U型通风方式

2024-07-02

U型通风方式（精选六篇）

U型通风方式篇1

近年来, 随着煤矿开采深度的逐渐加深及开采规模的增大, 使涌向工作面的瓦斯增加, 致使限制工作面安全生产的瓦斯超限问题也愈发严重。加强通风、加强瓦斯抽放和综合通风与瓦斯抽放是治理煤层开采过程中瓦斯超限问题的3个可采用的措施[1]。针对采空区瓦斯运移规律模拟的研究, 澳大利亚学者BALUSU W E和REN T X使用CFD技术对工作面不同通风情况下采空区瓦斯分布进行了模拟[2,3,4,5];国内的胡千庭对采空区瓦斯流动规律的情况进行了模拟[6];王凯对J型通风综放采空区瓦斯运移进行了数值模拟[7];何磊、杨胜强对Y型通风综放采空区瓦斯运移进行了数值模拟[8];吴玉国、邬剑鸣对双U型 (大U套小U) 通风综放采空区瓦斯运移进行了数值模拟[9]。

双U型通风是一种以通风方法治理综采采空区高瓦斯涌出的新型通风, 其本质在于比常规的U型通风增加了一个U型通风巷, 2个U型巷道之间通过联络巷相联[9]。而双U型通风系统又分为两类, 一类为大U套小U型通风系统, 另一类为并列双U型通风系统, 而两者相比较, 大U套小U通风方式中主要是增加一条绕过采空区的外U即所谓的大U, 绕过采空区的大U线路是由于工作面的连续推进使采空区面积逐渐增大而最终导致线路增长, 相应地负压通风处理的采空区面积也增大了, 对应的采空区和大U的回风巷密闭墙也增多了。如果密闭墙密闭不严, 就会使采空区积聚的大量瓦斯涌入大U的回风巷中, 容易造成瓦斯超限, 如果增加大U进风量将会带出更多的瓦斯, 则大U失去了它原有的功效。并列双U型通风相对于大U套小U型通风巷道布置有所变化, 并且所谓的大U线路不经过采空区, 经过通风负压作用的采空区面积小, 且可任意增大风量, 瓦斯处理能力比较强[10]。

根据以前学者的研究理论和研究内容, 针对工作面上隅角瓦斯积聚和采空区瓦斯涌向工作面的问题, 本文以某矿XV1301高瓦斯综采工作面为例, 应用CFD数值模拟研究并列双U型通风方式下采空区瓦斯运移规律, 以期为解决上隅角瓦斯超限问题提出一种有效方法。

1 CFD数值模拟的理论基础

CFD数值模拟是通过时空求解得到所关注的整体流场的数学描述, 目的是得到采空区内流体流动控制方程的数值解法[11,12]。其计算流体力学基础为Navier-Stokes方程:

式中:ρ为密度;t为时间;vi, vj分别为i, j方向的速度分量;x为空间位置;p为气体压力;δ为黏力张量;Η为热焓量;q为热流量[11,12,13,14,15]。

假设工作面采空区为多孔介质, 采空区内气体运移规律符合质量和动量守恒方程, 则动量方程[11,12,13,14,15]表达式为

式中:τij为应力张量;Si为多孔介质中的动量损失源, 是由惯性和黏性损失组成的。

Si的表达式为

式中:α为采空区渗透率;u为动力黏度;C2为惯性阻力系数。

同时, 采空区内气体的运移符合质量守恒定律, 则连续性方程表达式为

式中:Sm为采空区瓦斯流入单相连续流体的涌出量[11,12,13,14,15]。

2 采空区瓦斯运移规律的CFD模拟

2.1 XV1301综采工作面基本情况

寺河矿XV1301综采工作面的绝对瓦斯涌出量约为20 m3/min, 实际进风量为1 500 m3/min;XV13013巷实际进风量为1 000m3/min, XV13011巷实际进风量为1 100 m3/min左右, XV13012巷回风量为1 700 m3/min, XV13014巷回风量为860m3/min, XV13015巷实际进风量为460m3/min。

图1为XV1301综采工作面通风系统示意。

2.2 并列双U型通风模型

根据现场提供的参数建立了工作面距开切眼380m的三维立体模型。表1为XV1301综采工作面CFD模型的基本参数, 图2为XV1301工作面CFD模型几何特征。

2.3 XV1301综采工作面并列双U型通风采空区瓦斯运移规律

模拟出的并列双U型通风方式下采空区瓦斯运移和分布基本情况如图3和图4所示。从图3正面图上可知, 工作面瓦斯的体积分数沿工作面从主进风巷到主回风巷瓦斯体积分数在逐渐增加, 离辅助进风巷越远瓦斯体积分数越大, 并且在上隅角瓦斯体积分数达到最高;从图3平面图上看, 从工作面到采空区深部瓦斯体积分数越来越大, 并且在采空区中后部达到最高, 此区域应为采空区抽采瓦斯的合理区域, 为采空区瓦斯抽采提供了一定的根据;从图3侧面图上可知, 沿工作面主回风巷方向从采空区深部到工作面瓦斯体积分数逐渐变小, 尤其是在联络巷与采空区相交的附近区域明显低于其周围的区域, 主要是由于辅助回风巷通过联络巷与采空区相连, 可以使采空区积聚的瓦斯随漏风流经过联络巷汇入辅助回风巷并连续地排出, 从而致使流过上隅角的瓦斯体积分数减小, 有效地避免了瓦斯在上隅角和采空区大量积聚的现象。从图4可以看出, 通风负压作用可以使采空区的瓦斯通过联络巷汇入辅助回风巷, 特别是在联络巷与采空区相交的地方瓦斯体积分数随着工作面的推进越来越低;在联络巷与采空区相交的地方从切片的上方到切片的底部瓦斯体积分数越来越小, 特别是到底部时瓦斯体积分数达到最小。这说明随着工作面的推进使采空区积聚的瓦斯可以随漏风流经联络巷汇入辅助回风巷排出, 从而使在联络巷与采空区相交处的瓦斯体积分数逐渐减小, 最终导致工作面流过上隅角的瓦斯体积分数减小。

