晉普山90202工作面落山角瓦斯治理探討

梁逸群，彭宣緯

（晉城職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉城 048026）

一、礦井概況

（一）礦井簡(jiǎn)述

晉普山礦井現(xiàn)采3#煤、9#煤，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1.30Mt/a，實(shí)際生產(chǎn)能力僅為1.0Mt/a。礦井9#煤層布置有兩個(gè)綜采工作面—90202和90203，90202工作面為生產(chǎn)面，90203工作面為備用接替工作面。綜采工作面設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力為100萬(wàn)噸，實(shí)際年生產(chǎn)能力僅為90萬(wàn)噸。9#煤層兩個(gè)采區(qū)產(chǎn)量各為45萬(wàn)噸/年，采區(qū)日產(chǎn)量均為1364噸，工作面采高1.5m，為薄煤層，煤層賦存穩(wěn)定，頂板均為全部垮落法管理，綜采工作面日產(chǎn)量為1228噸，掘進(jìn)日產(chǎn)量為136噸，礦井平均日產(chǎn)量為3939噸。

（二）瓦斯基本特性

煤炭科學(xué)院撫順?lè)衷簩?duì)本礦9#煤層進(jìn)行了瓦斯含量等參數(shù)實(shí)測(cè)和分析比對(duì)，9#煤層實(shí)測(cè)瓦斯含量為 3.06～12.05m3/t·r，平均為 6.53m3/t·r，煤層原始瓦斯含量為5.436m3/t；瓦斯壓力為1.062MPa。根據(jù)取樣地點(diǎn)分析：901、902采區(qū)瓦斯含量不大，903采區(qū)由于處在白馬寺逆斷層附近，所以瓦斯含量較大。

測(cè)得9#煤層極限吸附常數(shù)a值為38.02～42.74m3/t，平均為 40.36m3/t；吸附常數(shù) b值為0.893～1.184MPa-1，平均為 1.033MPa-1。

孔隙率為8.48%～11.56%，說(shuō)明煤中瓦斯90%以上是吸附狀態(tài)賦存在煤層中的孔隙內(nèi)表面上。

9#煤層的透氣性系數(shù)0.0942m2/MPa2.d，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.0821d-1，9#煤層屬于較難抽放煤層，不具備本煤層抽放的條件。

據(jù)2012年礦井瓦斯等級(jí)鑒定（見(jiàn)表1），礦井采用中央并列式抽出式通風(fēng)方式，礦井風(fēng)量10753m3/min。

表1 礦井開(kāi)采煤層3#、9#瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果

（三）瓦斯主要來(lái)源

通過(guò)分析本煤層瓦斯、鄰近層瓦斯對(duì)綜采工作面瓦斯的影響，確定9#煤層回采工作面瓦斯涌出主要來(lái)源：

1.9#煤層瓦斯含量大，平均瓦斯含量為4.32m3/t，在采煤過(guò)程中本煤層瓦斯大量涌出，煤的殘存瓦斯含量，9#煤層取1.85m3/t。

2.9#煤層回采工作面上鄰近層10m左右處有一平均0.4m的薄煤層，9#煤層回采工作面最小采高為1.5m，頂板冒落高度在12m以上，由于受采動(dòng)的影響，上鄰近層0.4m的薄煤層冒落后，瓦斯涌向回采工作面空間，增大工作面瓦斯涌出量。

3.頂?shù)装鍑鷰r的孔隙中存在一定量的瓦斯，特別是頂板K4石灰?guī)r中瓦斯存量較大，在回采過(guò)程中，頂?shù)装逍秹汉?，瓦斯也涌向回采工作面空間，增大工作面瓦斯涌出量。

二、綜采工作面瓦斯治理現(xiàn)狀

（一）瓦斯治理方案及主要問(wèn)題

2012年2月，晉普山礦90202綜采工作面落山角發(fā)生多次瓦斯超限事故，瓦斯?jié)舛茸畲筮_(dá)4%。該綜采工作面的瓦斯治理方法及主要存在問(wèn)題為：

1.采用在綜采工作面落山角設(shè)置壓入式小風(fēng)機(jī)，吹散落山角瓦斯；

2.在綜采工作面落山角安裝大功率抽風(fēng)機(jī)配合螺旋管風(fēng)筒抽排落山角瓦斯。

以上兩種方法雖然在生產(chǎn)過(guò)程中有一定的治理效果，但是，一旦發(fā)生停電現(xiàn)象就會(huì)立即發(fā)生落山角瓦斯超限。而且，由于利用抽風(fēng)機(jī)抽排落山角的瓦斯風(fēng)筒只能伸進(jìn)切頂線以里200－300mm，而晉普山礦9#煤90202工作面的推進(jìn)速度快，頂板不能隨時(shí)冒落。在機(jī)尾處經(jīng)常留有較大面積的懸頂，造成空間瓦斯積聚，當(dāng)懸頂冒落后空間的瓦斯被吹出，就會(huì)造成落山角的瓦斯超限。

