治理采煤工作面上隅角瓦斯超限的研究與實(shí)踐

張乂木

摘 要：該文介紹了采用“U”型通風(fēng)方式的采煤工作面的通風(fēng)及風(fēng)流狀態(tài)，對采煤工作面上隅角瓦斯超限的各種原因進(jìn)行了分析，提出了處理采煤工作面上隅角瓦斯超限的幾種方法，并對其進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)分析，其中對瓦斯抽放方法治理瓦斯超限實(shí)踐做了重點(diǎn)說明。

關(guān)鍵詞：“U”型通風(fēng) 上隅角 瓦斯超限 瓦斯抽放

中圖分類號：TD712 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（c）-0039-02

1 采煤工作面上隅角瓦斯超限原因分析

1.1 “U”型通風(fēng)方式

“U”型通風(fēng)方式是采煤工作面諸多通風(fēng)方法中的最常用的一種通風(fēng)方式，我國絕大多數(shù)采煤工作面均采用此種通風(fēng)方法。

在采用上行風(fēng)的“U”型通風(fēng)工作面，在沒有其它漏風(fēng)出口的前提下，工作面形成一源一匯流動，則風(fēng)流除沿工作面流動外，還有一部分風(fēng)流進(jìn)入采空區(qū)，沿流線方向流動，積存在采空區(qū)內(nèi)瓦斯以對流擴(kuò)散的形式與工作面風(fēng)流進(jìn)行質(zhì)量交換，并從工作面上部涌出，致使采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植佳刈呦蚩拷煽諈^(qū)內(nèi)部較高，進(jìn)而形成了采空區(qū)上隅角瓦斯積聚區(qū)。

在這種通風(fēng)方式下，進(jìn)入工作面的風(fēng)流分為兩部分，一部分沿工作面流動，一部分進(jìn)入采空區(qū)，在采空區(qū)內(nèi)部沿一定的流線的方向流動，在工作面的后半部分，進(jìn)入采空區(qū)的風(fēng)流逐漸返回工作面。

可見，進(jìn)入采空區(qū)的風(fēng)流通過采空區(qū)，風(fēng)流帶出瓦斯，逐漸返回工作面，最后匯集于采面上隅角，所以，工作面上隅角為采空區(qū)瓦斯流入工作面的匯合處。

1.2 采面上隅角瓦斯超限原因分析

（1）漏風(fēng)流致使上隅角瓦斯增大。

在一般“U”型通風(fēng)工作面，風(fēng)流從進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)入采煤工作面，經(jīng)過工作面后經(jīng)回風(fēng)巷流出，從流體力學(xué)的角度而言，進(jìn)入工作面的風(fēng)流端稱為源，而流出工作面的風(fēng)流端稱為匯，所以“U”型通風(fēng)工作面又稱為一源一匯工作面。實(shí)際上在風(fēng)流進(jìn)入工作面時，其中有一部分風(fēng)流將會漏入采空區(qū)中，把采空區(qū)中的瓦斯從上隅角帶出，使采面上隅角瓦斯增大。

（2）上隅角紊流致使瓦斯增大。

巷道風(fēng)流中任一斷面都具有靜壓、位壓、動壓，三種壓力之和是全壓，全壓差的大小決定著風(fēng)流的方向和速度。由于上隅角處兩面的靜壓和位壓是一樣的，風(fēng)流速度不一樣，采煤工作面的風(fēng)流到此轉(zhuǎn)彎，造成上隅角處風(fēng)流速度變慢，上隅角兩面的風(fēng)流速度差降低，在上隅角處出現(xiàn)無速度差，甚至風(fēng)流出現(xiàn)紊流。這種渦流使采空區(qū)涌出的瓦斯難以進(jìn)入到主風(fēng)流中，從而使高濃度瓦斯在上隅角附近循環(huán)運(yùn)動而聚集在渦流區(qū)中，形成了上隅角的瓦斯超限。

（3）采空區(qū)與工作面的氣壓差使采空區(qū)瓦斯向工作面涌入。

采煤工作面通風(fēng)期間，采空區(qū)與工作面之間存在氣壓差，造成了采空區(qū)瓦斯向工作面涌入。從穩(wěn)定流角度考慮，一般認(rèn)為采空區(qū)內(nèi)瓦斯是服從松散介質(zhì)內(nèi)達(dá)西（Darcy）滲流定律，即：q=-K（p12-p22）/△L式中，q為單位時間內(nèi)單位面積采空區(qū)向工作面涌入的瓦斯量，m3/（m2·min）；K為采空區(qū)內(nèi)透氣性系數(shù)；p1、p2為工作面、采空區(qū)內(nèi)空氣壓力，MPa；△L為p1、p2兩點(diǎn)間的距離，m?？梢钥闯觯琾12-p22越大，則采空區(qū)瓦斯向工作面涌入的量就越大。