3 结语

高瓦斯矿综采工作面瓦斯涌出量大, 尤其是采空区的瓦斯经漏风大量涌出, 造成上隅角和回风巷瓦斯超限等问题。而常用的工作面通风方式已很难满足工作面安全生产的需要。工作面运用并列双U型通风方式, 可使采空区大部分瓦斯随漏风经过联络巷汇入辅助回风巷连续排出, 有效避免了采空区后部瓦斯积聚的问题。

U型通风方式篇2

1 岳城煤矿概况

1.1 矿井概况

岳城煤矿位于沁水煤田中部,矿井北部为寺河矿,西部和南部分别与南河滩、夏荷、侯村和长畛四矿搭界,东部毗邻成庄矿井。设计生产能力为0.9 Mt/a,井田面积6.61 km2。井田水文地质构造简单,可采煤层为上石炭统太原组和下二叠系山西组3#、9#、15#煤层,矿井工业储量为77 782 kt,可采储量为46 082 kt,服务年限为39.3 a。目前矿井单水平开拓开采3#煤层,其平均厚度6.1 m,属无烟煤。

矿井布置有主斜井、副斜井、专用进风斜井、回风立井。通风方式为中央并列式,通风方法为机械抽出式,其中主斜井、副斜井、专用进风斜井为进风井,回风立井承担整个矿井的回风任务。回风立井安设2台型号为FBCDZ-8-No.32对旋式主通风机,配套电动机功率为2×710 kW,一用一备,矿井总回风量11 500 m3/min,主通风机运行负压1 780 Pa,矿井等级孔为5.41 m2,为通风容易型矿井。

建井初期,岳城煤矿3#煤层瓦斯含量测定为14.54 m3/t,属高瓦斯矿井,煤层自燃倾向性为三类,不易自燃,煤尘无爆炸危险性。

岳城煤矿最终确定工作面采煤方法为走向长壁分层开采,采煤工艺为综合机械化开采,顶板控制为直接垮落法。自2008年矿井投产至今,岳城煤矿已顺利回采1301(上)及1302(上)工作面,目前正在回采1303(上)工作面,并且矿井也完成了当年投产、当年达产的目标。

1.2 工作面通风方式

1301(上)综采工作面是该矿首采工作面,3#煤层瓦斯含量高,结合工作面采煤方法及采煤工艺,在回采过程中瓦斯涌出量预计较高。在加强工作面瓦斯抽采达标的基础上,岳城煤矿深入开展了工作面巷道布置形式和通风系统的调研工作。邻近的寺河矿、成庄矿回采工作面为一次采全高大采高综采工作面和放顶煤综采工作面,且两矿3#煤层瓦斯含量均低于岳城煤矿,两矿的通风方式尽管对岳城煤矿有一定的借鉴意义,但由于岳城煤矿走向长壁分层开采的采煤方法决定了采空区的瓦斯涌出量会远远大于两矿,且其规模比寺河、成庄矿小,套用两矿三进两回大断面大风量通风方式显然会造成大量的煤柱煤丢失,其采煤工作面通风方式不太适合岳城煤矿;而相邻的地方煤矿当时回采工作面多为滑移支架炮采工作面,与目前岳城煤矿综采工作面采煤工艺不同,工作面通风系统无现成的经验可以借鉴。经多方论证、优化对比,最终确定了首采工作面的巷道布置形式和通风方式。

1301(上)回采工作面从左到右共布置有4条平巷,分别为1201、1202、1204、1203巷。其中1203、1204巷与矿井东翼轨道巷、东翼胶带巷连接,为工作面进风巷;1201、1204巷分别与东翼回风巷连通,承担工作面的回风任务。1201、1203巷通过工作面切眼后方尾巷连通,构成了工作面外圈的大U系统;1202、1204巷连通工作面切眼,构成了工作面的小U系统,如图1所示。

2 双U型工作面两进两回通风方式应用分析

2.1 配风量及瓦斯涌出情况

为切实掌握矿井工作面瓦斯涌出特征,使配风工作做到有的放矢,首先对1301(上)工作面回采期间风量分配及瓦斯涌出情况进行分析,相关统计情况见表1。

从表1可知,工作面落煤期间瓦斯涌出量为4 m3/min,占整个工作面瓦斯总涌出量的13.79%;采空区瓦斯涌出量较大,为13 m3/min,占整个工作面瓦斯总涌出量的44.82%;4条平巷累计涌出量为12 m3/min,占整个工作面瓦斯总涌出量的41.39%;工作面风排瓦斯总量为29 m3/min,占整个矿井瓦斯总涌出量的56%。

2.2 工作面瓦斯来源分析

工作面于2008年10月7日试生产,工作面煤体经顺层钻孔预抽及切眼初采推进段加强预抽后,落煤期间工作面瓦斯涌出量较小,为4 m3/min。

工作面采空区瓦斯涌出量较大,这是因为3#煤层上分层开采后,下分层由于被解放,煤体中大量吸附态瓦斯转化为游离态瓦斯,成为采空区瓦斯涌出的主要来源;另外,3#煤层顶板及邻近1#、2#煤层和上覆瓦斯岩层的垮落是采空区瓦斯涌出的又一个重要因素。

