陳 滔 孟海龍 張 標(biāo)

(1.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南省焦作市，454010；2.山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司大陽煤礦分公司，山西省晉城市，048000)

★ 煤礦安全 ★

U型通風(fēng)工作面瓦斯治理方案優(yōu)選

陳 滔1孟海龍2張 標(biāo)2

(1.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南省焦作市，454010；2.山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司大陽煤礦分公司，山西省晉城市，048000)

針對大陽煤礦工作面由U+I型通風(fēng)方式改為U型通風(fēng)方式，工作面風(fēng)排瓦斯能力大大降低的問題，分析了工作面回采期間瓦斯涌出比例構(gòu)成，針對本煤層和鄰近層(采空區(qū))的瓦斯抽采措施提出了6個可行性方案，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)方式選取了工作面瓦斯抽采的最優(yōu)方案。

U型通風(fēng) U+I型通風(fēng) 瓦斯抽采 模糊數(shù)學(xué) 方案優(yōu)選

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》和《關(guān)于印發(fā)山西省煤礦瓦斯抽采全覆蓋工程實(shí)施方案的通知》的要求，大陽煤礦擬將工作面U+I型通風(fēng)方式改為U型通風(fēng)方式。通風(fēng)方式改變后，工作面風(fēng)排瓦斯能力降低，原來由尾巷排出的瓦斯將會涌向上隅角及回風(fēng)流，極有可能造成上隅角和回風(fēng)流瓦斯超限，因此需加大鄰近層瓦斯抽采，目前國內(nèi)采用了穿層鉆孔、頂板高抽巷、高位鉆孔、地面鉆井等鄰近層瓦斯抽采技術(shù)，并在現(xiàn)場取得了顯著的效果。本文基于大陽煤礦實(shí)際情況，結(jié)合模糊數(shù)學(xué)分析法優(yōu)選高效可靠的瓦斯治理方案，確保U型通風(fēng)工作面瓦斯不超限，保障井下安全生產(chǎn)。

1 礦井及工作面概況

山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司大陽煤礦分公司全井田南北長約6.52 km，可采煤層為3#、9#、15#煤層，現(xiàn)在3#煤層三、四采區(qū)進(jìn)行采掘生產(chǎn)。3#煤層下距9#煤層52～ 68.5 m，平均62.5 m；煤層厚度為3.79～7.19 m，平均6.09 m；在井田中北部、中西部煤層局部相對較薄，向西北部、中東部至東部、南部煤層有逐漸增厚的趨勢；屬全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。煤層頂板大部分為泥巖、粉砂巖；底板大部分為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖。

礦井核定生產(chǎn)能力為1.8 Mt/a，屬高瓦斯礦井，開采工藝采用綜合機(jī)械化放頂煤開采，采放比為1.2∶1，一次采全高，全部垮落法管理頂板，通風(fēng)方式為U+I型，機(jī)械化程度達(dá)到100%。掘進(jìn)工作面綜合機(jī)械化水平達(dá)到90%以上，礦井煤壁及工作面落煤涌出的瓦斯主要依靠風(fēng)排方法解決。

礦井現(xiàn)采的3303工作面采用U+I型通風(fēng)方式，共布置軌道巷、回風(fēng)巷及輔助回風(fēng)巷(瓦斯巷)3條巷道，其中回風(fēng)巷配風(fēng)量平均值為1128 m3/min，輔助回風(fēng)巷配風(fēng)量平均值為1062 m3/min。工作面采空區(qū)瓦斯涌出及鄰近層瓦斯涌出主要依靠上隅角埋管抽采、高位鉆孔瓦斯抽采的方法解決。

2 工作面回采期間瓦斯涌出比例構(gòu)成分析

工作面主要依靠通風(fēng)(回風(fēng)巷+瓦斯巷)、上隅角抽放及高位鉆孔抽放解決回采期間的瓦斯涌出問題。為分析工作面回采期間各瓦斯源涌出情況，在3303工作面采用U+I型通風(fēng)方式下，對工作面回采期間的進(jìn)尺情況、回風(fēng)巷配風(fēng)量及風(fēng)排瓦斯?jié)舛取⑼咚瓜锱滹L(fēng)量及風(fēng)排瓦斯?jié)舛?、高位鉆孔抽采瓦斯量及抽采濃度、上隅角抽采瓦斯量及抽采濃度等數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)、整理。

3303工作面推進(jìn)距離與工作面瓦斯涌出量之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 3303工作面推進(jìn)距離與工作面瓦斯涌出量之間的關(guān)系