2 防治上隅角瓦斯超限的方法

2.1 采面上隅角設(shè)置擋風(fēng)障

當(dāng)采煤工作面上隅角出現(xiàn)瓦斯增大時，在靠近采煤工作面上隅角處掛一道擋風(fēng)障，使之將工作面的風(fēng)流一分為二，利用風(fēng)障引導(dǎo)較多的風(fēng)流流經(jīng)上隅角，以稀釋高濃度瓦斯。風(fēng)障可采用軟質(zhì)風(fēng)筒布制作，長度一般不小于10 m。但是由于擋風(fēng)障的存在，使采煤機(jī)割煤，上隅角附近支、回柱，上出口行人、運(yùn)料受到很大的影響，往往出現(xiàn)擋風(fēng)障被破壞而失去作用的現(xiàn)象，導(dǎo)致上隅角瓦斯?jié)舛群龈吆龅?，極不穩(wěn)定，形成了安全生產(chǎn)的一大隱患。同時，擋風(fēng)障的存在，增大了工作面的通風(fēng)阻力，使工作面的風(fēng)量降低。因此，這種方法主要是作為臨時措施應(yīng)用在上隅角瓦斯不大的地點(diǎn)，可以解決上隅角處渦流的問題。

2.2 上隅角安裝風(fēng)動風(fēng)機(jī)和壓風(fēng)管

在工作面上部第一組架子處安裝一臺風(fēng)動風(fēng)機(jī)，風(fēng)動風(fēng)機(jī)由壓風(fēng)驅(qū)動，吸入工作面風(fēng)流通過風(fēng)筒導(dǎo)入上角，吹散上隅角瓦斯。同時在采面第一組架子及上隅角附近有一些不規(guī)則的冒落空間，可以利用壓風(fēng)管進(jìn)行吹散。

這種方法是一種有效的處理上隅角瓦斯和局部瓦斯超限地點(diǎn)的措施，簡單實(shí)用，靈活性比較大，使用安全，但不能從根本上解決問題，只能作為一種輔助手段。

2.3 增大采煤工作面風(fēng)量

工作面風(fēng)流對上隅角渦流區(qū)積聚瓦斯的驅(qū)散，主要靠工作面風(fēng)流與上隅角瓦斯積聚區(qū)間的空氣的對流和主風(fēng)流的擴(kuò)散作用。但在工作面正常供風(fēng)的情況下，靠有限速度的風(fēng)流來驅(qū)散上隅角渦流積聚區(qū)的高濃度瓦斯是不可能的。工作面采用增大風(fēng)量的辦法，雖然可使上隅角積聚區(qū)風(fēng)流與工作面主風(fēng)流的對流作用加大，但是隨著風(fēng)量的提高，負(fù)壓增大，采空區(qū)的風(fēng)流速度加大，使采空區(qū)的瓦斯流線延深，加強(qiáng)了風(fēng)流與采空區(qū)內(nèi)的瓦斯的交換。若采空區(qū)內(nèi)存在其它漏風(fēng)通道，則會增大此漏風(fēng)量。因此，盲目的增大工作面供風(fēng)量，對降低回風(fēng)巷風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛仁遣焕摹?/p>

2.4 瓦斯抽放

瓦斯抽放是解決采煤工作面上隅角瓦斯超限的最有效的途徑，對治理瓦斯超限具有立竿見影的效果。在范各莊礦4171工作面回采的過程中，瓦斯絕對涌出量較大，靠增大風(fēng)量的方法已經(jīng)不能很好的解決問題，在瓦斯治理實(shí)踐中，采取了瓦斯抽放的方法，成效明顯。

（1）上隅角埋管抽放。

為了治理上隅角瓦斯大的問題，在4171工作面回采過程中，在工作面采空區(qū)上隅角埋設(shè)1趟4寸無縫鋼管，埋管長度為9 m，其中迎頭3 m在管路上布置成花管。提前在工作面上隅角打好木垛，確保抽放管路的末端放置在木垛中間，并保持與底板不小于500 mm的高度，防止煤堵塞管路。每隔2～4 m采用編織袋充填煤，再添充上隅角空間，以便形成瓦斯抽放空間。4寸無縫鋼管與直徑159 mm管路采用蛇形管連接。隨著回采，向外逐步向外拉動無縫鋼管。4171采煤工作面上隅角瓦斯抽放系統(tǒng)。