由于工作面的回采和采空区的垮落,工作面周边煤体大量的瓦斯通过工作面切眼后方尾巷的煤壁、底板运移至平巷中,这也是工作面瓦斯涌出的一个重要组成部分[1,2,3]。

2.3 双U型工作面两进两回通风方式的应用原理与效果

2.3.1 应用原理

如图1所示,该通风系统为2个相对独立又相互影响的U型通风系统。其中工作面里圈小U系统主要承担工作面正常回采时的供风任务;外圈大U系统满足工作面采空区抽放、联络巷密闭施工、备用工作面预抽工作以及上隅角通往联络巷采空区稀释瓦斯的风量需求。大U系统和小U系统通过2条进风巷中部联络巷可以进行工作面切眼和尾巷之间的风量调节工作,真正实现工作面以风定产;利用工作面回风侧采空区后方联络巷,使工作面负压点向后移,采空区漏风原来涌向上隅角。采取后部通风后,大量采空区及上隅角的瓦斯通过后部联络巷流向后部回风巷道,上隅角瓦斯浓度大大降低,通过对风流的有效控制,使采空区瓦斯通过上隅角涌向工作面,保证工作面的安全正常回采。

2.3.2 应用效果

1301(上)综采工作面从开始回采到结束,由于工作面无特殊地质构造影响,工作面日产量平均3 000 t左右,最高日产量达3 700 t。仅在初次老顶来压时,上隅角瓦斯超限1次,瓦斯体积分数最高达3.2%,其他均在正常控制范围内,说明此种工作面通风方式较为适合岳城煤矿工作面采煤方法及采煤工艺的通风要求,能提供可靠稳定的风量,并能有效解决上隅角及采空区的瓦斯涌出问题[4,5,6,7]。

2.4 双U型工作面两进两回通风方式的应用优点

1)供风量大,通风设施施工安全系数高。相比传统的U型及U+L型通风系统,该系统具有风量大、工作面上隅角瓦斯不易积聚,以及采空区联络巷密闭施工方便、采空区瓦斯抽放工作管理方便等诸多优点。工作面最大供风量可达5 000 m3/min,与传统U型通风系统相比,两进两回系统风量可显著增加,能有效缓解工作面瓦斯涌出量大的压力;密闭墙施工处于全风压风流中,风量可靠稳定,施工安全系数高;采空区抽放管路在工作面整个回采期间始终处于全风压风流中,有利于采空区瓦斯抽放的控制与调节。

2)可实现工作面风量合理配置。该通风系统可以通过两回风巷间上隅角通道联络巷、下一个通风开路联络巷、回风巷口的调节风窗进行风流有效控制、合理分配风量,且大U和小U系统通过2条进风巷中部联络巷进行回采工作面和尾巷之间的风量调节,实现大U与小U系统间合理的风量分配;利用工作面回风侧采空区后方联络巷通过风流有效控制采空区瓦斯经过上隅角涌向工作面,保证工作面的安全正常回采。

3)可避免形成盲巷,减少瓦斯排放工作。相比U+L型通风系统或者是无后切眼的两进两回通风系统,双U型工作面两进两回通风系统在工作面的整个回采过程中,外部大U系统均处在全风压风流中,因此,不会形成盲巷,工作面每推进一个联络巷在回风侧巷道也无须砌筑密闭,减少了下一个工作面通风系统调整时的瓦斯排放工作。

4)双U型工作面两进两回通风系统在工作面的整个回采过程中,外部大U系统均处在全风压风流中,内部小U系统为工作面出煤系统,因此,可以在巷道掘进或者在工作面回采期间,在外部大U系统2条巷道中,对正回采工作面的两侧的部署工作面施工顺层钻孔,提前对部署工作面煤体瓦斯进行预抽,增加瓦斯预抽时间,提高工作面抽采率,形成矿井正常的抽掘采衔接。

3 结论及建议

1)双U型工作面两进两回通风方式主要适用于由于工作面煤体透气性系数低、瓦斯衰减系数小而产生的抽采效果不理想,却在机组割煤或者在放顶煤情况下随着煤体的破碎大量吸附瓦斯解吸涌出工作面,或者分层开采时由于压力平衡破坏未采煤层的大量吸附瓦斯也涌出工作面,致使工作面、上隅角瓦斯难以解决的矿井。

2)对于本煤层瓦斯含量高,需要对本煤层煤体瓦斯施工钻孔进行预抽采的工作面,如果矿井又具有煤与瓦斯突出危险,而采用本煤层钻孔进行区域消突的矿井,采用双U型工作面两进两回通风方式,不仅可以提前对下一回采工作面及预掘巷道煤体瓦斯进行预抽,且外部大U系统均处在全风压风流中,施工钻孔不易产生瓦斯积聚。

3)双U型工作面两进两回通风方式,部分风量进入采空区,负压点后移,致使在尾段采空区不可避免地有漏风进入,对于自然发火期短的煤层来说会产生极不利的影响。因此,要在有自燃倾向的煤层中使用该通风方式,必须制订严格可行的防灭火技术措施和安全措施,开展专题研究,以确保安全。

参考文献

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[6]樊启文.“两进两回”通风方式及多种抽采方法在腾晖煤业放顶煤开采中的成功应用[J].中国科技信息,2013(1):59-60.

U型通风方式篇3

壁式采煤工作面通风系统的基本类型有U型后退、U型前进、Z型后退、Z型前进、Y型、W型等。其中U型后退型 (简称“U型”) 勿需沿空留巷, 在煤矿生产中应用较广。但是, U型通风上隅角瓦斯浓度 (传感器距巷顶不得大于0.3 m、距巷帮不得小于0.2 m) 容易超限是其不足[1]。

关于上隅角瓦斯浓度超限治理的方法文献[2]给出了8种: (1) 用风障引导新鲜风流稀释、带走上隅角处的瓦斯; (2) 向上阶段采空区漏风排瓦斯 (仅适用于煤炭不易自燃的情况) ; (3) 脉动通风技术, 即在正常通风风流中叠加脉动风流, 增加风流的紊流扩散系数, 提高风流驱散局部积聚瓦斯的能力; (4) 用小型液压风扇 (轴流式) 吹散上隅角的积聚瓦斯; (5) 采用环缝式空气引射器引射上隅角积聚的瓦斯; (6) 采用高压水射流风机引射上隅角处积聚的瓦斯; (7) 采用GDS-1型瓦斯自动排放系统, 该系统由抽出式无火花风机、瓦斯传感器、控制装置、调节风门、吸风器和若干风筒组成, 抽取上隅角瓦斯; (8) 采用插管或埋管、移动式抽放泵抽放上隅角瓦斯, 辅以沙袋封堵上隅角等。这些方法在生产中发挥了一定作用, 但有的回采工作面治理效果较好, 有的则差强人意, 有时即使是一个回采工作面的不同地段也存在较大差异。