從圖1可知，3303工作面從回采開始至20 m處(第一次周期來壓之前)瓦斯來源是本煤層瓦斯涌出，平均瓦斯涌出量為15.67 m3/min；周期來壓后，瓦斯涌出量最大達(dá)到35 m3/min，平均瓦斯涌出量為26.98于m3/min，此時瓦斯涌出來源是本煤層和鄰近層(采空區(qū))瓦斯涌出。因此，工作面回采期間開采層瓦斯涌出所占比例為58.0%，鄰近層(采空區(qū))瓦斯涌出所占比例為42.0%。

3303工作面瓦斯抽排量隨工作面推進(jìn)距離變化關(guān)系如圖2所示。

結(jié)合整縣整鄉(xiāng)推進(jìn)、集中治理的要求和洪澤縣內(nèi)水系分布現(xiàn)狀，綜合考慮防洪除澇、灌溉供水、水環(huán)境改善等方面的要求，同時結(jié)合洪澤縣新農(nóng)村建設(shè)規(guī)劃、鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)劃、土地利用總體規(guī)劃等相關(guān)規(guī)劃要求，確定洪澤縣中小河流重點(diǎn)縣綜合整治工程規(guī)劃治理范圍為洪澤湖大堤以東地區(qū)，南到入江水道，東到白馬湖，北到蘇北灌溉總渠，涉及高良澗、朱壩、黃集等9個鎮(zhèn)。

圖2 3303工作面瓦斯抽排量隨工作面推進(jìn)距離變化關(guān)系

從圖2可以看出，3303工作面回采前期，瓦斯巷平均排放瓦斯量為12.34 m3/min，最大值為17.24 m3/min；回風(fēng)巷平均排放瓦斯量3.04 m3/min；高位鉆孔+上隅角平均總抽采量4.67 m3/min。同時，3303工作面平均風(fēng)排瓦斯量達(dá)15.38 m3/min，占工作面瓦斯涌出總量的76.7%，說明大陽煤礦工作面回采期間主要依靠通風(fēng)的方法解決工作面瓦斯涌出問題。

工作面煤壁及工作面落煤涌出瓦斯主要依靠風(fēng)排瓦斯的方法解決；工作面采空區(qū)瓦斯涌出及鄰近層瓦斯涌出主要依靠上隅角埋管抽采、高位鉆孔瓦斯抽采的方法解決。將3303工作面回采期間，瓦斯巷、回風(fēng)巷、高位鉆孔、上隅角抽排瓦斯情況進(jìn)行匯總，如表1所示。

表1 3303工作面回采期間瓦斯抽排情況

根據(jù)表1可知，3303工作面在抽排瓦斯的過程中，以風(fēng)排瓦斯為主，抽采瓦斯為輔。工作面回采期間，風(fēng)排瓦斯比例為76.7%，抽采瓦斯比例為23.3%，且瓦斯巷風(fēng)排瓦斯所占比例最大為61.54%，因此，當(dāng)3303工作面由U+I型通風(fēng)方式改變?yōu)閁型通風(fēng)方式后，瓦斯巷的取消將導(dǎo)致原瓦斯巷排放的瓦斯問題成為工作面瓦斯治理的主要難題。

3 基于模糊分析的U型通風(fēng)方式下工作面瓦斯抽采方案優(yōu)選

3.1 抽采方案

針對大陽煤礦由U+I型通風(fēng)改為U型通風(fēng)，再結(jié)合煤礦實(shí)際情況，分析和提出以下可行的本煤層和鄰近層(采空區(qū))的瓦斯抽采措施：本煤層瓦斯抽采措施為工作面順層斜向平行孔、本煤層定向水平長鉆孔；鄰近層(采空區(qū))瓦斯抽采措施為分段頂板走向高位鉆孔、頂板走向高抽巷、頂板走向高位水平長鉆孔、地面鉆井抽采。

(1)方案一：順層斜向平行孔+分段頂板走向高位鉆孔+上隅角埋管；

(2)方案二：順層斜向平行孔+頂板走向高抽巷+上隅角埋管；

(3)方案三：順層斜向平行孔+高位定向水平長鉆孔+上隅角埋管；

(5)方案五：開采層定向水平長鉆孔+地面鉆孔+上隅角埋管；

(6)方案六：開采層定向水平長鉆孔+高位定向水平長鉆孔+上隅角埋管。

3.2 方案的定性與定量分析

建立的指標(biāo)體系包括安全可靠性、技術(shù)可行性、工程投資、施工工期4個方面。其中，安全可靠性為基本條件，所有瓦斯治理方案必須滿足。在此前提下，對各方案的其余指標(biāo)進(jìn)行模糊數(shù)學(xué)對比分析。

