作面瓦斯积聚，提高瓦斯排放量，对工作面瓦斯治理起到关键作用[3-4]。本文以晋控阳村煤业1308 工作面为例，对工作面瓦斯抽采技术和通风方式进行研究，提出工作面并列双U 型通风布置方式，并在工作面进行应用。

1.1 工作面通风系统

晋控阳村煤业矿井设计生产能力2.0 Mt/a，主采5 号煤层和9 号煤层，属于高瓦斯矿井。矿井绝对瓦斯涌出量为221.05 m3/min，相对瓦斯涌出量为75.12 m3/t。III1308 工作面位于矿井5 号煤层三盘区，现主采5 号煤层，煤层平均厚度2.8 m，采用综合机械化分层开采工艺，工作面切巷长182 m。工作面通风系统原采用的是“三进一回”通风方式，即III13081、III13083 和III13085 巷道进风，3条巷道配风量分别为600、600 和1 100 m3/min，III13082 巷道回风，配风量为2 400 m3/min。工作面正常生产期间，工作面瓦斯浓度在0.25%～0.40%，上隅角瓦斯浓度在0.45%～0.65%，回风流中瓦斯浓度在0.40%～0.60%，工作面风排瓦斯量平均值为6.58 m3/min。

1.2 工作面抽采系统

工作面抽采系统主要采用的方式为本煤层抽放、采空区抽放和地面采动井抽放[5-6]。

（1）本煤层抽放系统，在工作面III13081 和III13083 两条巷道内分别安装1 趟φ300 mm 的瓦斯抽放管路，在巷道内向工作面施工顺层钻孔后进行封孔抽放，III13081 和III13083 两条巷道抽采管路中瓦斯抽采纯量分别达到2.82 m3/min 和2.86 m3/min。

（2）采空区抽放系统，在III13082 回风巷内安装1 趟φ300 mm 的抽放管，利用在高位钻场内施工的高位钻孔和横川插管的方式对工作面采空区内的瓦斯进行抽采，抽采管路中的瓦斯抽采纯量达到19.18 m3/min。

（3）地面采动井抽放系统，在III1308 工作面开采区域范围内的地面对应位置开凿了2 个采动井，其中1 号采动井布置在距工作面切巷位置312 m，2 号采动井距工作面切巷位置842 m 位置处，目前该系统暂未使用。

III1308 工作面回采期间瓦斯涌出量主要来源于采空区，其涌出量占工作面瓦斯总涌出量的68%左右。为提高采空区瓦斯抽放量，在原抽采系统的基础上通过对工作面采空区抽采系统优化，采取多种措施来降低工作面采空区瓦斯积聚量和风排瓦斯量。

（1）利用大孔径高位钻孔对工作面采空区瓦斯进行抽采。在III13082 巷道内的第3 横川、第11 横川和辅助回风巷内利用千米定向钻机向工作面采空区方向施工孔径为113 mm 的大孔径高位抽采钻孔对采空区瓦斯进行抽放。钻孔沿巷道顶板施工，终孔位置距工作面顶板6～7 倍采高处的裂隙带中，钻孔抽采控制范围为沿工作面倾向方向30 m，走向方向250～300 m。

（2）在工作面顺槽内施工高位钻场，在钻场内施工顶板高位钻孔对采空区瓦斯进行抽放。分别在III13082 巷道内的第8 横川和19 横川内布置高位钻场，高位钻场沿与巷道垂直方向布置，按+25°坡度施工25 m 后在施工5 m 长平巷，巷道采用锚网索支护，巷宽4 m，高2.5 m，每个高位钻场内共设计施工24 个高抽钻孔，分别布置在巷道的左右帮及正前方。工作面综合瓦斯治理抽采钻孔布置如图1 所示。

图1 III1308 工作面综合瓦斯治理措施钻孔布置Fig.1 Drilling arrangement of comprehensive gas control measures in III1308 working face

（3）开启地面采动井抽放系统，对工作面采空区内的瓦斯进行抽放。在工作面回采超过地面1号采动井50 m 位置时开启地面1 号采动井开始对工作面采空区内的瓦斯进行抽放，减少工作面采空区瓦斯涌出量。地面采动井抽放系统如图2 所示。

图2 III1308 工作面地面采动井布置示意Fig.2 Layout of ground mining wells in III1308 working face

（4）工作面上隅角埋管抽放。在工作面回采期间对上隅角使用砖垛密闭后埋入D225 mm 抽放管，抽放管末端管路改为D50 mm 筛管（图3），上隅角抽放管与顺层抽放系统连接，随工作面向前推进进行向外挪移，对工作面采空区内的瓦斯进行抽放。

图3 II1308 工作面上隅角埋管抽放布置示意Fig.3 Drainage layout of buried pipe at corner in III1308 working face

3.1 并列双U 通风方式基本工作原理

并列双U 通风系统工作的基本原理是在工作面上下顺槽设计布置2 条进风巷、2 条回风巷共计4 条巷道，其中进风顺槽同时兼做工作面主要运输巷[7-8]。在工作面回采过程中，工作面煤体内吸附的瓦斯会形成游离状态从工作面进入到采空区内和上隅角，由于工作面上隅角通风不畅，容易导致上隅角瓦斯积聚造成超限。并列双U 通风系统主要作用是改变上隅角风流状态，对工作面上隅角内的瓦斯进行稀释，降低上隅角瓦斯浓度，达到工作面合理配风要求[9-10]。同时，随着工作面推进时采空区面积越来越大，在风压作用下，工作面涌出的瓦斯被引进外圈U 型回风系统中，在工作面运输机机头处采空区漏风量控制好的基础上，能够防止采空区出现大量瓦斯集中涌出造成上隅角瓦斯超限现象。

