綜放工作面瓦斯涌出特點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施研究

陳 赟

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)蒲縣豹子溝煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041204）

關(guān)鍵字 瓦斯涌出；放頂煤開(kāi)采；瓦斯積聚；采空區(qū)

0 引言

隨著我國(guó)煤炭開(kāi)采量的不斷增加，以及采掘機(jī)械化的不斷推廣，煤炭開(kāi)采的強(qiáng)度和深度急劇加大。尤其是在我國(guó)東部很多傳統(tǒng)開(kāi)采區(qū)域，煤炭開(kāi)采的深度正以平均每年20米左右的速度向地下深處延伸，伴隨這一過(guò)程的是瓦斯水平的不斷攀升。主要表現(xiàn)在煤層中的瓦斯壓力及涌出量日益增多，瓦斯突出現(xiàn)象的頻率及危害日益嚴(yán)重，許多傳統(tǒng)意義上的瓦斯礦井逐漸成為了高瓦斯礦井，安全生產(chǎn)的壓力逐漸加大。面對(duì)這一嚴(yán)峻形勢(shì)，在煤炭生產(chǎn)過(guò)程中，必須認(rèn)真細(xì)致地對(duì)本礦井中的瓦斯來(lái)源特點(diǎn)、涌出特點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定及分析，并通過(guò)合理的技術(shù)及管理手段對(duì)這種危險(xiǎn)因素進(jìn)行管控，最終達(dá)到安全高效生產(chǎn)的目的。本文以保德煤礦81306工作面為例，對(duì)其瓦斯涌出特點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行分析研究。

1 工作面瓦斯來(lái)源現(xiàn)狀

保德煤礦81306工作面屬于一次采全高的綜放開(kāi)采工藝，該工藝的特點(diǎn)之一是會(huì)對(duì)周邊圍巖及上相近層造成不確定影響，如保德礦的工作面高度為7米，但冒落帶的高度最大可達(dá)30米，厚度相差十分懸殊，由冒落帶中放下的煤量也很巨大。因此，這種一次采全高式的綜放工作面在瓦斯問(wèn)題上，往往是噸煤瓦斯涌出量較小，但瓦斯涌出的絕對(duì)量卻很大，由此產(chǎn)生的瓦斯突出事故危險(xiǎn)性也很明顯。

當(dāng)發(fā)生頂板垮落時(shí)，在回風(fēng)巷道靠近液壓支架的位置容易發(fā)生小范圍的瓦斯積聚現(xiàn)象，其發(fā)生的位置主要是液壓支架和放煤口的各個(gè)縫隙中。尤其是在采用U型通風(fēng)方式的工作面，一旦發(fā)生瓦斯涌出量大，并且未能及時(shí)采取補(bǔ)救措施，則這些縫隙中的瓦斯量會(huì)急劇升高，最大濃度可達(dá)10%以上。這將直接導(dǎo)致液壓支架無(wú)法在保證安全的情況下正常移動(dòng)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度。

同時(shí)，在周期來(lái)壓、頂板垮落的過(guò)程中，由于工作面頂板劇烈下沉，導(dǎo)致已有裂隙被壓縮，瓦斯的存儲(chǔ)空間在短時(shí)間內(nèi)被劇烈壓縮，大量瓦斯就會(huì)噴出。這種狀況下發(fā)生的瓦斯涌出現(xiàn)象不僅速度快而且濃度高，此時(shí)如果礦井采用的仍是負(fù)壓通風(fēng)方式，則極易造成支架等處局部瓦斯超限，對(duì)生產(chǎn)安全造成巨大壓力。

從目前的研究來(lái)看，當(dāng)采用一次采全高式的放頂煤開(kāi)采方式時(shí)，瓦斯的涌出規(guī)律性較差，難以摸索出固定的涌出模式。這其中，采煤的工藝順序?qū)ν咚褂砍隽坑绊戄^大。如當(dāng)進(jìn)行放頂煤工序時(shí)，瓦斯涌出量較大；而在正常工作面割煤時(shí)，瓦斯的涌出量一般較小。因此，總體來(lái)說(shuō)，一次采全高式的放頂煤開(kāi)采方式下，工作面的瓦斯涌出表現(xiàn)出較為明顯的非均衡性。

2 工作面瓦斯涌出特點(diǎn)

2.1 瓦斯涌出量計(jì)算方法

瓦斯涌出現(xiàn)象是在時(shí)間維度上講是伴隨整個(gè)煤炭生產(chǎn)過(guò)程的，在空間維度上講則廣泛出現(xiàn)于礦井中的各個(gè)主要區(qū)域，囊括了開(kāi)采區(qū)和非開(kāi)采區(qū)的大部分位置，大致的分布關(guān)系如圖1所示。

