山西新元礦突出煤層

綜采工作面回采巷道布置

優化設計探討鄭建平1,2(1中國礦業大學（徐州）礦業工程學院，江蘇徐州221116；2山西陽泉煤業（集團)股份公司生產部山西陽泉045000)摘要：現階段在高瓦斯礦井，工作面通風方式是否合理嚴重影響礦井的安全高效生產。針對山西新元煤礦310203工作面回采巷道原始布置中煤柱留設較多、動壓影響大、通風復雜等問題，采用理論研究對其進行優化設計。最終確定將工作面長度增加為300m，兩條回風巷布置在工作面中間，采用“三進兩回”的通風方式，兩個工作面之間只留設一條護巷煤柱。經過研究分析得出采用這種新型的巷道布置方式既能夠有效防治瓦斯突出，保證礦井通風安全，又能夠提高煤炭回收率，最終保證礦井安全高效生產，增加礦井經濟效益。關鍵詞：突出煤層；綜采工作面；通風方式；回采巷道布置；中圖分類號：TD724文獻標識碼：ATheoptimizationdesignofmininggatewayofthethickgasfullymechanizedcoalfaceinXinyuancoalZHENGJian-ping1,2(1.SchoolofMines,ChinaUniversityofMiningandTechnology,XuzhouJiangsu221116;2productionPlace,ShanxiYangquancoal(group)Co.YangquanShanxi045000)Abstract:Atthecurrentstage,thereistheseriousinfluencewhetherreasonableventilationmodeofproductionsafetyandefficiencymineinminingcoal.Accordingtothe310203coalfaceinShanXi

Xinyuanmining,thecoalpillarwastoomuch,dynamicpressurewastoohighandventilationcomplexinoriginallayoutofextractionroadway.Sothetheoreticalresearchontheoptimizationdesignisused.Finallythelengthofthecoalfaceis300m,oneventilationroadwaysisinthemiddleofface,ventilationmodeis“threeinsetandtwoback”andestablishtwopillars.AfterusingthisnewstudyconcludedthatneitherofgasoutcanbeEffectivepreventedandroadwaylayoutsofmineventilationcanbesafetyandcanimprovecoalrecovery,increasemineeconomicbenefitsfinally.Keywords:thickgas;fullymechanizedcoalface;Ventilatedmode;layoutofmininggateway隨著礦井開采的發展，瓦斯成為礦井安全高效生產的一大制約因素[1]。為了防治瓦斯突出，礦井不得不采取增加通風量，進行預抽采瓦斯等降低瓦斯的技術[2-3]。山西新元煤炭有限責任公司屬煤與瓦斯突出礦井，為保證回采工作的安全，工作面布置五條回采巷道，采取“三進兩回”的通風方式，巷道之間留設22m煤柱，存在巷道變形大、通風能力差、本煤層瓦斯抽放及防治突出效果不好，煤炭損失嚴重等問題，因此需要對其進行優化設計。