上隅角是回采工作面瓦斯浓度最高的区域, 因此, 《煤矿安全规程》规定上隅角处的瓦斯浓度不得大于1% (有些煤矿规定为0.8%甚至更低) 能够保证回采工作面其他地点的瓦斯浓度都不会超过1%。但是, 当上隅角以及支架之间瓦斯浓度超过1%时, 上述8种方法对支架之间的超限无能为力, 对上隅角处超限的治理效果往往也不理想。

为了解决上隅角及支架之间瓦斯浓度的超限问题, 首先应弄清楚瓦斯浓度超限的根本原因, 然后才能提出相应的对策。

2 U型通风上隅角瓦斯浓度理论计算

2.1 影响因素分析与计算方法简介

上隅角处的瓦斯浓度受多种因素的影响, 这些因素包括: (1) 采空区遗煤量及遗煤放出瓦斯的情况等; (2) 周期来压时顶板的挤压作用; (3) 仰采; (4) 大气压力的变化[3]; (5) 上、下邻近层的影响[4]等。周期来压时顶板的挤压过程持续时间较短;仰采与大气压力的变化属自然因素;下邻近层的影响相对较小, 本文均暂不研究。本文只研究采空区遗煤及上邻近层的影响, 这是生产中最主要的影响因素。

若以支架所在的位置为采空区的起始边界 (动边界) , 则上隅角属于采空区边界的一部分, 上隅角处的流场参数 (包括瓦斯浓度) 是已知的。通常, 根据边界条件等可以确定采空区内部的流场, 如为防止采空区内的遗煤自燃, 需要研究采空区内的温度场等, 此即所谓的正问题。由于采空区起始边界回风侧一半上的流场参数不是常量, 边界条件的设定有困难, 因此, 在实际计算中, 需要扩大计算区域, 包括一部分进风巷和回风巷。因为离回采工作面较远处的进风巷、回风巷内的流场参数可以认为沿断面是常量。当然, 计算区域扩大后, 内部结构更复杂, 进行解析研究的难度增大, 可能需要采用数值模拟方法[5], 而数值模拟有其自身缺点, 如每个参数的影响不是一目了然等。

根据采空区内部的情况求边界上的情况, 属于所谓的反问题。通常, 反问题比正问题更难解, 有时候需要做简化处理。以下计算由采空区遗煤导致的上隅角处的瓦斯浓度超标问题即属于反问题, 这里采用理论分析法。

2.2 采空区遗煤导致的上隅角瓦斯浓度的理论计算

煤层较厚时, 以前常采用分层开采;近年来, 为了提高生产效率, 多采用放顶煤开采工艺, 其主要缺点是煤损多, 因此特别容易造成上隅角瓦斯浓度超限, 许多煤矿的瓦斯问题都与放顶煤有关。

回采工作自切眼开始, 起初采空区面积较小, 采空区内的遗煤较少, 上隅角处瓦斯浓度不超限。随着回采工作的推进, 采空区面积越来越大, 上隅角瓦斯浓度越来越高, 其后即处于一定范围内, 不再受走向方向长度的影响。因此, 可将整个问题看作是准定常的 (考虑工作面推进速度的影响) , 甚至是定常的 (不考虑工作面推进速度的影响) 。

采空区共有6个边界, 暂不考虑上下邻近层、左右采空区以及切眼外实体煤的影响, 则上边界可取为采动裂隙带的高度, 下边界可取为煤层底板, 两侧取为采空区的内边界, 后方取为切眼处实体煤边界, 上、下、左、右、切眼处均可取为第二类边界条件, 即

式中:c为瓦斯浓度, %;n为边界的外法线方向的单位矢量;s表示边界。

如图1所示, 采空区前方边界x=0, 0≤y≤L, 沿倾向可分为2段:0≤y≤L/2, c=0 (向采空区内漏风) 和L/2≤y≤L, c=c (y, z) (漏入采空区内的风又从采空区内流出) , 这里, L为工作面长度, z为高度 (即垂直纸面) 方向的坐标。

c=c (y, z) 可通过实测确定。考虑采高及冒落带内的流动, 由于采高与冒落带的高度通常远小于L, 可将采高与冒落带范围内的流动看成二维的, c=c (y, z) 简化成c=c (y) , 问题可大大简化。

假设c=c (y) 为线性关系, 即

式中k为待定系数。

根据质量守恒, 单位时间内, 漏风从采空区内带出的瓦斯总量近似等于经过上、下隅角的流线与采空区支架边界之间的遗煤放出的瓦斯总量, 即有

式中:Ql为漏风量, m3/min;Mr为采空区起始边界与经过上、下隅角的流线之间的遗煤量, t;f为单位时间单位质量的煤放出的瓦斯量 (体积) 。

根据文献[3]:

式中:P1、P2分别为下、上隅角处的风流静压, 可通过井下实测获得, 当没有实测结果时也可按 (P1-P2) /L= (0.45~0.65) 估算, Pa;hc为煤层高度, m;r为采空区渗流阻力系数Pa·s/m2。

文献[3]给出了经过上、下隅角的流线的方程, 近似为, 它与采空区支架起始边界围成的图形的面积为, 故

式中:hr为遗煤的厚度 (折算为采前) , m;ρc为煤的密度, kg/m3。

同样, 根据文献[3]:

