U型通风工作面采空区上隅角瓦斯治理技术.pdf

第22卷第5期煤炭学报Vol . 22 No. 5 1997年 10月JOURNAL OF CH I NA COAL SOC IETYOct. 1997 U形通风工作面采空区上隅角瓦斯治理技术3 林柏泉 周世宁 张仁贵 中国矿业大学 摘要 以平顶山煤业集团有限责任公司一矿戊8210-21131综采工作面为例,探讨了U形 通风工作面采空区上隅角瓦斯治理技术.研究结果表明,治理采空区上隅角瓦斯的有效措施有 2种方式,即增加漏风汇和减少采空区漏风;前者可采用加尾巷或上隅角瓦斯抽放;后者则可采 用均压的措施进行,其中采用局部通风机压风法是一项可行措施,但压风量必须达到总风量的 14左右,才能有显著的效果. 关键词 采空区 漏风 均压 上隅角 中图分类号 TD 712 TD 728 在高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井中, U形通风工作面采空区上隅角不仅容易积聚瓦斯,而且采空区 内的瓦斯容易通过上隅角漏入回风巷,引起回风巷风流中瓦斯浓度超限,严重制约着回采工作面产量 的提高,并对安全生产构成了严重威胁.因此,如何有效地处理U形通风工作面采空区上隅角积聚瓦 斯,对回采工作面尤其是高产高效的综采工作面的安全生产和单产的提高具有十分重要的作用. 针对这种情况,本文以平顶山煤业集团有限责任公司一矿简称平一矿戊8210-21131综采工 作面为例,探讨了U形通风工作面采空区上隅角瓦斯处理技术. 1 U形通风工作面采空区瓦斯涌出及其治理原则 采空区一般是由采空区内遗煤,上、下邻近层有瓦斯解吸和流动的固体煤岩,以及空隙所组成的 空间区域.该区域内的最大特点是存在两种特性相差很大的空隙,即采动空隙和原有空隙.采动空隙 的分布往往有很大的随机性,空隙的间距较大,且与工作面采高、冒落带岩块大小及其排列状况、本 层和邻近煤岩层的岩性等因素有关;而原有空隙则可被认为只与煤岩性质和原始应力因素有关,且同 一煤岩层的原有空隙相比之下可视为均匀分布. 由于采空区内2种空隙并存,因而瓦斯在采空区内的运移表现为煤块内的解吸、扩散和煤岩采动 空隙系统的层流渗透、紊流.尽管大量的采动空隙与原有空隙构成了采空区内极为复杂的气体流动网 络,但从整体上来看,采动空隙是瓦斯流动的主要通道.在一般U形通风工作面,风流从进风巷进入 回采工作面,清洗工作面后经回风巷流出,但其中一部分风流将漏入采空区,形成漏风流,如图1所 示.从流体力学的角度而言,进入工作面的风流端称为源,而流出工作面的风流端称为汇;故而, U形 通风工作面又称为一源一汇工作面.实际上,在风流由进风巷进入采场时,其中有一部分风流将会漏入 采空区中,把采空区中的瓦斯从上隅角带出,引起回风巷风流中的瓦斯浓度增大.而采空区内瓦斯涌入工作 面,除了由漏风流引起外,另一个重要原因则在于工作面通风期间,采空区与工作面之间存在气压 收稿日期1997-02-03 3 国家“九五”科技攻关编号96-223-01-05- 04 和江苏省青蓝工程基金资助项目 图1 U形通风工作面风流流动 Fig11 A ir flow ing in U-type ventilation face 差,造成了采空区瓦斯向工作面涌入.从稳定流动角 度考虑,一般认为,采空区内瓦斯流动服从松散介质 的达西Darcy渗透定律,故可由下式表示,即 q -B Kp 2 1-p 2 2 ∃S,1 式中,q为单位时间内单位面积采空区涌入工作面的 瓦斯量, m 3dm2 ; K为采空区内透气性系数, m 2 M Pa2d ; p1,p2分别为工作面和采空区内气 压, M Pa;∃S为p1与p2两点间的断面积, m 2; B为 单位修正系数. 从式1中可以看出,p 2 1-p 2 2越大,则采空区 内瓦斯向工作面涌入的量就越大. 目前,随着工作面通风与瓦斯抽放形式的不同,采空区内瓦斯向工作面涌入的形式有2种 1瓦斯抽放强度大或因通风方式所致,采空区内瓦斯不会向工作面涌入. 2不抽放瓦斯或瓦斯抽放强度小,采空区内瓦斯自上隅角处涌入工作面. 实际上,应当引起注意的是采空区上隅角处不仅瓦斯浓度高,而且大量涌入工作面,引起回风巷 风流中瓦斯浓度超限,影响工作面的安全生产.为了解决这一问题,现场采取的措施绝大多数是增加 工作面的供风量;而这往往容易引起工作面漏风量增大,采空区与工作面之间气压差增大,从而导致采空 区瓦斯涌出量增大.因此,盲目地增大工作面供风量,其实对降低回风巷风流中的瓦斯浓度是不利的. 笔者认为,排除采空区上隅角处瓦斯的有效措施 1增加漏风汇,即采用一源多汇的通风方式.