綜采工作面上隅角瓦斯治理實踐

張虎仕

（山西懷仁聯(lián)順璽達(dá)柴溝煤業(yè)有限公司，山西 朔州038300）

近年來，隨著國內(nèi)外經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展，煤炭行業(yè)經(jīng)歷了飛速發(fā)展的“十年黃金期”。在這期間，國內(nèi)各大礦區(qū)煤炭開采強度和產(chǎn)能得到了大幅度的提高，這也造成礦井瓦斯涌出量相對不斷增加，即使是低瓦斯礦井也出現(xiàn)綜采工作面瓦斯超限問題〔1－3〕。山西懷仁聯(lián)順璽達(dá)柴溝煤業(yè)所采煤層為山西組5＃煤層，采用走向長壁綜合機械化開采，工作面通風(fēng)方式均為U型通風(fēng)，礦井瓦斯絕對涌出量為40.71m3／min，相對瓦斯涌出量為3.224m3／t，屬高瓦斯礦井。隨著開采深度和開采強度的不斷增加，礦井瓦斯涌出量有升高趨勢。今年以來，所采1511工作面多次出現(xiàn)上隅角瓦斯超限現(xiàn)象。為了提高工作面安全回采水平，盡快遏制上隅角瓦斯超限問題，技術(shù)人員從多方面著手，掌握了工作面上隅角瓦斯超限原因，并據(jù)此提出了預(yù)防措施。

1 工作面概況

1511工作面位于礦井一水平，工作面西部為井田保護(hù)煤柱，東部為采區(qū)上山，南部為已經(jīng)回采結(jié)束的1509工作面。工作面所采煤層為山西組5＃煤層，煤層賦存較簡單，煤質(zhì)軟弱易碎，煤層厚度2.59～37.16m，平均17.07m，煤層頂板多為粉砂巖、粗砂巖組成，有時為中粒砂巖、煌斑巖、炭質(zhì)泥巖，底板多為砂質(zhì)泥巖、中粒砂巖，有時為砂巖。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，夾石3～33層，一般15層左右，多為高嶺質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、煌斑巖。煤層厚度變化大，西部厚，東南部薄，屬全區(qū)可采穩(wěn)定煤層。煤層可采性指數(shù)為1，煤層厚度變異系數(shù)為25%。采用綜合機械化開采；采用“一進(jìn)一回”式U型通風(fēng)方式；風(fēng)、機兩巷均采用“錨網(wǎng)索”鋼帶進(jìn)行支護(hù)；安裝ZF13000／22／35型液壓支架125臺。

該工作面自2014年10月回采以來，來自于所采5＃煤層、鄰近煤層和采空區(qū)瓦斯大量涌入回采空間和回風(fēng)巷，通過優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)一定程度地遏制了瓦斯超限問題。但是自2015年3月下旬以來，工作面連續(xù)出現(xiàn)過幾次上隅角瓦斯超限。鑒于此，礦井通過增加風(fēng)量和優(yōu)化導(dǎo)風(fēng)來降低上隅角瓦斯?jié)舛龋磸母旧隙沤^瓦斯超限現(xiàn)象。1511工作面上隅角瓦斯?jié)舛雀吆皖l繁超限不僅大幅度降低了工作面安全回采水平，也嚴(yán)重影響了工作面的正?；夭伤俣?，對于提高礦井綜合效益極為不利。因此，如何有效治理瓦斯已經(jīng)成為1511工作面安全回采的基本前提。

2 上隅角瓦斯超限分析

通風(fēng)理論認(rèn)為，綜采工作面采用U型通風(fēng)方式時，進(jìn)入工作面的風(fēng)流一部分進(jìn)入采空區(qū)，另一部分進(jìn)入回采空間，其中進(jìn)入采空區(qū)部分風(fēng)流在工作面上段逐漸重新進(jìn)入回采空間，最后在上隅角處匯積后進(jìn)入回風(fēng)流。對上隅角風(fēng)流分析可知，上隅角靠近采空區(qū)側(cè)和巷幫側(cè)的風(fēng)流速度較低，且局部區(qū)域風(fēng)流處于渦流狀態(tài)，渦流的存在導(dǎo)致采空區(qū)涌出的瓦斯在渦流區(qū)中循環(huán)運動而難以隨風(fēng)流進(jìn)入回風(fēng)中。若上隅角出現(xiàn)漏風(fēng)現(xiàn)象，在風(fēng)流壓差的作用下采空區(qū)瓦斯從漏風(fēng)區(qū)溢出在上隅角處積聚。分析認(rèn)為，這也是U型通風(fēng)方式下1511工作面上隅角瓦斯頻繁超限的主要原因。

