綜采工作面上隅角瓦斯綜合治理實(shí)踐研究

王艷軍

（晉煤集團(tuán) 基本建設(shè)局，山西 晉城048006）

綜采工作面上隅角是瓦斯最易積聚的地方，隨著工作面產(chǎn)能和機(jī)械化水平的不斷提升，上隅角瓦斯積聚問題愈顯嚴(yán)重，上隅角瓦斯積聚不僅容易引起瓦斯超限威脅礦井安全生產(chǎn)，同時(shí)還會(huì)一定程度的增加工作面瓦斯治理難度〔1－2〕。據(jù)資料顯示，我國(guó)煤礦事故主要為瓦斯事故，其中上隅角瓦斯爆炸和瓦斯燃燒事故占了瓦斯事故的相當(dāng)大的比例，因此治理上隅角瓦斯一直是生產(chǎn)礦井的安全工作重心〔3〕。盡管，生產(chǎn)礦井采取了懸掛風(fēng)障、敷設(shè)瓦斯抽放系統(tǒng)、封堵上隅角等多種治理手段，但鑒于煤層賦存條件、工作面布置、上隅角位置、風(fēng)流和瓦斯積聚的特殊性，部分礦井上隅角瓦斯積聚問題始終未能得到有效根除。本文以山西晉煤集團(tuán)澤州天安圣鑫煤業(yè)有限公司為研究對(duì)象。圣鑫煤礦屬于高瓦斯礦井，上隅角瓦斯積聚一直是影響該礦綜采工作面安全生產(chǎn)的主要因素，通過現(xiàn)場(chǎng)研究和理論分析，該礦采取多種手段綜合治理上隅角瓦斯取得了較好的成績(jī)，現(xiàn)以該礦9301工作面為例闡述上隅角瓦斯治理實(shí)踐。

1 試驗(yàn)工作面概況

9301工作面是該礦井三盤區(qū)首采工作面，該工作面東部為9207工作面采空區(qū)，工作面西部為9205工作面，工作面北部為實(shí)體煤，緊鄰斷層，南部為盤區(qū)下山。該工作面所采煤層厚度為3.1～4.2m，平均為3.5m，煤層傾角為12°～16°，平均為14.3°，煤層可采系數(shù)為1，屬于穩(wěn)定可采厚煤層工作面。9301工作面?zhèn)雾敒楹?.35～0.5m的炭質(zhì)泥巖，直接頂為厚2.8～5.6m的含植物化石深灰色灰?guī)r，基本頂為厚3.5～4.7m的淺灰色灰?guī)r，直接底為厚1.2～3.1m的深灰色炭質(zhì)泥巖～泥巖，基本底為厚2.5～4.7m的致密性灰色粗粒砂巖。工作面設(shè)計(jì)采長(zhǎng)為120 m，走向長(zhǎng)度為765m，采用一次采全高綜合機(jī)械化采煤，采場(chǎng)采用ZY4000－17／37型液壓支架進(jìn)行支護(hù)，頂板管理方式為全部垮落式。工作面采用U型通風(fēng)，即由運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)巷回風(fēng)，兩巷規(guī)格（長(zhǎng)×寬）為4.1m×2.2m，凈截面為7.96m2，支護(hù)方式均為U型鋼棚支護(hù)，巷道支架支護(hù)排距為0.6m。工作面回采期間上隅角瓦斯基本保持在0.75%～1.0%范圍內(nèi)，當(dāng)煤體有較大范圍片幫或者頂板冒落時(shí)上隅角瓦斯偶爾會(huì)升至2.1%～2.5%，上隅角瓦斯已經(jīng)成為了影響該工作面安全回采的重大威脅。

2 上隅角瓦斯積聚原因分析

2.1 上隅角瓦斯來源

理論研究表明，煤層未開采前瓦斯主要以游離態(tài)和吸附態(tài)存在于煤體中，其中游離態(tài)瓦斯和部分吸附態(tài)瓦斯在煤層開采過程中逐漸釋放〔4〕。釋放的瓦斯受到頂板變形破壞、煤層回采、礦壓擾動(dòng)等作用下由高壓帶向低壓帶擴(kuò)散，最終沿瓦斯通道和風(fēng)流進(jìn)入采空區(qū)或者工作面回風(fēng)巷，若上隅角管理不善，部分采空區(qū)瓦斯和工作面瓦斯會(huì)在上隅角積聚。為了進(jìn)一步明確9301工作面瓦斯來源和不同來源瓦斯量，礦井組織相關(guān)人員對(duì)瓦斯進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明該工作面瓦斯來源主要為本煤層丟煤瓦斯涌出、割煤過程瓦斯涌出、鄰近層瓦斯涌出和采空區(qū)瓦斯涌出，其中本煤層丟煤瓦斯涌出約占4%～6%，割煤過程中瓦斯涌出約占25%～35%，鄰近層瓦斯涌出約占2%～5%，采空區(qū)瓦斯約占55%～65%。由此可知工作面瓦斯主要有采空區(qū)瓦斯和割煤過程中瓦斯兩部分，對(duì)上隅角瓦斯測(cè)定結(jié)果表明上隅角瓦斯主要來源也是采空區(qū)和割煤過程中產(chǎn)生的瓦斯，其中采空區(qū)瓦斯約占85%以上。