3.在回風(fēng)巷設(shè)調(diào)節(jié)風(fēng)門采用增壓辦法抑制采空區(qū)瓦斯涌出。

該方法的缺點(diǎn)是：必須經(jīng)常調(diào)整風(fēng)量，掌握風(fēng)壓情況，而且由于瓦斯涌出的不規(guī)律性，這種方法也很難堅(jiān)持使用。

9#煤層90202綜采工作面回采階段經(jīng)常性地發(fā)生瓦斯超限斷電，為了控制落山角瓦斯?jié)舛?，只能采用放慢割煤速度的辦法，這嚴(yán)重影響了礦井正常的生產(chǎn)計(jì)劃，當(dāng)此工作面回采結(jié)束后，晉普山?jīng)Q定在接替工作面9#煤層90203工作面試驗(yàn)“兩進(jìn)兩回”通風(fēng)系統(tǒng)。

（二）試驗(yàn)工作面基本參數(shù)

90203綜采面是晉普山礦902盤(pán)區(qū)一個(gè)綜采工作面，該工作面西部是90202綜采工作面采空區(qū)，東部是90204綜采工作面，上部為3#煤采空區(qū)。90202工作面走向長(zhǎng)度1100米，傾斜長(zhǎng)度175米，煤層厚度1.3－1.7米，均厚1.5米?；夭晒に嚍橐淮尾扇?，頂板管理為走向長(zhǎng)壁全部跨落式管理頂板。進(jìn)風(fēng)巷為矩形，支護(hù)形式為金屬錨桿+金屬梯支護(hù)，間距1.0m，巷道凈寬4.2米，凈高2.0米，凈斷面積為4.8m2，兼作出煤順槽，回風(fēng)巷也為矩形，支護(hù)形式為金屬錨桿+金屬梯支護(hù)，間距1.0m，巷道凈寬4.2米，凈高2.0米，凈斷面積為4.8m2，兼作運(yùn)料順槽。

（三）落山角瓦斯來(lái)源分析

晉普山礦綜采工作面落山角瓦斯涌出來(lái)源主要為本煤層，臨近層，上覆采空區(qū)高濃度瓦斯3種來(lái)源，現(xiàn)就3種來(lái)源分析如下：

1.煤層瓦斯涌出量

晉普山礦現(xiàn)開(kāi)采的煤層為9#煤，由于該煤層均厚只有1.5米，工作面采用一次采全高的方式進(jìn)行回收，工作面回采率達(dá)97%，按日產(chǎn)量1228噸計(jì)日丟在采空區(qū)的煤有37噸，如果日丟煤所含瓦斯全部解吸，其含量為226m3，其對(duì)工作面回風(fēng)流（配風(fēng)800m3/min）瓦斯的涌出量為0.16m3/min。

2.綜采工作面割煤時(shí)煤壁瓦斯涌出量

經(jīng)實(shí)測(cè)綜采工作面機(jī)頭處進(jìn)風(fēng)流瓦斯?jié)舛纫话銥?.05%，靠近煤壁及溜子道到機(jī)尾處增大到0.3%，其涌出量為2.4m3/min。

3.臨近層及上覆采空區(qū)瓦斯涌出量

90203工作面上部10米為3#煤采空區(qū)，由于3#煤全部為分層采，采空區(qū)丟煤較多，因此采空區(qū)有大量的瓦斯積存，很可能通過(guò)塌陷裂隙涌入工作面，臨近煤巖層所含瓦斯也會(huì)通過(guò)各種渠道從采空區(qū)涌入落山角，根據(jù)晉普山礦9#煤綜采工作面回風(fēng)巷平均瓦斯?jié)舛?.65%反算，其上覆采空區(qū)及臨近層的瓦斯造成回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛壬咧禐?.3%，其涌出量為2.4m3/min。

由此可知，晉普山礦綜采工作面瓦斯涌出的主要來(lái)源是煤壁落煤及上覆采空區(qū)，造成晉普山綜采工作面落山角瓦斯超限主要是上覆3#煤采空區(qū)瓦斯大量的從采空區(qū)涌入落山角，加之落山角風(fēng)量不足，使落山角瓦斯發(fā)生了超限現(xiàn)象，特別是綜采工作面大面積頂板垮滿時(shí)更容易發(fā)生瓦斯超限現(xiàn)象。