1礦井概況山西新元煤炭有限責任公司屬山西陽泉煤業（集團）控股公司，煤層儲量十分豐富，賦存以穩定、較穩定型為主，傾角一般3°～6°，井田內地質構造簡單，以寬緩的褶曲為主，斷層、陷落柱稀少，無巖漿巖侵入。井田內水文地質條件簡單。現開采3#煤層，3#煤為中灰、特低硫、低磷、極易選的貧煤、貧瘦煤，是優質的高爐噴吹煤和出口煤。1.1煤層地質條件310203回采工作面煤層厚0.40～4.08m，平均2.77m；結構簡單，一般含一層泥巖夾矸。煤層由西向東由薄變厚，又漸趨變薄，以中厚煤層為主。本層基本屬于全井田穩定可采煤層。其頂板為砂質泥巖、泥巖，局部為中、細粒砂巖；底板為砂質泥巖，局部為細、粉砂巖。1.2煤層瓦斯賦存狀況井田內煤層埋深大，瓦斯含量高，有突出危險。煤層經實際回采過程中測定，310203回采工作面經過6個月本煤層鉆孔預抽以后，平均絕對瓦斯涌出量37.65m3/min，相對瓦斯涌出量6.78m3/t。根據各煤層煤塵爆炸性試驗結果表明，各煤層煤塵均有爆炸危險性。因此需要保證工作面生產所需通風風量，同時在回采前對工作面進行預抽采瓦斯。2回采巷道原設計布置礦井采用斜井開拓，下行開采。工作面采用傾斜條帶式布置方式。初期回采工作面布置在大巷的南側，采用傾斜長壁仰斜開采。310203工作面走向長度1876m，傾斜長度240m。考慮到工作面煤層瓦斯含量較高，根據通風要求，工作面共布置五條回采巷道，沿上一工作面采空區側布置兩條回采巷道，其中一條膠帶巷、一條進風巷（上一工作面開采時分別作為配風巷和瓦斯尾巷；工作面另一側布置三條回采巷道，其中一條回風巷、一條配風巷、一條專用瓦斯尾巷。每兩條回采巷道間留置22m的保護煤柱。同時為保證在回風巷和瓦斯尾巷之間風量的平衡和風流的穩定，在回風巷和瓦斯尾巷之間每隔50m設計一個通風聯絡巷。為了在推進過程中不斷從配風巷給瓦斯尾巷配風，瓦斯尾巷和配風巷之間每隔100m施工一個通風聯絡巷。在瓦斯尾巷向工作面斜上方布置瓦斯抽放鉆孔，抽放臨近層及冒落帶裂隙瓦斯。鉆孔傾角25°~40°，孔深70m，孔距20~30m，孔徑200mm。310203綜采工作面回采巷道的布置如圖1所示。圖1工作面回采巷道布置圖Fig.1Thelayoutofmininggatewayincoalface圖中西三正巷作為運輸巷；西四副巷作為回風巷；西四中間巷作為專用瓦斯尾巷；西四正巷作為配風巷，為瓦斯尾巷配風。由于3#煤屬于突出煤層，開采前，在回、進風巷向工作面煤層中施工抽放鉆孔，鉆孔設計深度150m，每米1個孔，抽放本煤層瓦斯。3原巷道設計存在的問題分析310203工作面原回采巷道布置設計存在以下問題：（1）工作面設計長度240m，在兩條回采巷道向工作面打抽放鉆孔時，受煤層起伏變化影響，鉆孔施工難度大，成孔率低，工作面中部往往留下抽放盲區，預抽瓦斯防突效果一直不很理想。實際回采過程中，就多次發生由于抽放鉆孔有盲區而導致瓦斯突出現象。3原巷道設計存在的問題分析（2）兩個工作面之間布置三條回采巷道和兩條煤柱，煤柱損失較大。（3）回風巷道和瓦斯尾巷之間的每50米布置一聯絡巷，一是增加巷道掘進量，二是大大增加閉墻的工程量，尤其是掘進期間進閉墻材料難度非常大，經常是人背肩扛，致使工人勞動強度大，人工費用成倍增加，且效率低下。3原巷道設計存在的問題分析（4）運輸巷道只能布置在鄰近上一個工作面采空區一側，受二次動壓影響，巷道變形嚴重，維護困難，嚴重影響回采過程中設備的推移。（5）三條相鄰巷道同時平行掘進，通風系統復雜，系統可靠性低，施工組織困難，制約巷道單進水平的提高。3原巷道設計存在的問題分析（6）由于煤層瓦斯含量高，根據以風定產，工作面產能受到限制。同時，由于工作面風量經常處于風速的上限，煤塵較大，工作面環境惡劣，回風巷道粉塵大，造成較大的安全隱患。