圖1 礦井瓦斯主要分布區(qū)域關(guān)系框圖

由圖1中可見(jiàn)，瓦斯在礦井中的分布主要是開(kāi)采區(qū)和采空區(qū)兩大部分，其中開(kāi)采區(qū)由于集中了生產(chǎn)過(guò)程中的主要機(jī)械及礦井結(jié)構(gòu)部分，因此瓦斯的涌出位置較多，復(fù)雜程度較大。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，本文主要針對(duì)開(kāi)采區(qū)和采空區(qū)這一層次進(jìn)行瓦斯涌出現(xiàn)象分析。

開(kāi)采區(qū)的瓦斯涌出量使用相對(duì)涌出量的概念，即以24小時(shí)為一個(gè)計(jì)算周期進(jìn)行瓦斯涌出量的計(jì)算，如式（1）：

q采為回采面相對(duì)瓦斯涌出量，m3/min；q1為本煤層的相對(duì)瓦斯涌出量，m3/min；q2為本煤層周邊層的相對(duì)瓦斯涌出量，m3/min。

采空區(qū)的瓦斯涌出量實(shí)際測(cè)定較為困難，因此主要是對(duì)老頂垮落前后主回風(fēng)巷中的瓦斯涌出量進(jìn)行測(cè)定、統(tǒng)計(jì)，估算采空區(qū)瓦斯涌出量如式（2）：

M1為老頂未垮落時(shí)主回風(fēng)巷中排出瓦斯量，m3/min；M2為老頂已垮落時(shí)主回風(fēng)巷中排出瓦斯量，m3/min；M3為采空區(qū)瓦斯涌出量，m3/min；M4為采空區(qū)實(shí)測(cè)瓦斯抽排量，m3/min。

2.2 工作面瓦斯涌出量計(jì)算及分析

本文的研究對(duì)象是保德礦81306工作面，在該工作面周圍臨近的幾個(gè)工作面分別為88201、88202、88203、81304和81305工作面，這幾個(gè)工作面均已回采。其中，88201、88202和88203工作面均屬于一次采全高式的綜合機(jī)械化開(kāi)采模式，而81304和81305工作面屬于一次采全高式的綜放工作面，主要是對(duì)上部煤層進(jìn)行有效回收。對(duì)這些煤層采區(qū)及采空區(qū)的瓦斯涌出量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1所示。

表1 不同工作面瓦斯涌出量

由表1可見(jiàn)，在81306臨近的幾個(gè)工作面中，瓦斯涌出均以采空區(qū)為主，其瓦斯涌出量一般占到了瓦斯總量的55%-70%。開(kāi)采過(guò)程中的工作面割煤及原煤運(yùn)輸帶來(lái)的瓦斯涌出量一般占到20%左右；另有少部分瓦斯來(lái)源于浮煤和巷道煤壁，以及外界送風(fēng)過(guò)程中帶入的少量瓦斯。這些均包含在了工作面瓦斯涌出量中。

對(duì)于開(kāi)采過(guò)程中的瓦斯涌出現(xiàn)象，治理方案一般是抑制瓦斯涌出或者減小回采工作面的瓦斯涌出。本文研究的81306工作面屬于一次采全高式的綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采，并且采空區(qū)的瓦斯涌出量相對(duì)較大，這種情況下治理瓦斯涌出一般采用的是減小工作面的瓦斯涌出。具體方法一般是在尾巷或者采空區(qū)埋管；在頂板的走向方向上打孔；或者預(yù)先對(duì)煤層中瓦斯進(jìn)行抽采。在以往的生產(chǎn)過(guò)程中，由于地面瓦斯抽采泵尚未建成，81306在生產(chǎn)過(guò)程中主要是通過(guò)井下集中抽采系統(tǒng)進(jìn)行瓦斯預(yù)抽排；泵站投入使用后，則使用地面高負(fù)壓抽采系統(tǒng)進(jìn)行瓦斯抽排。

3 工作面瓦斯安全管理措施

3.1 工作面采空區(qū)抽采方案

由前述分析可知，工作面涌出的瓦斯基本上60%以上都是來(lái)自采空區(qū)。因此在工作面的回采過(guò)程中，結(jié)合工作面的實(shí)際結(jié)構(gòu)情況，應(yīng)當(dāng)使用埋管方案進(jìn)行瓦斯治理。抽采過(guò)程中使用地面瓦斯抽采泵站的低負(fù)壓抽采系統(tǒng)進(jìn)行抽采活動(dòng)。