（四）落山角瓦斯超限原因分析

隨著煤層開(kāi)采進(jìn)入瓦斯含量較大的深部，回采工作面生產(chǎn)能力的提高及工作面推進(jìn)速度的加快，必然導(dǎo)致落山角瓦斯涌出量較大幅度增加。

1.綜采工作面采空區(qū)及臨近層瓦斯涌出量均超過(guò)煤壁割煤時(shí)瓦斯涌出量，成為工作面瓦斯涌出的主要來(lái)源，并且集中從落山角一個(gè)較小的空間涌入工作面，是造成落山角瓦斯超限的主要原因。

2.綜采工作面均采用“U”型通風(fēng)方式，工作面風(fēng)流不易流到落山角吹散落山角瓦斯，在加設(shè)大功率抽風(fēng)機(jī)抽排落山角瓦斯措施后，雖然在正常情況下能滿足治理瓦斯的要求，但一有異常情況很容易造成落山角瓦斯超限，工作面治理瓦斯措施不盡合理。

3.綜采工作面推進(jìn)速度過(guò)快，往往造成支架后大面積懸頂，一旦懸頂突然垮塌，必然突然將采空區(qū)大量高濃度瓦斯吹出，使大量高濃度的瓦斯在落山角積聚，也是發(fā)生落山角瓦斯超限的一個(gè)主要原因。

（五）瓦斯治理方案的比較

通風(fēng)是防治工作面瓦斯的基本手段，適當(dāng)增加采面的供風(fēng)量，不僅可以降低其回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛龋铱梢赃m當(dāng)降低落山角的瓦斯?jié)舛?。但風(fēng)量增加過(guò)大時(shí)，流入采空區(qū)的風(fēng)量也相應(yīng)增加，勢(shì)必將采空區(qū)中更多的瓦斯帶出。因此，合理配風(fēng)，控制管理好采面用風(fēng)，對(duì)處理落山角局部瓦斯問(wèn)題很有必要。在通風(fēng)管理上，晉普山礦曾先后采用了“U”型、“一進(jìn)兩回（U+L型）”和“兩進(jìn)兩回（U+U型）”的通風(fēng)方式。

1.“U”型通風(fēng)方式

“U”型通風(fēng)方式見(jiàn)圖1，進(jìn)入工作面的風(fēng)量除沿工作面流動(dòng)外，還有少部分進(jìn)入采空區(qū)，攜帶瓦斯從回風(fēng)側(cè)支架間和落山角涌出，當(dāng)煤層瓦斯含量大，頂板周期來(lái)壓或大面積垮落時(shí)，釋放出的大量瓦斯集中從落山角涌出，使落山角瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1.5%以上，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.75%以上，僅靠加大工作面配風(fēng)量，效果并不明顯，落山角瓦斯仍時(shí)有超限。

圖1 U型通風(fēng)方式

2.“U+L”通風(fēng)方式

“U+L”通風(fēng)方式見(jiàn)圖2。進(jìn)入工作面的風(fēng)量，一部分經(jīng)回風(fēng)巷排出，另一部分進(jìn)入工作面采空區(qū)，攜帶采空區(qū)瓦斯，經(jīng)聯(lián)絡(luò)橫川進(jìn)入回風(fēng)巷。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，聯(lián)絡(luò)橫川間距控制在50～80m，回風(fēng)巷處理落山角瓦斯效果較好。同時(shí)為保證回風(fēng)巷風(fēng)流暢通，使工作面涌出的瓦斯向采空區(qū)方向流動(dòng)，我們采取在回風(fēng)巷支架后頂板下打木垛的方式，保證了風(fēng)路暢通。當(dāng)工作面煤壁推過(guò)聯(lián)絡(luò)橫川超過(guò)60m后，及時(shí)封閉多余的橫川（橫川作用已減小或失去），僅留1～2個(gè)聯(lián)絡(luò)橫川作為風(fēng)流通道，減少采空區(qū)漏風(fēng)，從而避免了回風(fēng)巷回風(fēng)瓦斯超限。同時(shí)，為減少通風(fēng)設(shè)施建筑量和回采過(guò)程中的管理難度，聯(lián)絡(luò)橫川與回風(fēng)巷不預(yù)先全部掘出，而是隨工作面超前施工1～2個(gè)。實(shí)踐證明，采用“U+L”通風(fēng)方式，充分發(fā)揮了風(fēng)流稀釋瓦斯的作用，落山角瓦斯基本不超限，不僅改善了安全生產(chǎn)環(huán)境而且能最大限度的實(shí)現(xiàn)“高產(chǎn)高效”目標(biāo)。