在这种采场中,采空区上隅角瓦斯可以从漏风汇 中排出.当然,如果漏风汇的强度较小,而采空区上隅角瓦斯量又较大,这时采空区上隅角瓦斯就会 超限并仍可能涌入工作面.此外,漏风汇的位置对采空区上隅角瓦斯的排放也具有重要影响,当漏风 汇的位置距工作面切顶线很近时,即使漏风量较小,由于通过采空区的绝大部分流线将汇集于漏风汇 排出,这样采空区上隅角瓦斯往往也能够得到排放,而不至于大量涌入工作面.因此,合理地调整漏 风汇的位置和强度对解决采空区上隅角瓦斯超限和避免大量涌入工作面具有重要作用. 2通过减少采空区漏风量,抑制上隅角瓦斯涌出.要实现减少采空区风量来抑制上隅角瓦斯涌 出的途径有两种方式即通过堵漏和均压的措施.但是,对于综采工作面而言,在采空区要实行回采 过程中的堵漏往往是无法实现的;因此,唯一可行的方法是均压.通过均压降低进、回风巷两侧的压 差,以减少采空区漏风,抑制上隅角瓦斯的涌出. 2 U形通风工作面采空区瓦斯涌出治理措施 211 试验区的基本情况 平一矿戊8210-21131综采工作面位于二水平戊一下山东翼,北邻21151采空区,南为21111, 23021 和23150采空区,东为井田边界与十矿相邻,西为戊一皮带下山.该采面回采煤层为上二叠统上石盒 子组戊煤上段戊8210,煤层走向NW-SE,倾向N E,煤层倾角2～7,其中戊8煤层上部呈块状,下部呈 末状,平均煤厚1. 3 m ,戊8210煤层平均厚度为6. 5 m ,煤质情况为M 2. 46 ,A 25. 91 ,V′ 34. 92.采用分层开采,第1分层采高为3. 0m ,该工作面走向长度为2 036m ,倾斜长180m ,斜面 积为358103m 2, 工业贮量为1 588. 76万 t, 采出率为95 ,可采贮量为160万 t, 煤的密度为 1. 45 tm 3. 该工作面位于李口大向斜的西南翼,牛庄向斜的西北倾伏端,受构造作用,工作面内出现有落差 015煤 炭 学 报 1997年第22卷 0. 2～4. 8 m的断层构造,煤层裂隙较为发育,走向以东西为主,煤层中瓦斯含量较大,且沿走向向东 有增大的趋势.该工作面直接顶板裂隙较为发育,裂隙以北东-南西为主,造成顶板完整性不好,回采 时易冒落;其中,直接顶为砂岩及泥岩,厚0～6m;老顶为砂岩,厚12. 2～28. 4m;直接底为砂质泥 岩,厚7～12 m;老底为砂岩厚2. 8～4. 3 m.巷道内拱形支护,设计断面为13. 5 m 2, 实际断面为 8～9 m 2, 回风巷端头采用单体液压支柱,掘进中巷道绝对瓦斯涌出量为4. 46m 3 m in,戊组煤煤尘爆 炸指数为35. 08～40. 52 ,自然发火期为6～8个月,煤层坚固性系数f 1～3. 该工作面的风量为1 500m 3 m in,采用U形通风方式, 瓦斯含量为5. 8m 3 t, 回风巷绝对瓦斯涌 出量为18 m 3 m in左右,其中采空区瓦斯涌出量占50～60.该工作面在回采前进行了本煤层瓦斯 抽放,由于戊8210煤层附近没有其他煤层相邻,故初步分析认为,采空区瓦斯主要来源于戊8210煤层下分 层和采空区内遗煤.目前,由于受采空区瓦斯涌出的影响,致使回风巷风流中的瓦斯浓度有较大的提 高,其中内探头距工作面10m瓦斯浓度最高可达1. 3～1. 4 ,严重影响了该工作面的正常生产. 图2 后退式预埋管抽放布置 Fig12 The arrangement of drainage w ith before hand covered tube of moving back A密闭; B抽放竖管; C三通接头; D抽放管 212 采用的技术方案及参数确定 根据平一矿戊8210-21131综采工作面周围巷道 布置形成和U形通风工作面采空区瓦斯涌出治理原 则,决定采用的技术方案为后退式预埋管法抽取采 空区上隅角瓦斯和均压法相结合的处理技术. 1后退式预埋管法抽取采空区上隅角瓦斯图 2 当第1根预埋竖管进入采空区上隅角5～10m 时,开始抽放;当进入采空区内部的距离为30m左 右时,再布置第2根预埋竖管,依次类推,使外端抽 放点的位置始终保持在10～30m范围内.为了提高 抽放效果,预埋竖管的布置应防止发生堵塞现象和 顶板冒落砸坏,以免影响抽放效果.为此,采用图3 所示的抽放竖管布置方式,其底座用三通与抽放管 相联,竖管长1. 4～1. 5 m ,顶端用盖盘封闭,在顶 端0. 4 m范围内均匀钻12～14个 10 mm的小孔, 并用2～3层纱窗布包好,伸入采空区顶板方向进行抽放.