采煤工作面上隅角瓦斯治理分析與應(yīng)用

何 清

（山西保利鐵新煤業(yè)有限公司，山西 靈石 031300）

鐵新煤礦開采石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組煤層，煤種為肥煤、焦煤，目前開采9#煤層，礦井生產(chǎn)能力90萬t/a，瓦斯礦井，通風(fēng)方式為中央分列抽出式，工作面采用一進(jìn)一回“U”型通風(fēng)。隨著裝備水平和工人操作熟練程度的提升，工作面單產(chǎn)不斷提高，加之受構(gòu)造、礦壓等因素的影響，瓦斯涌出量不斷增加，工作面上隅角出現(xiàn)了瓦斯超限，瓦斯問題成了制約礦井安全生產(chǎn)的首要問題。通過現(xiàn)場(chǎng)觀察和試驗(yàn)，采取了開缺口、設(shè)導(dǎo)風(fēng)簾、上隅角瓦斯抽采等瓦斯治理手段，取得了良好的效果。

1 瓦斯的來源

9104工作面面長(zhǎng)150m，走向長(zhǎng)950m，煤層傾角5°，煤層厚度1.28m，屬薄煤層。頂板為石灰?guī)r，平均厚度8.56m，底板為砂質(zhì)泥巖，厚度2.0～2.5m，采用綜合機(jī)械化一次采全高，垮落法管理頂板，鄰近層為10#煤未開采，煤層厚度平均約4.5m，與9#煤層間距平均約2.2m。通過瓦斯涌出量預(yù)測(cè)，測(cè)定了9104工作面瓦斯的構(gòu)成，如表1所示。

表1 9104工作面瓦斯涌出量構(gòu)成

從表1可知：9104工作面瓦斯一少部分來源于開采層的煤壁和落煤解吸的瓦斯，絕大部分來源于采空區(qū)，而采空區(qū)瓦斯涌出主要來自受采動(dòng)影響的底板10#煤層涌出的瓦斯。

在近距離煤層開采條件下，受采動(dòng)影響，鄰近層煤層受到擠壓和破壞，產(chǎn)生變形和裂隙，煤層透氣性大幅度提高，此時(shí)游離態(tài)的瓦斯便向孔隙和裂隙中滲透擴(kuò)散，進(jìn)而從采空區(qū)隨著風(fēng)流溢散出來，致使開采層瓦斯涌出量增大。

2 上隅角高瓦斯產(chǎn)生機(jī)理及瓦斯涌出影響因素

2.1 高瓦斯產(chǎn)生的機(jī)理

2.1.1 風(fēng)流狀態(tài)

9104工作面采用“U”型通風(fēng)，漏風(fēng)流線大多是流經(jīng)采空區(qū)深部的流線，攜帶瓦斯量大，而上隅角風(fēng)流速度較小，局部區(qū)域存在風(fēng)渦流現(xiàn)象，渦流運(yùn)動(dòng)使采空涌出的大量高體積分?jǐn)?shù)瓦斯難以進(jìn)入主風(fēng)流中，從而引起高體積分?jǐn)?shù)瓦斯流在上隅角附近循環(huán)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致工作面的主風(fēng)流無法將其中的瓦斯帶走，最終形成瓦斯積聚，造成上隅角瓦斯超限，如圖1所示。

圖1 采用“U”型通風(fēng)的工作面瓦斯?fàn)顟B(tài)

2.1.2 壓差

高速風(fēng)流從進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)入回采工作面，清洗工作面后經(jīng)回風(fēng)巷流出，按“伯努利原理”可知：風(fēng)流速度大的區(qū)域，壓力小，風(fēng)流速度小的區(qū)域，壓力大。采空區(qū)風(fēng)流速度小，壓力大，在壓差的作用下，采空區(qū)風(fēng)流向回采工作面運(yùn)移，同時(shí)將溢散的瓦斯攜帶出，采煤工作面的風(fēng)流在上隅角處轉(zhuǎn)彎，造成風(fēng)流速度減緩，風(fēng)流速度減小，壓差大大降低，甚至出現(xiàn)紊流，不能及時(shí)將瓦斯稀釋擴(kuò)散，從而造成上隅角瓦斯增高。

2.2 瓦斯涌出的影響因素

2.2.1 地質(zhì)構(gòu)造

9104工作面地層總體受S2背斜的控制，S2背斜軸向近東西，向西昂起，貫穿整個(gè)井田，地層傾角較平緩，相對(duì)封閉，有利于瓦斯的儲(chǔ)存。工作面自2017年1月18日開采以來，共揭露3組傾向正斷層，落差1.0～6m之間，貫穿整個(gè)工作面，如圖2所示。

圖2 9104工作面布置圖

由于斷層的落差在1.0～6m之間，而煤層及底板厚度僅為1.28m和2.2m，破壞了9#煤層底板砂質(zhì)泥巖的完整性，甚至揭露10#煤層，致使臨近層的瓦斯大量涌出，導(dǎo)致工作面瓦斯?jié)舛壬摺?/p>

通過回采期間安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)曲線圖（圖3）可以看出：從3月份開始，9104工作面上隅角瓦斯?jié)舛扔蓛稍虑暗?.32%增大到0.52%，而這期間工作面正在連續(xù)過斷層，由此而見，斷層對(duì)瓦斯的涌出影響是很大的。