根據(jù)81306工作面至今為止的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，工作面的預(yù)抽瓦斯量一般在0.76-3.58m3/min。隨著回采工作的持續(xù)進(jìn)行，工作面的預(yù)抽采量也會(huì)逐漸減少。為便于說(shuō)明，工作面的瓦斯預(yù)抽采量可估計(jì)為2m3/min。此外，工作面回采期間的風(fēng)排瓦斯量設(shè)計(jì)為10m3/min。

根據(jù)以往數(shù)據(jù)，工作面的額瓦斯涌出量峰值為29.8m3/min，因此在工作面回采期間，采空區(qū)的瓦斯抽排能力應(yīng)保證在21m3/min以上才可保證安全。

3.2 防止上隅角瓦斯積聚

根據(jù)礦井工作面實(shí)際情況，可在回采面上隅角位置設(shè)置擋風(fēng)簾，其主要起到分割工作面風(fēng)流的作用，使得上隅角位置獲得更多風(fēng)流，最終達(dá)到稀釋上隅角瓦斯?jié)舛鹊哪康?。擋風(fēng)簾材料可選用風(fēng)筒布，其質(zhì)地較為柔軟，長(zhǎng)度一般應(yīng)大于10m。如圖2所示。

圖2 81306工作面上隅角擋風(fēng)簾安裝位置示意圖

值得注意的是，由于回采面的上隅角與煤壁和采空區(qū)相對(duì)靠近，導(dǎo)致送風(fēng)流速較低，從而引起局部風(fēng)流的渦流現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會(huì)對(duì)瓦斯的抽排產(chǎn)生嚴(yán)重負(fù)面作用，嚴(yán)重時(shí)使得上隅角處瓦斯積聚。因此可考慮在上隅角位置處安裝瓦斯稀釋器，如圖3所示。

圖3 81306工作面上隅角瓦斯稀釋器安裝位置示意圖

結(jié)合保德煤礦81306工作面的實(shí)際情況，建議使用GD-80型瓦斯稀釋器，具體技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 GD-80型瓦斯稀釋器主要技術(shù)指標(biāo)

3.3 防止工作面瓦斯超限

由于81306工作面的綜放開(kāi)采工藝存在瓦斯涌出量不均衡的特點(diǎn)，因此在送風(fēng)過(guò)程中，除了要保證送風(fēng)系統(tǒng)的工作可靠性外，還要保證在傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)送風(fēng)量的基礎(chǔ)上適當(dāng)加大送風(fēng)量。嚴(yán)格按照礦井的設(shè)計(jì)進(jìn)行配風(fēng)，并在每個(gè)月對(duì)工作面實(shí)際風(fēng)量進(jìn)行測(cè)定，當(dāng)出現(xiàn)風(fēng)量不穩(wěn)現(xiàn)象時(shí)應(yīng)及時(shí)采取補(bǔ)救措施。

此外，工作面還應(yīng)設(shè)置專門的瓦斯檢測(cè)員，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)測(cè)。檢查地點(diǎn)可定在機(jī)尾后25架、工作面風(fēng)流、后溜風(fēng)流以及回風(fēng)隅角位置處，利用自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中的探頭結(jié)合人工手便攜式的瓦斯檢測(cè)儀器對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的瓦斯情況進(jìn)行實(shí)施準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)。其中，工作面的瓦斯檢測(cè)次數(shù)不得少于每班三次，兩次檢查的時(shí)間間隔應(yīng)大于2.5小時(shí)，不得虛報(bào)、假檢、漏檢；瓦斯監(jiān)測(cè)員的交接班必須在井下完成，交接班行為應(yīng)在工作面的上隅角位置進(jìn)行。

4 結(jié)論

1）采用一次采全高式的綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采工藝時(shí)，工作面的瓦斯涌出現(xiàn)象存在噸煤瓦斯涌出量小，但瓦斯涌出絕對(duì)量大的特點(diǎn)；

2）保德煤礦81306工作面及其臨近工作面的瓦斯以采空區(qū)為主，瓦斯涌出量基本占到瓦斯總量的60%以上；

3）81306工作面進(jìn)行瓦斯抽排時(shí)，應(yīng)在經(jīng)驗(yàn)送風(fēng)量基礎(chǔ)上加大送風(fēng)量，以防止頂板垮落時(shí)瓦斯短時(shí)間內(nèi)大量涌出造成瓦斯超限；

4）可采用設(shè)置上隅角擋風(fēng)簾或設(shè)置瓦斯稀釋器的方式對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行瓦斯含量控制，并強(qiáng)化瓦斯巡查、檢測(cè)力度，防止工作面瓦斯超限。