3.2 工作面并列双U 通风优化方案

对III1308 工作面原“三进一回”通风系统进行调整，改为“两进两回”并列双U 型通风方式，即III13083 和III13085 巷道进风，III13081 和III13082 巷道进行回风，巷道之间每间隔200 m 布置1 条联络巷进行连接。其中III13083 进风巷与III13081 回风巷形成内U 型通风系统，III13085 进风巷与III13082 回风巷形成外圈U 型通风系统，两条通风系统均为独立的全风压通风系统，具体通风系统布置如图4 所示。

图4 III1308 工作面双U通风系统布置Fig.4 Layout of double U ventilation system in III1308 working face

（1）大孔径高位钻孔瓦斯抽采效果分析。

工作面采用大孔径抽采钻孔进行抽放后，预测效果如图5 所示。

图5 大孔径高位钻孔瓦斯抽采效果Fig.5 Gas drainage effect of large aperture high level borehole

根据图5 分析可知，工作面采用并列双U 通风系统后，在工作面回采推进过程中，随着采空区跨落时大孔径高位钻孔被不断揭露后，其对采空区内的瓦斯抽采量不断增加，有效控制了采空区内的瓦斯集中向工作面涌出，由图中分析可知，预计大孔径高位钻孔抽放采空区内的瓦斯平均浓度能够达到15 m3/min。

（2）高位钻场瓦斯抽采效果分析。

采用高位钻场对工作面采空区瓦斯抽采后，预测效果如图6 所示。根据图6 分析可知，随着工作面不断向前回采推进，从高位钻场向工作面施工的抽采钻孔被不断揭露后，瓦斯抽采浓度不断提高，采空区内的瓦斯集中涌出现象得到有效抑制，给工作面试验采用并列双U 通风方式打下了有利条件。在工作面试验采用并列双U 通风方式后，预计高位钻场抽采工作面采空区内的瓦斯浓度平均能够达到25 m3/min。

图6 高位钻场钻孔瓦斯抽采效果Fig.6 Effect of borehole gas drainage in high drilling field

（3）采动井抽采效果分析。

根据以往矿井采用采动井抽采工作面瓦斯情况及当前工作面实际情况，预测III1308 工作面利用采动井抽放瓦斯时抽放浓度能够达到30%～35%，瓦斯抽采量能够达到4～6.5 m3/min。

（4）隅角抽放效果分析。

根据矿井以往工作面上隅角埋管抽放瓦斯情况，预测III1308 工作面采用该抽放方式后上隅角瓦斯抽放浓度能够达到4%～5%，瓦斯抽采量能够达到1.0～2.0 m3/min。

采取以上瓦斯抽采措施后，在工作面试验采用并列双U 通风方式后，采空区内的瓦斯抽采量预计能够达到45 m3/min 以上。

5.1 并列双U 通风系统配风情况

工作面采用并列双U 通风系统配风情况如下。

（1）工作面内圈双U 通风系统，III13083 进风巷内配备的风量为1 050 m3/min，III13081 回风巷配备的风量为1 100 m3/min。

（2）工作面外圈双U 通风系统，III13085 进风巷内配备的风量为900 m3/min，III13082 回风巷配备的风量为920 m3/min。

5.2 工作面实际瓦斯抽采情况

工作面在采用并列双U 通风方式后，通过对各抽采措施抽放的瓦斯数据进行了采集分析，具体情况如下。

（1）本煤层瓦斯抽采情况。

III13081 和III13083 两条巷道内安装的抽采支管抽放的瓦斯浓度分别为11%和14%，抽采纯量分别为0.9 m3/min 和0.7 m3/min。

（2）高位钻场钻孔抽采瓦斯情况。

在III13082 巷道内的第8 横川和19 横川内布置高位钻场抽采的瓦斯浓度分别为9.5%和14%，瓦斯抽采纯量分别为0.1 m3/min 和1.6 m3/min。

（3）大孔径高位钻孔瓦斯抽采情况。

在III13082 巷道内的第3 横川和辅助回风巷内施工的大孔径高位钻孔抽采瓦斯浓度分别为50%和12%，抽采纯量分别为5.0 m3/min 和4.1 m3/min。

（4）地面采动井瓦斯抽采情况。

地面1 号采动井开启后，经计量抽采瓦斯浓度达到53%，瓦斯抽采纯量达到3.8 m3/min。

（5）上隅角瓦斯抽采情况。

通过对上隅角瓦斯抽放情况进行计量，工作面回采期间上隅角瓦斯抽采浓度为4.8%，抽采纯量为1.6 m3/min。

5.3 工作面回采期间瓦斯情况

采用并列双U 通风方式后，工作面正常生产期间，经观测，工作面瓦斯浓度为0.15%～0.25%，上隅角瓦斯浓度为0.25%～0.40%，回风巷内瓦斯浓度为0.30%～0.50%。工作面风排瓦斯量为2.5～4.5 m3/min，平均3.2 m3/min。

通过现场实践验证，综采工作面在采用并列双U 通风方式的基础上，通过采取瓦斯联合抽采治理措施对工作面本煤层和采空区瓦斯进行抽采，有效抑制了采空区内瓦斯积聚集中大量涌出，杜绝了工作面及上隅角瓦斯超限问题，降低了工作面风排瓦斯量，实现了工作面安全高效生产，为类似条件下综采工作面瓦斯治理提供了技术参考，具有极大的推广价值。