此外,为了减少采空区漏风,提高抽放效果, 在预埋管外侧5m左右位置筑一道密闭材料可采用麻袋装锯末等 , 密闭宽度由实际情况再定,在进 风侧和回风侧同时进行. 图3 抽放竖管布置 Fig13 The arrangement of drainage w ith vertical tube 根据平一矿提供的资料表明戊8- 10- 21131综 采工作面日产量为2 000～2 500 t,工作面的供风量 为1 500 m 3 m in.利用通风可解决的绝对瓦斯涌出 量小于或等于15m 3 m in,其中采空区瓦斯涌出量约 占50.因此,采空区上隅角瓦斯抽放中尚需解决的 瓦斯量大于或等于3 m 3 m in.在采空区预埋管法抽 放中,瓦斯浓度应大于或等于25 ,取25计算,则 抽放管中瓦斯流量应大于或等于12m 3 m in. 2均压法采空区上隅角瓦斯治理 该方法的主要目的是减少采空区漏风和采空区上隅角瓦斯涌 出.根据采空区漏风和上隅角瓦斯的涌出取决于通风压差的原理,决定采用在中切眼风门位置安设一 台局部通风机,用压入式通风,直接向采空区上隅角处供风的措施图4,其主要作用有①降低工 115第5期 林柏泉等 U形通风工作面采空区上隅角瓦斯治理技术 图4 均压法局部通风机布置 Fig14 The arrangement of auxiliary fan in methed of pressure balance 1局部通风机;2风门;3风筒 作面B,C两点间的压差,以采用28 kW局部通风机 供风为例,B,C两点间的压差可降低35左右,故 而有利于减少采空区漏风和采空区上隅角的瓦斯涌 出.②对采空区上隅角的瓦斯涌出具有直接阻碍和 冲淡作用;同时,由于减少了采空区漏风,故而有利 于提高采空区上隅角瓦斯抽放浓度和效果. 采用局部通风机压入式通风时,其具体参数要 求①在中切眼风门位置布置一台局部通风机,以28 kW为宜,供风量要求在250～300 m 3 m in.②风筒 出风端距上隅角的距离应小于或等于5m ,并且,为 了使风筒出风端能始终保持一定距离,风筒需随工 作面的推进而逐步后移,故需设一段伸缩性风筒.③ 实施中应注意综采工作面供风量与压风量的比例,其值应保持在14左右.否则,倘若供风量太大,而 压风量又太小,则无法达到预定效果. 3 试验结果及分析 戊8210-21131综采工作面采空区上隅角瓦斯治理试验,从1996-09-11开始实施上隅角埋管抽放 法,开始时抽放瓦斯浓度为4～5 ,混合流量为9. 5～10m 3 m in,经过2～ 3 d抽放后, 瓦斯浓度为 6. 5～7.并有逐步上升的趋势,抽放后,上隅角瓦斯浓度的变化情况如表1所示,从中可以看出, 实施上隅角埋管抽放后,尽管采空区上隅角瓦斯浓度有所降低,但由于瓦斯抽放量有限,瓦斯浓度降 低不显著,而且由于采空区漏风量大经检测,工作面风量为1 510m 3 m in时,漏风量为340 m 3 m in 左右 , 故而埋管抽放瓦斯浓度偏低.为此, 10月7日开始实施均压措施,其局部通风机的压风端吸风 量为254m 3 m in,出风量为116m 3 m in,实施均压措施后,回风巷瓦斯浓度超限次数有了明显的降低, 由实施前 10 月6日的41次降至9次,而且这9次是由于上隅角落顶引起的,上隅角瓦斯涌出明显 减少.当工作面风量提高到1 750m 3 m in时,采空区漏风量大于400m 3 m in;这时,由于压风量偏小, 仅有116 m 3 m in,影响了均压措施的有效范围, 故而上隅角下部浓度没有明显变化.为此,将工作面 风量减少至1 000 m 3 m in,压风量增至 250 m 3 m in,则回风巷风流中瓦斯浓度超限为零, 上隅角瓦斯 涌出减少了50 ,埋管抽放瓦斯浓度大于10 ,达到了预定的效果. 表1 戊8210-21131综采工作面上隅角瓦斯浓度测定 Table 1 The test result of methane concentration at the upper corner of goaf in Wu8-10-21131 fully mechan ized face 日期13日14日15日16日17日18日19日20日21日22日 生产班 2. 1～3. 5 2. 8 1. 85～3. 6 2. 7 1. 9～2. 8 2. 4 1. 6～3. 5 2. 6 0. 75～1. 9 1. 3 0. 7～1. 6 1. 2 1. 6～2. 2 1. 2 1. 6～2. 2 1. 0 0. 8～1. 1 1. 0 1. 36～2. 50 1. 9 检修班 1. 96～2. 04 2. 