2.2 上隅角瓦斯積聚分析

理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明，工作面瓦斯由進(jìn)風(fēng)巷經(jīng)工作面采場(chǎng)至回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛戎饾u升高，且進(jìn)風(fēng)巷至工作面下半段瓦斯?jié)舛茸兓^小，工作面中段往上瓦斯?jié)舛冗f增趨勢(shì)較明顯，尤其是在上安全出口下側(cè)25～30m范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛容^高，分析認(rèn)為形成該規(guī)律主要原因是工作面下半段部分瓦斯隨風(fēng)流經(jīng)架間流向采空區(qū)，然后在工作面下半段和上隅角處流出，最終也會(huì)導(dǎo)致上隅角瓦斯?jié)舛绕摺?〕。同時(shí)，隨著工作面回采過程中頂板的變形破壞、煤壁片幫、采動(dòng)擾動(dòng)等諸多因素的作用下，上隅角附近圍巖體會(huì)形成大量的裂隙，采空區(qū)瓦斯氣體會(huì)沿裂隙進(jìn)入上隅角〔6〕。另外，對(duì)于U型通風(fēng)工作面而言，在風(fēng)壓作用下，工作面風(fēng)流向低壓區(qū)移動(dòng)，這樣若上隅角封堵不嚴(yán)時(shí)瓦斯便會(huì)由此涌出，從而增加上隅角瓦斯?jié)舛龋簧嫌缃锹╋L(fēng)與煤壁和工作面瓦斯在上隅角在風(fēng)流作用下形成渦流，最終導(dǎo)致該渦流范圍內(nèi)的瓦斯無法隨風(fēng)流進(jìn)入工作面回風(fēng)巷，工作面風(fēng)流流動(dòng)情況具體見圖1。

圖1 9301工作面風(fēng)流流動(dòng)示意

3 上隅角瓦斯綜合治理實(shí)踐

3.1 優(yōu)化通風(fēng)

優(yōu)化通風(fēng)是治理瓦斯最直接、最根本的方法，根據(jù)工作面瓦斯規(guī)律合理優(yōu)化配風(fēng)量可以適當(dāng)降低工作面瓦斯含量，也相對(duì)降低上隅角瓦斯?jié)舛取：侠韮?yōu)化配風(fēng)量是治理瓦斯的基礎(chǔ)，若配風(fēng)量過大則可能將采空區(qū)瓦斯帶出，若配風(fēng)量過小又起不到相應(yīng)的風(fēng)帶瓦斯作用，故合理確定配風(fēng)量對(duì)于治理瓦斯十分必要。9301工作面在原風(fēng)量的基礎(chǔ)上增加10%的風(fēng)量，其結(jié)果有利于降低工作面和上隅角瓦斯，尤其是回風(fēng)流瓦斯?jié)舛冉档兔黠@。另外，為了盡可能的減少?gòu)纳嫌缃翘幊霈F(xiàn)漏風(fēng)，在9301工作面風(fēng)巷老空側(cè)打設(shè)一堵封堵墻，且該封堵墻隨著機(jī)尾回柱放頂逐漸向外打設(shè)。

3.2 布置風(fēng)障

風(fēng)障是瓦斯工作面最常用的導(dǎo)風(fēng)設(shè)施，合理布置風(fēng)障可以人為的改變瓦斯流動(dòng)路徑，進(jìn)而降低目的區(qū)域瓦斯?jié)舛?。風(fēng)障布置操作簡(jiǎn)單，且可根據(jù)工作面上隅角和機(jī)尾斷面情況調(diào)整大小，8301工作面從機(jī)尾后3臺(tái)支架前兩下方向上隅角方向布置風(fēng)障，風(fēng)障需上接頂、下接底，布置好風(fēng)障后發(fā)現(xiàn)瓦斯?jié)舛冉档筒⒉幻黠@，然后將風(fēng)障拉向上隅角處回風(fēng)巷上幫，在上幫處底部布置漏風(fēng)口，結(jié)果上隅角瓦斯?jié)舛让黠@降低，但該風(fēng)障布置方式存在問題，不利于行人和運(yùn)料，同時(shí)又一定程度的增加了工作面風(fēng)阻，對(duì)工作面的安全回采不利。因此，利用風(fēng)障難以從根本上達(dá)到8301工作面上隅角瓦斯治理的目的，只能將其作為一種臨時(shí)性的輔助措施。