(1)技術(shù)可行性定性指標(biāo)。結(jié)合大陽煤礦生產(chǎn)實(shí)際及晉城礦區(qū)的經(jīng)驗(yàn)，將技術(shù)可行性指標(biāo)定量化如下：

(1)

對前面量化后的評價指標(biāo)數(shù)值進(jìn)行歸一化，統(tǒng)一轉(zhuǎn)換在[-1，1]范圍內(nèi)?？闪钜?guī)范化的值為：

(2)

(2)工程投資。工程投資包括地面鉆孔、頂板高抽巷、鉆場、穿層鉆孔、順層鉆孔等多種抽采方法，涉及的相關(guān)現(xiàn)場施工鉆孔單價、鉆場單價、巷道掘進(jìn)單價均以礦井實(shí)際單價為準(zhǔn)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析后對工程投資進(jìn)行歸一化處理。

(3)

由于不同的施工方法的投資額不盡相同，需要依據(jù)投資額和施工難易程度賦予各種施工方法不同的權(quán)重，各種工程的權(quán)重分別為：地面鉆孔0.3，高抽巷0.25，鉆場0.2，穿層鉆孔0.15，順層鉆孔0.1，即wi=[0.30 0.25 0.20 0.15 0.10]?？傻玫?種方案的工程投資的單項(xiàng)評價指標(biāo)：rg=[0.16 0.27 0.09 0.17 0.19 0.12]。

(3)施工工期。由于各方案涉及施工不同的鉆孔組合，依據(jù)工作面實(shí)際情況，順層鉆孔工程量為100200 m，每臺鉆機(jī)的效率為160 m/d，采用兩臺鉆機(jī)同時施工鉆孔，采用千米鉆機(jī)施工的高位定向水平長鉆孔和開采層定向水平長鉆孔施工時間較短，可在順層鉆孔的預(yù)抽期內(nèi)完成施工；地面鉆孔施工周期一般為29 d，共需要預(yù)抽時間均為6個月，則經(jīng)計(jì)算各方案施工工期分別為16.4月、15.4月、16.4月、16.4月、16.8月、16.8月。

綜合考慮安全可靠性、技術(shù)可行性、工程投資、施工工期4個指標(biāo)，其中，技術(shù)可行性指標(biāo)越高越好，與預(yù)期效果成正相關(guān)，取正值；工程投資、施工工期指標(biāo)越低越好，與預(yù)期效果成負(fù)相關(guān)，取負(fù)值?？梢缘贸霾煌瑓^(qū)域方案的評價指標(biāo)如式(4)所示。

由于不同評價指標(biāo)的重要程度不同，需要賦予評價指標(biāo)不同的權(quán)重，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，各種評價指標(biāo)的權(quán)重：技術(shù)可行性0.3，施工工程量0.2，工程投資0.2，建設(shè)周期0.3。可以得到模糊綜合評判的評價結(jié)果B=[0.098 -0.018 0.101 -0.089 -0.062 0.155]。

(4)

模糊綜合評判的評價值越高表示方案越優(yōu)，因此，得到各方案優(yōu)越性按照從高到低的順序?yàn)椋悍桨噶?、方案三、方案一、方案二、方案五、方案四?/p>

5 結(jié)論

(1)大陽煤礦工作面在采用U+I型通風(fēng)方式時，瓦斯治理以風(fēng)排瓦斯為主，抽采瓦斯為輔，其中，瓦斯巷風(fēng)排瓦斯比例占總瓦斯涌出的比例最大，達(dá)到61.54%；當(dāng)工作面通風(fēng)方式改為U型通風(fēng)方式后，瓦斯巷取消，工作面風(fēng)排瓦斯能力大大降低，解決原瓦斯巷排放的瓦斯成為工作面瓦斯治理的重點(diǎn)，需要優(yōu)選高效經(jīng)濟(jì)的瓦斯抽采措施。

(2)基于模糊分析的方法從安全可靠性、技術(shù)可行性、工程投資、施工工期4個方面對大陽煤礦工作面改為U型通風(fēng)方式后瓦斯治理方案進(jìn)行了優(yōu)選，最優(yōu)方案為方案六，次優(yōu)方案為方案三，第三為方案一，第四為方案二，第五為方案五，第六為方案四。

(3)除最優(yōu)瓦斯抽采方案六外，大陽煤礦可依據(jù)采掘工作面的準(zhǔn)備、接替情況以及千米鉆機(jī)的購置情況等，在生產(chǎn)實(shí)踐中依次選擇優(yōu)選后的瓦斯抽采方案。

