低瓦斯礦井大采高綜采工作面上隅角瓦斯治理研究

周昆鵬

(山西陽(yáng)城陽(yáng)泰集團(tuán)西溝煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048105)

1 礦井瓦斯的概述

礦井瓦斯是指在礦井下以甲烷為主的有毒、有害氣體的總稱(chēng)，有時(shí)也單指甲烷氣體。瓦斯本身沒(méi)有毒性，但是由于比空氣輕，而且不能供給人類(lèi)呼吸，當(dāng)?shù)V井內(nèi)空氣中瓦斯?jié)舛瘸^(guò)一定的限度時(shí)，就能致使人因窒息而死亡。而且，瓦斯有較強(qiáng)的滲透性，容易從礦井的臨近層穿過(guò)巖層在采空區(qū)放出。

礦井中的瓦斯可以根據(jù)瓦斯涌出量來(lái)進(jìn)行劃分。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，在一個(gè)礦井中，只要有一個(gè)煤層或是巖層發(fā)現(xiàn)瓦斯，該礦井就是瓦斯礦井。因此，就要嚴(yán)格的按照礦井瓦斯等級(jí)制度進(jìn)行管理。根據(jù)瓦斯的涌出量，可以分為瓦斯礦井(低瓦斯礦井)和高瓦斯礦井。

1) 瓦斯礦井(低瓦斯礦井)是指礦井相對(duì)瓦斯涌出量小于或等于10 m3/t且礦井絕對(duì)瓦斯涌出量小于或等于40 m3/min的礦井。

2) 高瓦斯礦井是指礦井相對(duì)瓦斯涌出量大于10 m3/t或礦井絕對(duì)瓦斯涌出量大于40 m3/min的礦井。

2 上隅角瓦斯簡(jiǎn)介

2.1 上隅角瓦斯的來(lái)源

在開(kāi)采工作面上隅角靠近開(kāi)采位置和采空區(qū)，在氣流經(jīng)過(guò)開(kāi)采工作面上端頭部的時(shí)候由于巷道發(fā)生大角度的垂直轉(zhuǎn)彎，使風(fēng)速迅速降低，導(dǎo)致工作面風(fēng)流不能吹到上隅角，或是造成局部地區(qū)產(chǎn)生氣體渦流，這種渦流使氣體在局部流動(dòng)而無(wú)法帶走采空區(qū)和作業(yè)區(qū)的瓦斯氣體，從而在上隅角產(chǎn)生瓦斯的積聚，形成了上隅角瓦斯。此外，在回采工作面附近的上隅角懸頂不能及時(shí)垮落也容易造成采空區(qū)瓦斯集聚到上隅角，也會(huì)形成上隅角瓦斯[1]。由于瓦斯的比重比較低，頂板處的瓦斯?jié)舛葧?huì)較高，如果沒(méi)有相應(yīng)的措施加以預(yù)防和處理，很容易出現(xiàn)意外的瓦斯事故。

2.2 上隅角風(fēng)流狀態(tài)分析

通過(guò)對(duì)一些煤礦礦井的實(shí)際分析，我們發(fā)現(xiàn)，在礦井回采面上隅角臨近煤壁與采空區(qū)的一側(cè)，會(huì)造成通風(fēng)風(fēng)速降低甚至局部渦流。使采空區(qū)內(nèi)涌出和匯集再次的瓦斯氣體難以進(jìn)入回采面的主通風(fēng)風(fēng)道之中，其造成的后果就是瓦斯氣體在上隅角附近形成循環(huán)流動(dòng)，瓦斯?jié)舛入S著時(shí)間不斷聚集和增加，最終形成危險(xiǎn)。采面隅角風(fēng)流狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 采面隅角風(fēng)流狀態(tài)

3 預(yù)防和減少上隅角瓦斯的方法

要預(yù)防和消除上隅角瓦斯，要多方面的采取措施和方法。常用的措施有從主動(dòng)處理和被動(dòng)處理兩個(gè)方面。

3.1 主動(dòng)處理方法

主動(dòng)處理上隅角瓦斯的方法是對(duì)上隅角瓦斯進(jìn)行預(yù)防性的處理，主要方法有如下兩種。

3.1.1 超前退錨加頂板預(yù)爆裂法

這種方法的原理是通過(guò)爆破和超前退錨的方法來(lái)確保上隅角的頂板能夠隨著開(kāi)采工作面的推進(jìn)及時(shí)的垮落，從而達(dá)到預(yù)防和消除上隅角瓦斯產(chǎn)生的目的[2-3]。

這種預(yù)防方法，一般要通過(guò)采用預(yù)先切縫進(jìn)行爆破，在局部范圍內(nèi)切斷頂板應(yīng)力的傳遞，從而很好的保護(hù)巷道頂板的完整。