3.3 小型液壓扇驅(qū)散瓦斯

考慮到優(yōu)化通風(fēng)和布置風(fēng)障治理上隅角瓦斯效果并不理想，借鑒相鄰礦井治理上隅角瓦斯經(jīng)驗(yàn)，決定在上隅角處安裝小型液壓扇，該液壓扇采用液壓驅(qū)動(dòng)，液壓扇上安裝瓦斯傳感器，傳感器實(shí)時(shí)對(duì)上隅角瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)上隅角瓦斯?jié)舛瘸^設(shè)定指數(shù)時(shí)液壓扇自動(dòng)開啟，當(dāng)瓦斯?jié)舛鹊陀谠O(shè)定指數(shù)時(shí)自動(dòng)停止，液壓扇開啟后能夠在一定程度上吹散上隅角瓦斯，但液壓扇影響風(fēng)流范圍較小，對(duì)于治理上隅角瓦斯只能起到一定的促進(jìn)作用。

3.4 上隅角瓦斯抽放

（1）瓦斯抽放方案的確定。由于礦井已經(jīng)配備了瓦斯抽放泵站，故可以考慮對(duì)9301工作面上隅角瓦斯進(jìn)行抽放。根據(jù)9301工作面布置情況，由瓦斯抽放泵站引出一條Φ325mm的瓦斯抽放管路，該管路經(jīng)回風(fēng)巷敷設(shè)距離上隅角30m處，在Φ325mm瓦斯抽放管路尾端引出2條Φ150mm的埋吸管，埋吸管端口處安裝抽放籠頭，籠頭外用窗紗包裹好以避免吸入煤巖粉粒，最后將籠頭埋入上隅角距離底板1.5m處老空區(qū)內(nèi)0.5m深，管路全部敷設(shè)好后即可開啟瓦斯抽放泵進(jìn)行瓦斯抽放。該瓦斯抽放管路隨著工作面的推進(jìn)不斷拆除，拆除時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

（2）瓦斯抽放效果。工作面采用瓦斯抽放系統(tǒng)治理上隅角瓦斯后，上隅角瓦斯得到了明顯的控制。根據(jù)測(cè)定結(jié)果可知，開啟瓦斯抽放泵后，上隅角瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.12%～0.25%范圍內(nèi)，即使在工作面來壓期間，煤壁片幫較嚴(yán)重時(shí)，上隅角瓦斯?jié)舛纫参丛^0.5%；通過對(duì)回風(fēng)流瓦斯測(cè)定，結(jié)果表明回風(fēng)流瓦斯也有所降低，回風(fēng)流瓦斯由抽放前的0.1%～0.15%降低至0.04%～0.06%；綜上可知，采用瓦斯抽放治理上隅角瓦斯效果較好，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)需求。

4 結(jié)語

通過理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐分析了上隅角瓦斯積聚的主要原因，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定確定了上隅角瓦斯主要來源于采空區(qū)和割煤過程。針對(duì)9301工作面上隅角瓦斯積聚特點(diǎn)，確定了采用風(fēng)障、優(yōu)化通風(fēng)和瓦斯抽放等綜合方法來治理上隅角瓦斯，根據(jù)上隅角瓦斯治理情況認(rèn)為，風(fēng)障法只能作為治理9301工作面上隅角瓦斯臨時(shí)性措施，優(yōu)化通風(fēng)只能一定程度的改善上隅角瓦斯積聚現(xiàn)象，而瓦斯抽放系統(tǒng)是一種安全、可靠和有效地上隅角瓦斯治理方法，但瓦斯抽放系統(tǒng)的布置和拆裝會(huì)對(duì)回采造成一定的影響。9301工作面上隅角瓦斯治理的成功實(shí)踐表明，只有掌握瓦斯積聚原因，并采取合理的方法才能從根本上解決瓦斯積聚問題。

〔1〕楊澤勝.綜采工作面瓦斯綜合治理〔J〕.煤，2009，18（1）：34.

〔2〕張育恒.綜采工作面上隅角瓦斯治理的探索與研究〔J〕.煤，2008，17（12）：19－21.

〔3〕張紅燦，邵 方，高加傳.采煤工作面上隅角瓦斯運(yùn)移規(guī)律及超限防治〔J〕.山西建筑，2010，36（15）：197－198.

〔4〕王遠(yuǎn)廣.采煤工作面上隅角瓦斯治理方法〔J〕.煤炭技術(shù)，2009，（7）：108－109.

〔5〕徐英林，曹彥恒，張鐵紅，等.采煤工作面上隅角瓦斯治理方法與應(yīng)用〔J〕.中州煤炭，2005，（6）：58－59.

〔6〕劉 波，張 永.白集煤礦回采工作面上隅角瓦斯治理措施〔J〕.能源技術(shù)與管理，2005.（4）：28－29.