通過現(xiàn)場實測，掌握了上隅角瓦斯來源主要有：本工作面采空區(qū)瓦斯，煤體瓦斯和臨近工作面采空區(qū)瓦斯。本工作面采空區(qū)瓦斯主要是兩巷保護(hù)煤柱受到采動影響出現(xiàn)幫煤片落，保護(hù)煤柱深部煤體裸露并釋放瓦斯，另外，1511工作面采取留部分頂煤開采，殘留在采空區(qū)內(nèi)的遺煤也會釋放一定的瓦斯；煤體瓦斯是指工作面在回采過程中煤層釋放部分瓦斯，且1511工作面所采5＃煤層部分區(qū)域煤層厚度變化較大，在回采過程中常遇到瓦斯異常增大區(qū)，也是引起上隅角瓦斯?jié)舛茸兇蟮闹匾颍慌R近工作面采空區(qū)瓦斯主要是指1509工作面采空區(qū)瓦斯。1509工作面和1511工作面之間煤柱尺寸較小，煤體質(zhì)軟易碎，受到采動影響和礦山壓力作用煤柱穩(wěn)定性降低和頂板出現(xiàn)大量的裂隙，致使1509工作面采空區(qū)瓦斯溢入1511工作面。3個區(qū)域瓦斯在風(fēng)流作用下在上隅角積聚，最終致使上隅角瓦斯超限。

除了U型通風(fēng)方式容易引起工作面上隅角瓦斯超限外，影響上隅角瓦斯的因素還有煤層傾角、放炮工序和風(fēng)障的使用等。理論研究表明，煤層傾角變大不利于上隅角瓦斯管理〔4〕。煤層較大傾角的存在會一定程度降低采空區(qū)上方頂板巖體的穩(wěn)定性，出現(xiàn)采空區(qū)上段巖體向下段滑落，上段區(qū)域出現(xiàn)空洞和瓦斯積聚；煤層傾角大還一定程度上改變了采空區(qū)內(nèi)瓦斯梯度，致使瓦斯在上隅角處出現(xiàn)高值。1511工作面在過斷層等構(gòu)造帶時采用先放震動炮后采用煤機截割通過，在放炮期間產(chǎn)生的爆轟沖擊會破壞風(fēng)流正常流態(tài)，致使上隅角瓦斯出現(xiàn)濃度變大現(xiàn)象，同時放炮會一定程度增大煤巖體裂隙度，致使大量的煤體瓦斯溢出。1511工作面在布置上隅角風(fēng)障時為了操作方便往往將風(fēng)障上側(cè)與風(fēng)巷上幫掛齊，風(fēng)流從風(fēng)障上方流出，這樣容易造成瓦斯在上隅角頂部出現(xiàn)渦流，瓦斯難以隨風(fēng)流溢出，故風(fēng)障的不合理使用也是引起1511工作面上隅角瓦斯?jié)舛绕蟮闹饕颉?/p>

3 上隅角瓦斯超限處理措施

3.1 常規(guī)處理措施

（1）工作面過機尾后，及時進(jìn)行放頂，當(dāng)冒落的頂板無法將放頂區(qū)填滿填實時，用煤及矸石對放頂區(qū)進(jìn)行充填，頂部充填不滿處用防阻燃袋塞嚴(yán)。

（2）為了避免上隅角瓦斯積聚超限，在上隅角處拉設(shè)一道風(fēng)障，風(fēng)障與煤壁角度為30°～45°，風(fēng)障長度為10～15m，風(fēng)障高度要求與頂板接齊。

（3）在工作面機巷老空側(cè)要打設(shè)一道風(fēng)障，長度為15 m，高度以接底接頂為準(zhǔn)，并向機巷向外拐不少于500mm。機巷老空放頂區(qū)應(yīng)及時充填，或施工煤墻，以防止機巷風(fēng)流進(jìn)入老空區(qū)，引起上隅角瓦斯積聚。