式中:ψ为经验常数, 进风侧约为1×10-6m2/kg量级, 回风侧约为2×10-6m2/kg量级;g0为初始瓦斯释放速度, m3/min·m2;n为经验常数, 2.8×10-7s-1;作为简化处理, 可取x=L/2, m;vt为工作面平均推进速度, m/d。

将式 (3) 、 (4) 一起代入式 (2) 得,

上隅角处 (y≈L) 的瓦斯浓度为,

可见:f、hr、L越大, c越大, 符合预期。

3 古书院煤矿153302回采工作面上隅角瓦斯浓度预测及试验检验

古书院矿15号煤层三盘区平均厚度为1.9 m, 煤层顶板为K1灰岩, 平均厚度为9 m左右, 局部顶板为泥质灰岩, 易离层或片帮, 顶板有淋水。

153302工作面为15号煤三盘区的首采工作面, 设计走向长度为2 028 m, 倾斜长度180 m, 煤层倾角平均为6°, 采用一进一回两巷布置, 由于该面上部9号煤层有压煤, 第一段设计回采长度为860 m。

153302工作面2013-08-02日开始回采, 平均日推进6 m (Vt=6 m/d) , 至2013-10-23推进540 m左右。回采过程中, 上隅角瓦斯浓度一般在0.15%~0.45%之间变化。取r=1.1 8×1011Pa·s/m2, ρc=1 300 kg/m3, ψ=2×10-6m2/kg, g0=0.009 6 m3/min·m2, (P1-P2) /L=0.6 Pa/m, hr=0.1 m, hc=1.9 m, L=180 m, 代入式 (6) , 得c=0.53%, 与实际情况相当一致, 说明式 (6) 具有一定参考价值。

4 结论

U型通风上隅角瓦斯浓度容易超限是这种通风方式的固有缺陷, 尤其是采用放顶煤采煤法时问题更加严重。古书院煤矿153302回采工作面煤层厚度1.9 m, 采用综采机械化采煤法, 回采率很高, 采空区遗煤很少, 回采过程中上隅角瓦斯浓度没有超过1%, 属于通过通风措施即可解决上隅角瓦斯浓度超限问题的情况, 理论研究与井下试验均说明了这一点。

参考文献

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[4]AQ1018-2006, 矿井瓦斯涌出量预测方法[S].

U型通风方式篇4

铜川矿业焦坪矿区综采工作面的U+L型通风方式不同于传统的U型通风方式, 它形成于2004年前后, 当时为解决抽采瓦斯与防灭火问题而布置有高抽巷和灌抽巷;随着矿井瓦斯抽采和防灭火技术的不断提高, 取消高抽巷与灌抽巷已成为可能。本文结合焦坪矿区实践, 借鉴其它矿区的先进作法, 就如何取消综采工作面高抽巷与灌抽巷, 实现U型通风方式的可能性进行分析。

1 矿区概况

铜川矿业焦坪矿区位于黄陇煤田的东段, 北与黄陵县为邻, 南至耀州区庙湾镇, 东以煤层露头为界, 西至马栏转角, 井田总面积65.87 km2, 现有陈家山、下石节、玉华3对生产矿井, 核定生产能力为555×104t/a。

煤层赋存:焦坪矿区主要可采煤层为4-2#煤层, 3#和4-1#煤层局部可采。4-2#煤层厚度0.8 m~34.3 m, 平均10 m, 倾角4°~10°。瓦斯赋存量1.38 m3/t~7.26m3/t, 矿井瓦斯相对涌出量5.21 m3/t·d~28.07 m3/t·d, 矿井最大瓦斯绝对涌出量达76.31 m3/min (陈家山矿) 。

煤尘爆炸指数和自燃发火期:煤尘具有爆炸危险性, 爆炸指数35%~44.37%, 爆炸火焰25 mm~860 mm。煤层易自燃, 发火期一般3个月~6个月, 最短24 d, 煤层着火温度266℃~330℃, 氧化程度50%~89%。

2 矿区综采工作面通风方式

2004年以前, 综采工作面的通风方式为双U型立体交叉式;2004年陈家山11.28瓦斯爆炸事故后, 取消了布置在煤层中的高位巷, 取而代之的是布置在岩巷中的高抽巷, 通风方式逐步演变为U+L型, 即每个综采工作面由4条巷道组成:运顺、回顺、灌抽巷和高抽巷等。

综采工作面运顺布置在煤巷中, 作为进风和运输巷;回顺布置在煤巷中, 作为回风和副助运输巷;灌抽巷布置在煤层中外错回顺20 m~25 m, 主要作用是滞后工作面进行黄泥灌浆、高抽巷施工开口位置和进行卸压抽采等, 里段横川以里为局部通风, 里段横川以外为全矿压进风巷;高抽巷布置在岩巷中内错回顺15 m, 高出煤层顶板10 m以上, 发挥高抽巷抽采作用 (见图1) 。

3 综采面现有通风方式的优缺点

主要优点:a) 能有效地将采面瓦斯涌出量中的大部分通过高抽巷抽出地面, 一般可占矿井瓦斯抽出量的75%~80%;b) 能实现瓦斯抽采多样化, 可实现采前预抽、高抽巷抽采、滞后卸压抽采和高位裂隙钻孔抽采等;c) 综采工作面防灭火手段多样、可靠, 灌抽巷滞后采面进行灌浆和注三相泡沫措施更为有效;d) 高抽巷可分段施工, 缓解高抽巷接续。

主要缺点:a) 1个工作面由4条巷道组成, 巷道工程量大, 不利采掘接续;b) 高抽巷按照规定布置在岩巷中, 施工成本较大;c) 高抽巷高出煤层顶板10 m以上, 工作回采当中滞后采面垮落, 易发火;d) 灌抽巷外错布置25 m, 这部分煤炭很难回采, 煤炭资源损失较大;e) 并不能解决瓦斯防治过程中的所有问题, 如瓦斯异常涌出区域, 若抽采能力跟不上, 就可能出现瓦斯超限现象。