（7）根據以風定產原則，為保證瓦斯不超限，除限制采煤機落煤速度外，不得不考慮縮短工作面的長度，以降低煤層的絕對瓦斯涌出量，這將嚴重制約礦井高產高效的發揮。4回采巷道優化設計方案4.1突出煤層綜采工作面通風及抽放技術研究U型通風方式是我國大部分采煤工作面采用的通風方式，但是這種通風方式有其自身的局限性，例如采用這種通風方式上隅角瓦斯濃度會升高，不利于礦井安全生產[4]。另外一種是U+L型通風方式，屬于一進兩回的通風系統，這種系統不僅增加了工作面的風排瓦斯量，而且由于瓦斯濃度分布的改變，在風流壓差的作用下采空區的相當大的一部分瓦斯被引入專用排瓦斯巷，減少了工作面上隅角的瓦斯涌出，大大改善了U型工作面上隅角瓦斯超限問題。還有一種是Y+L型通風方式，這種通風方式能夠避免上隅角瓦斯超限，但是要求維護采空區巷道，這不僅增大了巷道的支護和維護強度，而且往往因巷道兩幫封閉不嚴(這幾類方式本身要求回風巷有部分漏風)，造成采空區后方漏風較大，易在采空區后方形成較大的含氧帶，增加了采空區殘煤的氧化時間，易引起殘煤自燃[5-6]。本煤層瓦斯預抽鉆孔布置：從回風巷和進風巷向工作面施工抽放鉆孔，鉆孔布置在煤層中間，平行于頂底板，垂直巷道鉆進。每米布置一個鉆孔。如圖2所示。圖2原工作面瓦斯鉆孔布置圖Fig.2ThelayoutofGasdrillingincoalface根據新元煤礦現場的實際情況，由于受煤層起伏變化以及鉆桿在鉆進過程中的漂移，當前使用的防突鉆機，對120m深的鉆孔很難施工到位，大多只能打80m左右，成孔率約占30%左右，這樣就造成工作面中部留下一條80m寬的瓦斯抽放盲區，瓦斯未得到抽放和鉆孔卸壓，導致工作面在回采過程中時有煤與瓦斯突出現象的發生。4.2310203工作面回采巷道優化設計為了解決原回采巷道布置帶來的上述問題，保證工作面通風要求，確保安全高效生產，對其進行優化設計。310203工作面回采巷道優化設計布置如圖3所示。圖中所示，優化設計后工作面長度300m，工作面采用“三進兩回”通風方式。運輸巷和配風巷組成一組巷道，布置在工作面的一側，兩巷之間煤柱仍保留22m；回風巷和瓦斯尾巷組成一組巷道，布置在工作面大約中間位置，兩巷道間距15m；相鄰采空區側，復用鄰面的配風巷作為本工作面的進風巷；進風巷和瓦斯尾巷之間相距140m，回風巷和運輸巷之間相距136m。配風巷和運輸巷間每100m設計一個聯絡巷；回風巷和瓦斯尾巷間每200m~300m設計一個聯絡巷。臨近層瓦斯抽放鉆孔布置：在配風巷中，抽放鉆孔垂直于巷道，布置于煤層頂板，鉆孔向上，傾角25°~40°，孔深80m，一般終孔位置在采高的7~10倍。其它參數保留原來設計方案不變。本煤層瓦斯抽放鉆孔布置：在兩條進風巷、一條回風巷和一條瓦斯尾巷中，在上述四條巷道中分別向工作面相向施工抽放鉆孔，鉆孔深度僅需65m和75m。圖3310203工作面回采巷道優化布置示意圖Fig.3Theoptimallayoutofmininggatewayin310203coalface5優化后巷道布置可行性分析（1）該設計方案近似于對拉工作面布置，不同的是工作面只有一臺采煤機和一部刮板輸送機，這種巷道布置方式理論上可行。（2）從通風系統考慮，“三進兩回”的布置方式，在高瓦斯礦井中也經常采用，系統可靠合理。工作面及各條巷道的配風量可按以下比例分配：配風巷10%，運輸巷35%，進風巷55%；回風巷75%，瓦斯尾巷25%；工作面前半部45%，后半部65%，中間部分40%。（3）回采過程中，需要一直沿走向方向垂直工作面過兩條空巷，回采期間過空巷不存在技術問題；這兩條巷道兩幫必須采用非金屬錨桿和非金屬網支護。根據陽泉礦區在切巷中使用玻璃鋼錨桿和鋼塑網的情況分析，支護強度能滿足要求。