圖3 9104工作面瓦斯?jié)舛惹€

2.2.2 礦山壓力

煤巖層孔、裂隙率是決定瓦斯涌出量大小的決定性因素?？住⒘严堵适艿V山壓力變化的影響，并且工作面基本頂是平均厚度8.56m的極堅(jiān)硬的K2石灰?guī)r，整體性好，塊度大，比較致密和堅(jiān)硬，單軸抗壓強(qiáng)度71.7MPa，普氏系數(shù)f=9～11，開采后不易冒落，造成懸頂。當(dāng)工作面基本頂來壓時(shí)，壓力變化劇烈，不僅超前壓力作用于煤層，而且采空區(qū)頂板大面積垮落，造成開采層及臨近層煤巖層孔、裂隙率增大，增加了瓦斯溢散通道，造成瓦斯涌出量增大。為了研究礦山壓力與瓦斯涌出量的關(guān)系，統(tǒng)計(jì)了2017年7月份9104工作面瓦斯?jié)舛融厔?shì)曲線變化圖，如圖4所示。

圖4 9104工作面瓦斯?jié)舛惹€

由圖4發(fā)現(xiàn)：9104工作面瓦斯涌出量最大值的間隔在5～6d左右，工作面推進(jìn)度為18～29m（日實(shí)際推進(jìn)度3.6～4.8m）。鐵新煤礦自2009年9月份投產(chǎn)以來，已開采了11個(gè)工作面，經(jīng)過礦壓部門的監(jiān)測(cè)與分析，9#煤層頂板周期來壓步距在18～25m之間，與工作面瓦斯涌出濃度峰值步距基本相同，由此印證了礦山壓力的變化與瓦斯涌出量之間的關(guān)系。

3 瓦斯治理措施

3.1 進(jìn)風(fēng)側(cè)開缺口

在工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)提前開缺口，引導(dǎo)風(fēng)流從工作面流入，并在進(jìn)風(fēng)隅角切頂排處打設(shè)擋內(nèi)簾，減少向老塘漏風(fēng)（見圖5），避免了風(fēng)流將采空區(qū)高濃度瓦斯導(dǎo)出。缺口保持超前不少于3m，規(guī)格：長(zhǎng)×寬=3m×1.5m。

圖5 開缺口示意圖

3.2 控制懸頂面積

采空區(qū)暴露面積及空間范圍大，為瓦斯儲(chǔ)蓄提供了空間，而采煤工作面在兩端頭附近頂板不易冒落，特別是上隅角處，更為瓦斯積聚提供了良好的空間，采取強(qiáng)制放頂措施，能減少隅角懸頂面積，破壞瓦斯儲(chǔ)蓄空間。

3.3 風(fēng)簾導(dǎo)風(fēng)稀釋瓦斯

在工作面機(jī)尾與上隅角切頂排之間設(shè)置45°角的導(dǎo)風(fēng)簾，將工作面風(fēng)流通過導(dǎo)風(fēng)簾引導(dǎo)至上隅角，稀釋上隅角積聚瓦斯，從而起到降低上隅角瓦斯?jié)舛鹊淖饔谩?/p>

3.4 推進(jìn)度掌控

工作面兩巷推進(jìn)度也對(duì)通風(fēng)質(zhì)量帶來影響，進(jìn)而影響稀釋瓦斯效果。正常狀態(tài)下，兩巷的推進(jìn)度應(yīng)保持一致，使回采工作面與兩順槽相垂直，在瓦斯涌出異常時(shí)，為了使通風(fēng)更順暢，通風(fēng)質(zhì)量更好，掌控進(jìn)風(fēng)順槽的推進(jìn)度，適當(dāng)超前回風(fēng)順槽5～10m，即優(yōu)化了通風(fēng)路線，又減少了采空區(qū)瓦斯的運(yùn)移量。

3.5 上隅角瓦斯抽放

上隅角瓦斯抽采的主要原理是在工作面上隅角形成一個(gè)負(fù)壓區(qū)，讓周圍瓦斯向負(fù)壓區(qū)流動(dòng)，通過瓦斯抽放管路，排出瓦斯。將瓦斯抽放管路接設(shè)到工作面上隅角處砂袋壁內(nèi)，在上隅角切頂排處提前打設(shè)好砂袋壁，在瓦斯涌出量大時(shí)，利用井下臨時(shí)移動(dòng)瓦斯抽放泵將上隅角高濃度瓦斯抽放至采區(qū)回風(fēng)巷進(jìn)行稀釋，加裝管道甲烷傳感器和排放出口15m處安設(shè)甲烷傳感器，對(duì)抽放的瓦斯進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)安全排放，從而解決上隅角瓦斯超限問題。

9104工作面采用2臺(tái)ZWY210/250-G型大流量井下移動(dòng)瓦斯抽放泵，一使一備，對(duì)上隅角進(jìn)行抽放。在材料巷接設(shè)1趟直徑377mm抽放管路置于上隅角砂袋壁內(nèi)。抽放混量平均110m3/min，抽放濃度1.3～1.4%，平均抽放瓦斯量1.5m3/min。

9104工作面采取以上措施后，9104工作面上隅角瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.20%左右，取得了良好的應(yīng)用效果。

4 結(jié)語

瓦斯災(zāi)害一直困擾著煤礦的安全生產(chǎn)，尤其是上隅角極易發(fā)生瓦斯超限和積聚事故。通過對(duì)鐵新煤礦9104工作面瓦斯的來源和影響因素進(jìn)行分析，印證了煤層地質(zhì)構(gòu)造及采動(dòng)影響造成的礦山壓力對(duì)瓦斯涌出量的促進(jìn)關(guān)系，采取了以上隅角抽放為主的瓦斯治理綜合措施，保證了安全開采。