4 采面U型通风可能性分析

铜川矿业焦坪矿区所采4-2#煤层, 瓦斯含量大、涌出量大、易发火。正因为U+L通风方式能基本解决瓦斯抽采和防灭火问题, 所以该通风方式得到了长期应用;但该通风方式的缺点也是显而易见的, 玉华和下石节煤矿采掘接续紧张就是例证, 已开始制约矿井正常生产。如果我们采取一些更为有效的措施处理好瓦斯防治和防灭火工作, 就有可能取消灌抽巷和高抽巷, 实现U型通风。

4.1 灌抽巷的作用和取代方法手段

灌抽巷的主要作用:滞后工作面推采进行黄泥灌浆、高抽巷抽采开口位置、高位裂隙钻孔施工地点等。

取代方法:a) 在回顺巷道中敷设2趟Φ100 mm灌浆管路, 2趟管路在上隅角处迈步断开, 管口 (或断口) 埋入到确定位置后进行黄泥灌浆, 实现滞后工作面推采灌浆;b) 高抽巷开口可在回顺巷道中进行, 开口段巷道坡度可能较大, 同时要求采面设计中应考虑高抽巷在回顺开口时的断面要求;c) 高位裂隙钻孔的施工也放在回顺中进行, 将倾向钻孔改为走向钻孔施工, 可考虑先施工钻场, 再在钻场中施工钻孔。

4.2 高抽巷的作用和取消方法手段

高抽巷的主要作用:进行边采边抽工作, 是焦坪矿区综采工作面目前最主要的抽采手段。

取消方法:焦坪矿区铜川矿业所属3对矿井采4-2#煤层, 瓦斯赋存量1.38 m3/t~7.26 m3/t, 平均赋存量5.51 m3/t, 矿井瓦斯相对涌出量5.21 m3/ (t·d) ~28.07m3/ (t·d) , 全为高瓦斯矿井。不进行瓦斯抽采, 仅靠风排瓦斯将无法正常生产。若要取消高抽巷, 最有效的办法是将煤层瓦斯含量由5.51 m3/t降低到3.0 m3/t以下或更低, 实现高瓦斯矿井低瓦含量开采。

降低煤层瓦斯含量作法:a) 增加掘进队施工力量, 提前形成综采工作面, 为矿井区域预抽、采前预抽留出时间和空间;b) 开展矿井区域预抽, 使预抽时间不少于2 a;c) 进行边掘边掘和采前预抽, 使煤层瓦斯含量降至3.0 m3/t以下, 预抽时间不少于1 a;d) 生产期间开展高位裂隙钻孔抽采, 回顺施工钻场, 在钻场中施工高位裂隙钻孔;e) 生产期间在上隅角进行埋管抽采, 管径不小于300 mm较好。

焦坪矿区综采工作面要实现U型通风, 可分两步走。a) 取消灌抽巷。在实践中探索, 主要是解决好采面防灭火、高抽巷在回顺开口施工等问题;b) 取消高抽巷。这一问题需谨慎从事、认真对待, 不可能一步到位, 主要是用抽采瓦斯的方法降低煤层瓦斯含量, 如果这一步没有作到位, 高抽巷就不能盲目取消, 其次是开展好工作面生产期间的瓦斯抽采工作。

5 实现U型通风的初步实践与探索

玉华矿井是铜川矿业焦坪矿区3对矿井之一, 2013年鉴定矿井瓦斯绝对涌出量20.87 m3/min, 相对瓦斯涌出量7.44 m3/t, 按照《煤矿瓦斯等级鉴定暂行办法》划分, 为高瓦斯矿井。

按照实现综采工作面U型通风分两步走的设想, 作了4个方面的工作。

a) 2406综采工作面通风方式不变, 但将高抽巷开口位置放在了回顺, 截止现在高抽巷已施工完毕, 抽采接续正常;b) 对2405工作面设计进行了修改, 取消了灌抽巷, 高抽巷继续保留;c) 2405运顺积极开展采前预抽、煤层瓦斯含量测定等工作, 定期测试抽采效果;d) 施工2405回顺高位裂隙钻孔、准备上隅角埋管抽放, 待工作面回采生产时进行取消高抽巷试验工作, 一旦条件成熟, 最终取消灌抽巷和高抽巷, 实现U型通风和减少煤炭损失。

由于阅历和理论水平有限, 只是结合铜川矿业焦坪矿区3对矿井实际, 浅谈了综采工作面U型通风的可行性。

6 结语

U型通风方式篇5

关键词：煤层群开采,沿空留巷,U型通风,局部通风,煤与瓦斯共采

1 工作面概况

新庄孜矿52208工作面位于五水平二采区, F10-5断层以北, F10-5 (8) 断层以南。上限标高为-556 m, 下限标高为-612 m。工作面回采B8煤层, 走向长500 m, 面长180 m, 煤层厚度1.6～2.4 m, 平均2.0 m, 采高2 m, 倾角23°, 煤层体积质量1.37 t/m3。采用单一走向长壁综合机械化采煤方法, 自然垮落法控制顶板。

相邻52210工作面回采过程中下伏的B8, B7, B6煤层进行了强化抽采, 根据抽采量计算B8煤层钻孔控制卸压区域的残余瓦斯含量为6.7 m3/t, 在52208工作面的回采范围内B7, B6煤层的残余瓦斯含量分别为7.8, 11.4 m3/t。预计52208采煤工作面相对瓦斯涌出量为27.03 m3/t, 工作面日产2 500 t原煤的绝对瓦斯涌出量为46.27 m3/min。

为实现煤层群上保护层多重开采卸压消突保护效果, 同时为缓解矿井采掘接替紧张问题, 根据煤层赋存地质特征, 52208工作面设计回采120 m后风巷进行沿空留巷, 留巷作为上阶段52108工作面巷道, 留巷长度约330 m。