（4）鑒于上隅角瓦斯主要靠工作面風(fēng)流沖散和帶出，僅靠風(fēng)障難以驅(qū)散1511工作面上隅角渦流區(qū)高濃度瓦斯，可增加風(fēng)量來降低上隅角瓦斯?jié)舛?。根?jù)現(xiàn)場實際，將風(fēng)量由原來的1400m3／min提高至1950m3／min，風(fēng)量提高了近35%。通過優(yōu)化通風(fēng)一定程度降低了上隅角瓦斯?jié)舛龋⒉荒軓母旧辖鉀Q上隅角瓦斯超限問題。若進(jìn)一步增大風(fēng)量，會造成工作面和回風(fēng)流中煤塵濃度增大，同時還會造成采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，故不能單靠增大風(fēng)量治理1511工作面上隅角瓦斯。

3.2 瓦斯抽放

通過上隅角瓦斯常規(guī)措施的實施，一定程度降低了上隅角瓦斯?jié)舛?，但未從根本上解決上隅角瓦斯超限問題，研究決定采用上隅角瓦斯抽放技術(shù)來治理上隅角瓦斯。上隅角瓦斯抽放原理：通過瓦斯抽放使工作面上隅角處形成負(fù)壓區(qū)，該負(fù)壓區(qū)內(nèi)瓦斯與空氣能夠充分混合，并隨瓦斯抽放管抽放。瓦斯抽放主管采用規(guī)格為Φ275mm×4000mm的聚乙烯涂層復(fù)合鋼管連接而成。瓦斯抽放主管路布置：抽放泵站→回風(fēng)與泵站密閉→采區(qū)回風(fēng)上山→工作面回風(fēng)巷→工作面上隅角。

為了操作方便，將瓦斯抽放主管路布置在距離上隅角約22～24m處，然后通過法蘭連接規(guī)格為Φ150mm長8 m的埋吸管，這樣可以隨工作面推進(jìn)通過移動埋吸管來避免頻繁拆卸瓦斯抽放主管。為了保障瓦斯抽放效果，將埋吸管吸入口深入到上隅角里200～300mm，且利用煤袋將埋吸管周邊進(jìn)行堵實；同時，為了減少進(jìn)入埋吸管的煤巖體碎屑量，埋吸管吸入口安裝龍?zhí)祝執(zhí)撞捎秒p層窗紗進(jìn)行包扎。隨著工作面的推進(jìn)，可以逐節(jié)回收埋吸管和主抽放管，直至工作面回采結(jié)束。

圖1 1511工作面上隅角瓦斯抽放系統(tǒng)布置

4 上隅角瓦斯治理效果

通過瓦斯治理常規(guī)措施的實施和瓦斯抽放系統(tǒng)運行后，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛群蜕嫌缃峭咚節(jié)舛染忻黠@下降。經(jīng)現(xiàn)場實測，瓦斯抽放系統(tǒng)運行前，上隅角和回風(fēng)流平均瓦斯?jié)舛确謩e為1.57%和0.49%，抽放系統(tǒng)運行后，上隅角瓦斯?jié)舛仁冀K保持在≤0.45%，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛仁冀K保持在＜0.35%，上隅角瓦斯?jié)舛群突仫L(fēng)流瓦斯?jié)舛容^抽放系統(tǒng)運行前大大降低，說明通過該瓦斯抽放系統(tǒng)的使用，有效地控制了上隅角和回風(fēng)流瓦斯?jié)舛取?/p>

〔1〕劉見中.上隅角瓦斯?jié)舛阮A(yù)測及其處理方法的優(yōu)選〔J〕.煤炭科學(xué)技術(shù)，2004，32（2）：7－10.

〔2〕王巖森，顧永功，黃佰喜.采煤工作面上隅角瓦斯積聚成因分析及治理措施〔J〕.能源技術(shù)與管理，2005，（4）：17－19.

〔3〕賈寶財，劉振宇.U型通風(fēng)方式采煤工作面上隅角瓦斯處理方法〔J〕.煤炭技術(shù)，2008，27（5）：88－90.

〔4〕胡圣鵬.采煤工作面上隅角瓦斯積聚成因與處理對策〔J〕.煤炭技術(shù)，2006，25（5）：62－63.