圖2 U+L型通風(fēng)方式

3.“U+U”通風(fēng)方式

“U+U”的通風(fēng)方式即本工作面進(jìn)、回風(fēng)巷和鄰近下一個(gè)已掘工作面進(jìn)風(fēng)順槽進(jìn)風(fēng)，而鄰近下一個(gè)工作面的切眼和回風(fēng)巷作為回風(fēng)通道見(jiàn)圖3。本工作面進(jìn)、回風(fēng)巷的新鮮風(fēng)均經(jīng)過(guò)工作面落山角和聯(lián)絡(luò)橫川到鄰近工作面進(jìn)風(fēng)巷，而鄰近工作面進(jìn)風(fēng)巷的新鮮風(fēng)流亦可稀釋從工作面采空區(qū)涌出的瓦斯，從而保證工作面落山角及回風(fēng)巷入口處瓦斯均不超限。

圖3 U+U通風(fēng)方式

（六）試驗(yàn)效果

90203綜采工作面自接替90202綜采工作面開(kāi)始連續(xù)回采以來(lái)，分別使用了“U+L”和“U+U”兩套通風(fēng)系統(tǒng)治理落山角瓦斯，試驗(yàn)效果見(jiàn)表2。

表2 落山角瓦斯情況統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)上述3種方案的具體比較說(shuō)明，利用“U+L”或“U+U”通風(fēng)方式對(duì)綜采工作面進(jìn)行瓦斯治理，其效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)“U”型通風(fēng)方式，但相對(duì)來(lái)說(shuō)，“U+U”通風(fēng)方式所需總風(fēng)量較大，需要合理分配各進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量，使其不僅要能滿足及時(shí)稀釋工作面落煤及煤壁涌出瓦斯，而且能夠達(dá)到分流落山角瓦斯防止采空區(qū)瓦斯從落山角涌出，減少落山角瓦斯積聚超限的可能性。因此，該通風(fēng)方式現(xiàn)場(chǎng)管理難度較大，隨著工作面推進(jìn)而引起的巷道風(fēng)阻變化亦會(huì)引起巷道風(fēng)流紊亂或逆轉(zhuǎn)，較“兩進(jìn)一回”通風(fēng)方式穩(wěn)定性差，且由于工作面配風(fēng)量相對(duì)減少，對(duì)工作面粉塵治理不利。為進(jìn)一步優(yōu)化工作面瓦斯、粉塵綜合治理，最終確定了采用“兩進(jìn)一回”治理綜采工作面落山角瓦斯的方案。

三、結(jié)束語(yǔ)

在采用“U+U”治理綜采工作面落山角瓦斯時(shí)，要加強(qiáng)對(duì)通風(fēng)橫川巷道支護(hù)的檢查和維護(hù)，用來(lái)支護(hù)的木垛要堅(jiān)固牢靠，確?；仫L(fēng)風(fēng)流的暢通；由于頂板壓力大造成每推進(jìn)5米打一木垛很難維護(hù)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)巷道支護(hù)，將原來(lái)的每隔5米打一木垛改為每隔3米甚至更小的距離打一木垛，同時(shí)回風(fēng)斷面巷道嚴(yán)禁退錨，確保工作面斷面的同時(shí)，保證了工作面風(fēng)量穩(wěn)定可靠；要加強(qiáng)工作面測(cè)風(fēng)，合理調(diào)整工作面配風(fēng)量，確保工作面風(fēng)速符合規(guī)定；加強(qiáng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控，并設(shè)專職瓦斯檢查工頂崗檢查瓦斯和檢查維護(hù)通風(fēng)設(shè)施，確保瓦斯得到有效治理。

治理綜采面落山角瓦斯的方法多種多樣，比較成熟的方法就是瓦斯尾巷治理或局部瓦斯抽放。采用“U+U”通風(fēng)方式治理綜采面落山角瓦斯是建立在瓦斯尾巷治理理論上的又一個(gè)瓦斯防治技術(shù)措施。根據(jù)9#煤綜采面的瓦斯涌出特點(diǎn)，結(jié)合煤層無(wú)自燃發(fā)火傾向的實(shí)際情況，采取“U+U”通風(fēng)方式，可以有效地防治采空區(qū)瓦斯涌出量大、落山角瓦斯超限問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)綜采工作面安全生產(chǎn)。

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