[1] 張震,梁金燕,林柏泉等. 穿層鉆孔割縫混合強(qiáng)化預(yù)抽煤巷條帶消突機(jī)制研究及應(yīng)用[J]. 中國煤炭,2013(5)

[2] 黃旭超,孟賢正等.開采上保護(hù)層被保護(hù)煤層穿層鉆孔抽采瓦斯技術(shù)[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù),2009(9)

[3] 周紅星,程遠(yuǎn)平,劉洪永等.突出煤層穿層鉆孔孔群增透技術(shù)及應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報,2011(9)

[4] 徐青偉,王兆豐,徐書榮等. 多煤層穿層鉆孔瓦斯抽采有效抽采半徑測定[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2015(7)

[5] 張慧杰,汪東,孫星等.走向高抽巷抽采瓦斯關(guān)鍵技術(shù)[J].煤礦安全,2016(1)

[6] 王振剛,白志鵬. 綜放面走向高抽巷瓦斯抽采技術(shù)研究[J].中國煤炭,2016(2)

[7] 楊宏民,夏會輝,睢國慧等.偽傾斜后高抽巷配合走向高抽巷瓦斯抽放技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2011(12)

[8] 周華東,許家林,胡國忠等.綜采工作面初采期局部高抽巷瓦斯治理效果分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2012(5)

[9] 張曉磊,程遠(yuǎn)平,王亮等.煤與瓦斯突出礦井工作面頂板高位鉆孔優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2014(10)

[10] 李海濤. 高位鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯在長平煤礦的應(yīng)用研究[J].中國煤炭,2010(1)

(責(zé)任編輯 張艷華)

《河南省“十三五”能源發(fā)展規(guī)劃》出臺

河南省政府出臺《河南省“十三五”能源發(fā)展規(guī)劃》(以下簡稱《規(guī)劃》)?！兑?guī)劃》稱，到2020年，河南省要基本形成清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系，力求最大限度降低能源活動對環(huán)境的不良影響?！兑?guī)劃》提出，“十三五”時期河南省能源發(fā)展主要目標(biāo)如下：能源消費(fèi)總量控制在2.67億t標(biāo)準(zhǔn)煤以內(nèi)，煤炭消費(fèi)總量控制在2.62億t原煤以內(nèi)，全社會用電量3760億kWh左右；非化石能源占能源消費(fèi)總量的比重達(dá)到7%以上，天然氣占能源消費(fèi)總量的比重達(dá)到7.5%；全省電力裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到8700萬kW，其中非化石能源發(fā)電裝機(jī)突破1400萬kW?！兑?guī)劃》提出要發(fā)揮河南省資源和區(qū)位優(yōu)勢，順應(yīng)能源發(fā)展新形勢，優(yōu)化“四基地、一樞紐、兩中心”總體布局，重點(diǎn)建設(shè)清潔煤炭基地、先進(jìn)生物質(zhì)能示范基地、綠色煤電基地、中原煉化基地，提升省內(nèi)能源清潔生產(chǎn)水平和有效供給能力；建設(shè)全國電力聯(lián)網(wǎng)樞紐、全國重要煤炭儲配中心、區(qū)域性油氣輸配中心，擴(kuò)大省外能源利用規(guī)模，形成內(nèi)節(jié)外引、多渠道、多元化的能源保障格局。

Optimization of U-shaped ventilation working face gas control scheme

Chen Tao1, Meng Hailong2, Zhang Biao2

(1. College of Safety Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo, Henan 454010, China;2. Shanxi Lanhua Sci-tech Venture Co., Ltd., Dayang Mine Branch, Jincheng, Shanxi 048000, China)

In order to solve the problem that gas drainage capability of working face was weakened dramatically after the U+I-shaped ventilation was replaced by U-shaped, this paper analyzed gas influx proportion composition during back mining, and proposed 6 feasible alternatives for gas drainage measures of current and nearby coal seams. Fuzzy mathematics methodology was conducted to choose the optimal scheme for gas drainage at workingface.

U-shaped ventilation, U+I-shaped ventilation, gas drainage, fuzzy mathematics, scheme optimization

陳滔，孟海龍，張標(biāo). U型通風(fēng)工作面瓦斯治理方案優(yōu)選[J].中國煤炭,2017,43(2)：114-117. Chen Tao, Meng Hailong, Zhang Biao. Optimization of U-shaped ventilation working face gas control scheme[J]. China Coal,2017,43(2):114-117.

TD712.6

A

陳滔(1991-)，男，湖南湘潭人，碩士，現(xiàn)就讀于河南理工大學(xué)，主要從事礦井瓦斯防治方面的研究。