由于52208工作面回采120 m后进行风巷留巷, 工作面周围巷道系统又无法形成Y型通风系统, 只能采用U型通风方式。因此, 随着工作面推进, 留巷段必然成为盲巷, 若每间隔一定距离 (10 m) 对留巷进行封闭, 则留巷空间必将形成高浓度瓦斯库, 存在潜在的安全威胁。研究决定强化瓦斯抽采, 330 m的留巷不封闭, 设计采用2×18.5 kW局部通风机对沿空留巷段进行局部供风, 保证留巷空间内风流瓦斯浓度在允许范围内, 实现工作面的安全生产。

2 回采期间瓦斯综合治理方案设计

2.1 通风系统和风量的配备

52208工作面日产2 500 t原煤的绝对瓦斯涌出量为46.27 m3/min。设计工作面瓦斯抽采率70%, 风排瓦斯量13.81 m3/min, 因此, 工作面的设计供风量:

Q采undefined

式中 Q采——采煤工作面需风量, m3/min;

q风——风排瓦斯量, 取13.81 m3/min;

K采通——采煤工作面瓦斯涌出不均匀系数, 取1.1～1.2;

C——回风流中允许瓦斯浓度, 取0.8%。

计算得:Q采=1 908～2 082 m3/min。

设计工作面风量不低于1 600 m3/min, 沿空留巷段局部通风机供风不得小于300 m3/min, 总回风不得小于1 900 m3/min。

52208沿空留巷段局部通风机设置在-556～-612 m的52208煤上山进风侧, 风筒距沿空留巷段南端封闭不大于5 m, 在工作面上口或风巷适当地点设置三通, 利用三通控制风筒出风口风量, 调节沿空留巷段与采空区压差, 控制上隅角瓦斯流向, 调节控制以工作面上段架档φ (CH4) 不超过1%为原则。

2.2 卸压瓦斯抽采方法

2.2.1 下伏B6, B7煤层卸压瓦斯抽采

新庄孜煤矿B8煤层与B4煤层层间距41.92 m, 相对层间距 (层间距与开采煤层采高之比) 20.9倍条件下, 通过现场考察, 上保护层卸压开采后B4煤层膨胀变形达到了最大值27.1×10-3, 远远超过了6‰;下部卸压煤层透气性能大大增加, 达到22.2 m2/ (MPa2·d) , 即是原始透气性系数的600倍。

52208工作面下部B6煤层底板具有一底板岩石巷 (-612 m 52206底抽巷) , 工作面回采后下部对应B6, B7煤层能够充分卸压, 透气性显著增加。为防止卸压瓦斯涌向52208工作面, 提高瓦斯抽采效率, 在对应的卸压范围内由底抽巷向卸压的B6, B7煤层施工穿层钻孔, 预抽B6, B7煤层原始瓦斯和回采期间抽采受采动影响的卸压瓦斯 (见图1) 。底抽巷长600 m, 每隔15 m施工1组钻孔, 共计40组钻孔, 每组10个孔, 钻孔穿过B7a煤层顶板, 孔底间距20 m, 预计每组钻孔750 m, 钻孔总工程量为30 000 m。

2.2.2 工作面留巷采空侧顶板楔形裂隙区富集瓦斯抽采

开采层顶板裂隙发育演化试验和数值模拟结果表明:首采煤层复合顶板的采场顶板裂隙区为楔形。裂隙充分发育区位置:垂直煤层顶板向上2.7～8.3倍采高 (8～25 m) , 倾斜方向0～30 m。随首采关键煤层的开采, 首采卸压煤层和相邻卸压煤层内的瓦斯卸压、解吸, 由于瓦斯具有升浮移动和渗流特性, 来自于大面积的卸压煤层的瓦斯沿裂隙通道汇集到顶板楔形裂隙充分发育区, 即汇集到顶板楔形裂隙区, 在顶板楔形裂隙槽内形成卸压瓦斯积存库。对于沿空留巷或高抽巷条件, 把抽采钻孔布置在顶板楔形裂隙槽, 能够获得理想的抽采低位高浓度瓦斯效果, 可以避免采空区瓦斯大量涌入到回采空间。

根据52208工作面相邻空间巷道布置, 设计在留巷内每15 m施工1组顶板倾向孔, 每组5个孔, 钻孔终孔设置在工作面顶板上偏采空侧20 m范围内, 钻孔均匀布置, 预计每组钻孔200 m, 共计22组钻孔, 钻孔总量为4 400 m, 见图2。采用BF-10/1.2封孔器配合水泥砂浆封孔, 封孔深度不小于8 m。

2.2.3 充填墙体埋管抽采采空区瓦斯

52208工作面煤层倾角大, 下部有近距离煤层群, 采后卸压煤层瓦斯向采空区上部积聚, 易造成上隅角和留巷瓦斯浓度超限。为保证较高的瓦斯抽采率, 保证工作面本质安全型生产, 设计在留巷 (回风巷) 内布置2路Φ245 mm瓦斯管, 充填墙体每4 m埋1路抽采管分别交叉接入不同的抽采管路, 抽采采空区卸压瓦斯。在每一分支管道上设置一个三通和闸阀, 通过闸阀和三通连接到留巷抽采瓦斯管道上。为提高采空区埋管抽采瓦斯效果, 在留巷内保持5～10个采空区抽采管道与埋管抽采主管道连通, 抽放口与工作面上口的距离20～40 m, 其它的采空区抽采管道的闸阀关闭, 见图3。当工作面瓦斯涌出量大或瓦斯涌出异常时, 通过控制采空区埋管抽采管道口的数量和开启程度控制采空区瓦斯抽采量和抽采瓦斯浓度。