3.1.2 超前移架法

超前移架的方法，其原理是將上隅角前移的同時(shí)，還要確保工作面的風(fēng)流能夠進(jìn)入上隅角，并且加大上隅角的風(fēng)量，吹出上隅角的瓦斯，從而消除在上隅角產(chǎn)生瓦斯的聚集。

3.2 上隅角瓦斯的被動(dòng)處理方法

針對(duì)上隅角瓦斯的被動(dòng)治理方法可以有很多種方法，比如設(shè)置上隅角臨時(shí)擋風(fēng)簾，設(shè)置采空區(qū)縱向風(fēng)障，高位抽放瓦斯，上隅角埋管抽放，開(kāi)采工作面安裝局部通風(fēng)機(jī)，安裝專(zhuān)業(yè)抽排風(fēng)機(jī)，增大回采工作面的風(fēng)量，改變通風(fēng)量等。下面對(duì)其中常用的幾種做以下詳細(xì)的介紹[4]。

3.2.1 上隅角設(shè)置擋風(fēng)簾

由于通風(fēng)氣流通過(guò)上隅角附近會(huì)出現(xiàn)渦流，而且上隅角的風(fēng)速較低，導(dǎo)致上隅角瓦斯難以進(jìn)入到主要通風(fēng)氣流當(dāng)中。因此，可以在工作面上端設(shè)置臨時(shí)擋風(fēng)簾來(lái)改變氣流方向，迫使一部分氣流經(jīng)過(guò)上隅角區(qū)域，帶走上隅角的瓦斯，減少上隅角瓦斯的聚集。而且，設(shè)置擋風(fēng)簾還可以改變上隅角的渦流狀態(tài)，使瓦斯更容易得到稀釋?zhuān)乐雇咚钩霈F(xiàn)超限的情況。

在具體工作中，上隅角瓦斯擋風(fēng)簾可以使用軟質(zhì)風(fēng)筒布。但是這種方法只是臨時(shí)措施，也只適用于上隅角瓦斯涌出量不大的情況。如果工作面瓦斯涌出量較大的時(shí)候，這種辦法無(wú)法使瓦斯?jié)舛冉档偷桨踩秶鷥?nèi)，就要采取處理效果更好的鉆孔抽排法和上隅角埋管抽排法等更加安全妥善的辦法。

3.2.2 在回采工作面設(shè)置縱向風(fēng)障

上隅角高濃度瓦斯控制還可以通過(guò)風(fēng)障控制氣流不向著采空區(qū)漏風(fēng)，而使風(fēng)流向著回采工作面通過(guò)，從而有效的組織采空區(qū)的瓦斯向上隅角聚集。具體的設(shè)置方法在實(shí)際操作中也比較簡(jiǎn)單易行，就是沿著回采工作面徑向使用風(fēng)筒布風(fēng)障。風(fēng)障的頂部用鐵絲與頂梁固定，下部與地板相接，并用煤矸石等物壓實(shí)，保證隔離效果[5-6]。

但是，由于風(fēng)障距離采空區(qū)很近，容易被頂板掉落的矸石損壞。并且由于工作面需要不斷的推進(jìn)，風(fēng)障也要不斷的跟進(jìn)，這就會(huì)增加額外的工作量。

3.2.3 高位鉆孔抽采瓦斯以及上隅角埋管抽放瓦斯

這兩種方法的本質(zhì)都是通過(guò)直接排出瓦斯來(lái)進(jìn)行上隅角瓦斯治理，是既治標(biāo)又治本的治理方法。這種方法通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，向工作面上方的裂隙帶鉆孔，通過(guò)優(yōu)化鉆孔的位置，實(shí)高位抽采瓦斯。如果高位鉆孔抽采也效果不大，還可以在回風(fēng)巷道設(shè)置瓦斯抽放管，使采煤工作面的上隅角形成一個(gè)負(fù)壓區(qū)域，形成上隅角瓦斯向上隅角流動(dòng)的情形，從而消除瓦斯的不良影響[7]。

3.2.4 其他通過(guò)增加或是改變通風(fēng)量的方法

在開(kāi)采工作面安裝局部通風(fēng)機(jī)，安裝專(zhuān)業(yè)抽排風(fēng)機(jī)，增大回采工作面的風(fēng)量，改變通風(fēng)量等方法都可以歸為這一類(lèi)方法。其本質(zhì)是通過(guò)增加或者改變通風(fēng)設(shè)施，使回采工作面的通風(fēng)量加大，消除上隅角的瓦斯聚集現(xiàn)象[6]。