0 1. 85～2. 1 2. 0 1. 52～1. 72 1. 6 1. 8～2. 3 2. 1 1. 4～1. 5 1. 45 1. 05～1. 12 1. 1 注检修班在工作面打瓦斯排放孔,排放孔数120～140个,孔深3. 0m. 4 结 论 1在U形通风工作面,排除采空区上隅角瓦斯的有效措施有两种方式,即增加漏风汇和减少采 215煤 炭 学 报 1997年第22卷 空区漏风,前者可采用加尾巷或上隅角瓦斯抽放;后者则可采用均压或采空区堵漏的方式进行,以减 少采空区漏风,抑制上隅角瓦斯涌出. 2针对戊8210-21131综采工作面的实际情况,因采空区漏风量大,上隅角瓦斯涌出所占比例高, 在用采空区埋管法抽取上隅角瓦斯时,抽放瓦斯浓度需大于10 ,抽放瓦斯量混合流量大于或等 于10 m 3 m in,才能有明显的效果. 3采用均压法减少采空区漏风,抑制采空区上隅角瓦斯涌出是一项有效措施,针对戊8210-21131 综采工作面的实际情况,采用局部通风机压风法是一项可行措施.但是,压风量必须达到工作面总风 量的14左右,才能达到预定效果. 本项目在进行过程中得到平顶山煤业集团有限责任公司瓦斯研究所和平顶山煤业集团有 限责任公司一矿有关领导和工程技术人员的大力支持,借此机会向他们表示衷心的感谢. 参 考 文 献 1 梁 栋,黄元平.采动空间瓦斯运动的双重介质模型.阜新矿业学院学报, 1995, 14 24～7 2 程远平.采场通风方式与瓦斯运移规律的研究[学位论文].徐州中国矿业大学, 1990 作 者 简 介 林柏泉,男,副教授.1992年毕业于中国矿业大学,获博士学位.主要从事矿井瓦斯及其相邻学科的研究和教学 工作.发表论文30多篇,出版学术专著1部.江苏省徐州市中国矿业大学采矿采,邮政编码221008. 周世宁,男,教授,博士生导师.1953年毕业于中国矿业学院,主要从事矿井瓦斯及其相邻学科的研究和教学工 作.发表论文50多篇,出版学术专著多部,先后获国家级、省部级科技进步奖多项.江苏省徐州市中国矿业大学采矿 系,邮政编码221008. M ETHANE CONTROLL ING TECHNIQUE AT THE UPPER CORNER OF THE GOAF IN U-TYPE VENTI LATI ON FACE L in Baiquan Zhou Shining Zhang Rengui China U niversity of M ining and T echnology Abstract Taking Wu8-10-21131 fully mechan ized face of No11 colliery in Pingdingshan Coal GroupCo. ,L td. for example. Themethane controlling techn ique at the upper corner of goaf in U-type ventilation face has been discussed. The research show s that there are two effective measures for con2 trolling methane at the upper corner of goaf, that is, increasing sources of leakage and decreasing the amount of leakage in goaf. The er can be achieved by increasing tailing way and draining methane from upper corner of goaf, the latter can be achieved by themeasure of pressure balance. The of forcing ventilation w ith auxiliary fan is a feasiblemeasure in pressure balance, the notable result can be obtained only when the air quantity of forcing ventilation reached at 25 of total air quantity. Keyword goaf,leakage, pressure balance, upper corner 315第5期 林柏泉等 U形通风工作面采空区上隅角瓦斯治理技术