2.2.4 顺层钻孔抽采本煤层瓦斯

由于上部52210工作面已回采, 对于回采下部卸压不充分的对应工作面应力集中段 (上部风巷50 m、下部运输巷80 m的条带区域) , 在风巷施工下向顺层孔, 每隔5 m 1个, 共计10个钻孔, 每个钻孔长85 m, 钻孔总量为850 m;在运输巷施工上向顺层孔, 每隔5 m 1个, 共计16个钻孔, 每个钻孔长100 m, 钻孔总量为1 600 m;超前预抽工作面瓦斯和回采期间抽采卸压瓦斯。

2.3 留巷墙体的加固和封堵

52208工作面煤层直接顶板为灰色砂质泥岩, 厚3～4 m;老顶为砂岩, 厚2.0～5.0 m。工作面回采后顶板垮落、破坏, 加之顶板原有裂隙, 采空区高浓度瓦斯将沿着沿空留巷墙体顶、底板裂隙漏向留巷空间, 易造成留巷空间瓦斯浓度超限。因此, 为减少采空区瓦斯涌入留巷空间, 墙体稳固后设计在留巷顶部和帮部喷水泥浆封闭, 喷浆时要均匀严实, 平均厚度50 mm。过断层等地质构造带时施工钻孔向构造带内注水泥浆封堵裂隙, 孔隙较大时注水泥浆或注入罗克休进行充填。

2.4 通风系统的保障措施

52208工作面通风系统周边有3组主要的永久通风设施:-556 m 5210绕道进回风隔离风门、-556 m 5210 溜煤道进回风隔离挡风墙、-556～-612 m 52208煤上山阻力调节风门 (与52208工作面并联支路增阻调节) 。对于该3组通风设施通风区必须增设风门管理牌板, 加强管理、增加检维修次数, 确保运行稳定可靠。

3 单巷留巷U型通风工作面瓦斯治理效果

3.1 抽采瓦斯量与抽采瓦斯浓度

52208工作面于2008年10月10日由南向北回采, 回采120 m后对风巷段沿空留巷, 留巷长度共330 m, 2009年2月15日回采完毕。52208工作面回采期间瓦斯涌出随时间变化情况见图4, 不同抽采方法的抽采瓦斯量见图5。

从图4可以看出, 52208工作面瓦斯总涌出量大于35 m3/min, 平均为43.82 m3/min, 与分源法预测结果基本一致。其中, 风排瓦斯9.58 m3/min, 占21.9%;抽采总量34.24 m3/min, 占78.1%。由图5可知, -612 m 52206底板巷穿层孔抽采卸压瓦斯的抽采浓度40%～65%, 抽采瓦斯纯量平均为28.74 m3/min, 占抽采总量83.9%, 开采上保护层邻近卸压煤层瓦斯抽采效果较好;由于上部B10煤层已回采, 同时下部卸压瓦斯大部分被底板巷穿层钻孔拦截抽采,

52208风巷中的下向顺层孔和顶板倾向孔的抽采浓度6%～8%, 采空区积存的瓦斯浓度不高, 瓦斯抽采纯量平均为2.10 m3/min, 占抽采总量6.1%;采空区埋管抽采浓度6%～8%, 抽采瓦斯纯量平均为1.90 m3/min, 占抽采总量5.6%;52208工作面巷道上向顺层孔抽采浓度8%～12%, 抽采瓦斯纯量平均为1.50 m3/min。因此, 高瓦斯煤层群开采应重点关注卸压煤层的瓦斯抽采。

3.2 风流瓦斯浓度

52208工作面回采初期, 回风量只有1 600 m3/min, 回采120 m后开始沿空留巷, 局部通风机风量317 m3/min;工作面回风量1 917 m3/min, 由于强化了卸压瓦斯抽采, 工作面回风流中瓦斯浓度均小于0.7%, 上隅角瓦斯浓度小于1%。由于采取留巷墙体埋管抽采采空区瓦斯和密封充填墙体裂缝减少采空区瓦斯涌出, 及时增加留巷局部通风量, 加大留巷内的风排瓦斯量, 留巷空间内的风流瓦斯浓度始终小于0.8%, 完全解决了工作面局部瓦斯积聚和瓦斯超限问题, 实现了单巷留巷U型通风工作面的安全高效生产。

3.3 煤与瓦斯共采效果

52208工作面单巷留巷U型通风回采过程中, 日产原煤最高3 311 t, 平均日产原煤2 038 t, 工作面平均绝对瓦斯涌出量43.82 m3/min, 其中, 风排瓦斯9.58 m3/min, 占21.9%;抽采总量34.24 m3/min, 占78.1%。不仅有效地控制了工作面回风流的瓦斯浓度, 保证工作面的安全高效回采, 而且还形成了“煤与瓦斯共采”的开采体系, 实现了在采煤的同时也采出洁净的瓦斯能源, 实现了煤与瓦斯的安全高效开采。

4 主要结论

1) 高瓦斯低透气性煤层群开采, 采煤工作面的瓦斯治理关键在于工作面回采过程中相邻区域卸压煤层瓦斯的高效抽采。采用穿层钻孔抽采被保护煤层卸压瓦斯技术可实现高浓度卸压瓦斯的高效抽采, 抽采的大流量高浓度瓦斯可以直接利用。

2) 52208工作面采用单巷沿空留巷U型通风方式和强化抽采卸压瓦斯技术, 解决了工作面局部瓦斯积聚和瓦斯超限问题, 实现了单巷留巷U型通风工作面的安全高效生产, 为类似条件下高瓦斯矿井采煤工作面沿空留巷煤与瓦斯共采提供实践指导和技术支持。

3) 52208工作面单巷留巷U型通风实践证明, 使用该技术不仅有效地控制了工作面回风流的瓦斯浓度, 保证工作面的安全高效回采, 而且还形成了“煤与瓦斯共采”的开采体系, 实现了在采煤的同时也采出洁净的瓦斯能源, 取得了显著的经济效益和社会效益。

参考文献

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