上隅角抽放系統(tǒng)投入使用后，最大抽放瓦斯?jié)舛冗_(dá)到10%，流量達(dá)到20 m3/min。工作面回風(fēng)瓦斯?jié)舛扔?.3%降至0.2%，上隅角取消了風(fēng)障，瓦斯?jié)舛扔芍皰祜L(fēng)障時的0.6%降至取消風(fēng)幛后的0.4%，采面架間瓦斯?jié)舛扔芍暗?.3%降至0.1%，取得了明顯的效果。

（2）高位孔抽放。

①布孔方式。在工作面回風(fēng)巷內(nèi)直接布置鉆場，從頂板開孔，往工作面上方裂隙帶打鉆孔。工作面推進(jìn)方向反向布置鉆孔，鉆場間距47m，每個鉆場打3個鉆孔，利用工作面前方煤體保護(hù)鉆孔，工作面回采到位時撤出?；仫L(fēng)巷安設(shè)抽放瓦斯管。

②鉆孔參數(shù)：a.裂隙帶可抽高度（距煤層頂板法距）：按5～12倍采高計算3.4*（5～12）=17～41.4 m，由于7煤層與5煤層的間距在28～30 m，因此考慮抽放區(qū)間為3.4*（5～7）=17～23.8 m，取抽放區(qū)間為17～24 m，在此區(qū)間的孔段為有效抽放孔段。考慮鉆場施工、頂板維護(hù)和工作面回采過鉆場的困難，確定開孔沿下幫頂板，終孔高度按7倍采高24 m計算。b.鉆孔直徑： Φ127和Φ75 mm。c.每個鉆場布置三個高位鉆孔，分1#、2#、2#，兩孔口間距不得小于0.4 m，保證有利于管路安裝；鉆孔直徑75 mm。

1#孔以風(fēng)道為基準(zhǔn)面下偏8 °、仰角12 °，長度100 m；2#孔與巷道下偏10 °，仰角11 °，長度100 m；3#孔與巷道下偏13 °，仰角11 °，長度100 m?？筛鶕?jù)實(shí)際煤層底板高度、煤層傾角變化適當(dāng)確定其傾角、方位角等。

③封孔方式：封孔采用瑞米封孔袋封孔，封孔方法為：在已打好的鉆孔內(nèi)下θ108 mm的套管子母扣連接，在套管距最前端800 mm的位置處綁兩袋瑞米封孔袋，以后每隔400 mm綁一袋馬立散，封孔長度4m。在推進(jìn)前先把瑞米封孔袋用手迅速揉勻，用人力推進(jìn)套管（如果不能用人力推進(jìn)套管的情況下，用鉆機(jī)輔助推進(jìn)），在揉瑞米封孔袋到整個套管進(jìn)入鉆孔時間小于2 min。最后一根套管外露300 mm，以便連接膠管，設(shè)法蘭盤。高位孔與主抽放管路間用直徑108 mm的鎧裝膠管連接。每個孔外都要加控制瓦路。

該抽放系統(tǒng)與上隅角埋管抽放進(jìn)行配合抽放，增強(qiáng)了瓦斯抽放系統(tǒng)的可靠性，給工作面回采過程中的生產(chǎn)安全和瓦斯管理工作提供了安全保證。

3 結(jié)語

（1）工作面瓦斯不僅來自于煤壁和采落煤，同時又有相當(dāng)一部分來自采空區(qū)，而且越靠近回風(fēng)巷，采空區(qū)瓦斯涌出所占比例越大。（2）當(dāng)工作面進(jìn)風(fēng)量增大時會引起采空區(qū)漏風(fēng)量增大，工作面有效風(fēng)量率降低，進(jìn)而引起采空區(qū)瓦斯涌出量增大。因此，盲目的增大工作面風(fēng)量對于工作面瓦斯排放是不利的。（3）解決采空區(qū)上隅角瓦斯的主要措施是在采空區(qū)上隅角處增加漏風(fēng)匯。通過增加漏風(fēng)匯來排除采空區(qū)上隅角瓦斯，其排放效果取決于漏風(fēng)匯的風(fēng)流強(qiáng)度和位置。（4）治理上隅角瓦斯超限應(yīng)該多措并舉，同時使用多種方法，增強(qiáng)瓦斯治理工作的可靠性。其中主要方法應(yīng)該是瓦斯抽放，其它的方法都具有一定的局限性、不可確定性和不穩(wěn)定性；所以治理上隅角瓦斯應(yīng)提前考慮、提前施工，早投入，早見效。

參考文獻(xiàn)

[1] 曲志明，王育德，周心權(quán).采空垮落區(qū)的風(fēng)流運(yùn)動和瓦斯運(yùn)移作用機(jī)理[J].煤礦安全，2013，44（3）：9-13.

[2] 周世寧，林柏泉.煤層瓦斯賦存與流動理論[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1999.