5.1巷道布置優點分析通過對310203工作面回采巷道進行優化設計后，工作面開采及通風具有以下優點：（1）這種通風系統，由于工作面風流從兩端向中間相向流動（如圖3所示），在回風巷口匯合，兩個方向相反的風流在交匯處會形成一個流體對沖渦流，可以有效帶走該處的瓦斯，從而避免工作面和回風巷交叉處上隅角瓦斯濃度偏高的問題。（2）一個工作面分成兩個條帶，抽放鉆孔可以從四條巷道施工，雖然工作面長度比原來設計增加40m，但由于巷道布置的優化，鉆孔深度由原來的設計120米減小到65m和75m，鉆孔施工容易，成孔率高達95%以上，有效減少鉆孔盲區，可以大大提高瓦斯抽放效率，有效防止瓦斯突出。（3）煤柱由原來的兩條優化成一條，煤柱損失可以在原來的基礎上下降50%。采區回采率增加9%以上，可以大大提高煤炭的回收率。（4）優化后的巷道布置，聯絡巷數量由原來的50m一條變為100m或200m一條，聯絡巷數量大幅減少，聯絡巷密閉工程量大大降低。（5）運輸巷可以布置在遠離采空動壓影響區，避免動壓巷道變形對運輸設備推移的影響。（6）避免了三條巷道同時掘進，雙巷掘進比三巷掘進系統簡單易控，系統可靠。給生產管理帶來較大方便。（7）工作面的配風量可以加大到原來設計風量的2倍，根據以風定產原則，工作面產量可以大幅提升。（8）由于優化設計方案有效解決了工作面抽放鉆孔和配風量，因此可以進一步加大工作面長度，為高產高效創造有利條件。5.2巷道布置缺點分析同樣這種巷道布置方式具有一定的缺陷性：（1）每布置一個工作面，原來需要另掘進三條巷道，可以復用上一相鄰工作面的配風巷道作為運輸巷，現設計的方案中，需要另掘四條巷道，也復用上一相鄰工作面的配風巷作為進風巷，巷道掘率有所增加。但是可以通過加大工作面的長度來降低巷道掘率。（2）臨近層瓦斯抽放鉆孔原來布置在專用尾巷，優化后布置在配風巷中，否則該條巷道可以不配風。（3）工作面風流，前半部風流是從機頭向機尾方向，后半部為從機尾向機頭方向，中間在回風巷和尾巷之間，風量會明顯降低，瓦斯濃度容易升高，因此回風巷和尾巷之間的風量及負壓需要精確控制，確保風流可靠。綜合分析得出，采用這種新的回采巷道布置形式是可行的，滿足礦井通風要求，能夠增加礦井經濟效益。6結語通過對新元煤礦原回采巷道布置不合理性的研究，確定其優化布置方案。（1）工作面長度增加至300m采用三進兩回的通風方式，將兩條回風巷布置在工作面中部。（2）兩進風巷之間留設22m煤柱，回風巷和尾巷間距15m，臨近層抽放鉆孔布置在配風巷中，本煤層瓦斯預抽放鉆孔布置在另外的四條巷道中。通過分析得出，采用優化后的回采工作面巷道布置方式，一是能夠增加煤炭回收率，二是能夠提高瓦斯抽放效率，三是可以有效防治瓦斯突出，四是可以進一步加大工作面的設計長度，從而為實現礦井安全高效創造更加有利的條件。參考文獻：[1]吳中立.礦井通風與安全[M].徐州:中國礦業大學出版社,1989.WuZhongli.Ventilationandsafetyofcoal[M].Xuzhou:ChinaUniversityofMingandTechnologyPress,1989.[2]俞啟香，王凱，楊勝強.中國采煤工作面瓦斯涌出規律及其控制研究［J］.中國礦業大學學報，2000，29(1):9－14.YuQixiang，WangKai，YangShengqiang.StudyonpatternandcontrolofgasemissionatcoalfaceinChina［J］.JournalofChinaUniversityofMining＆Technology，2000，29(1):9－14.[3]丁廣驤.礦井大氣與瓦斯三維流動［M］.徐州:中國礦業大學出版社，1996.DingGuangx