4 某礦回采瓦斯治理效果分析

山西煤炭運(yùn)銷(xiāo)集團(tuán)陽(yáng)城四侯煤業(yè)有限公司陽(yáng)城縣西北約10 km處固隆鄉(xiāng)府底村一帶，行政區(qū)劃隸屬陽(yáng)城縣固隆鄉(xiāng)管轄。礦井經(jīng)歷過(guò)兩次資源整合，整合后隸屬山西煤炭運(yùn)銷(xiāo)集團(tuán)。該礦井田面積為11.830 1 km2，保有資源儲(chǔ)量62 350 kt批準(zhǔn)開(kāi)采3#、15#煤層，生產(chǎn)能力90萬(wàn)t。礦井在現(xiàn)開(kāi)采一采區(qū)內(nèi)布置3105綜采工作面、3108進(jìn)風(fēng)順槽掘進(jìn)面和3108回風(fēng)順槽掘進(jìn)面。其中3105綜采工作面為主采工作面。

4.1 開(kāi)采初期的瓦斯治理

隨著開(kāi)采工作面的不斷推進(jìn)，在開(kāi)采面以及上隅角瓦斯檢測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)顯示，其瓦斯?jié)舛瘸手鸩缴仙厔?shì)，與回采前的預(yù)期情況基本一致。為了開(kāi)采的順利進(jìn)行和安全生產(chǎn)，在綜合考慮之后，采取了增加工作面風(fēng)量與上隅角風(fēng)障結(jié)合的方式來(lái)降低開(kāi)采工作面和上隅角瓦斯聚集的情況。

在這里，采取的措施是增加了上隅角風(fēng)障和工作面的風(fēng)量50%。在這種治理措施的作用下，達(dá)到了良好的效果。瓦斯監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)表明，降低了工作面瓦斯?jié)舛?0%以及上隅角瓦斯?jié)舛?0%的效果?？梢?jiàn)經(jīng)過(guò)這些措施，在減小瓦斯?jié)舛鹊姆矫媸亲坑谐尚У?，為安全生產(chǎn)帶來(lái)了有效的保障。

4.2 回采中后期

隨著開(kāi)采工作的不斷進(jìn)行，采挖工作面也不斷的推進(jìn)。該礦在推進(jìn)回采面到接近400 m的時(shí)候，上隅角檢測(cè)設(shè)備的顯示的瓦斯?jié)舛冉?jīng)常達(dá)到極限值。再向前推進(jìn)50 m后，瓦斯監(jiān)測(cè)超限報(bào)警。在這種情況下，初期采取的上隅角風(fēng)障和增加工作面風(fēng)量的辦法已經(jīng)難以對(duì)瓦斯的濃度起到有效的消解作用。經(jīng)過(guò)分析，其原因主要有兩個(gè)方面：其一是采空區(qū)面積不斷增加，遺留在采空區(qū)的煤炭瓦斯在緩慢的釋放。其二是工作面臨近層圍巖瓦斯的大量涌出。因此要對(duì)初期的治理措施加以改進(jìn)，在井下又設(shè)置了移動(dòng)瓦斯抽放系統(tǒng)，專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)采空區(qū)與上隅角的瓦斯抽排。

在增加移動(dòng)瓦斯抽放系統(tǒng)后，專(zhuān)門(mén)對(duì)瓦斯?jié)舛雀叩纳嫌缃沁M(jìn)行抽放。根據(jù)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)表明，在工作面風(fēng)量不變或是小幅度減少的情況下，上隅角瓦斯的濃度減少了50%左右，工作面的瓦斯則可以基本保持不變。證明這樣的處理措施對(duì)上隅角瓦斯的處理是得當(dāng)而且有效的。而且，在之后的回采工作中，檢測(cè)設(shè)備顯示的瓦斯?jié)舛纫恢倍荚谝?guī)定的安全范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

上隅角瓦斯的治理，關(guān)系到礦井正常的安全生產(chǎn)。本文對(duì)上隅角瓦斯來(lái)源進(jìn)行了分析后，對(duì)常見(jiàn)的瓦斯治理辦法進(jìn)行了介紹，并根據(jù)一個(gè)實(shí)際的開(kāi)采情況進(jìn)行了跟蹤分析。結(jié)果表明，常見(jiàn)的風(fēng)障與增加風(fēng)量能夠起到有效降低上隅角瓦斯?jié)舛鹊哪康?，但是效果有限。如果瓦斯量過(guò)大，這樣的辦法效果是有限的，還要采取瓦斯抽放這樣的更加有效的措施來(lái)降低瓦斯?jié)舛?。最后，希望研究能為瓦斯礦井的上隅角瓦斯治理提供一點(diǎn)參考，為安全生產(chǎn)提供一些幫助。