屯留煤礦N2202綜放面上隅角瓦斯治理技術研究

匡 帥 何 俊 郭魏魏

（河南理工大學安全科學與工程學院，河南省焦作市，454000）

放頂煤開采具有開采效率高、成本低等優點，但是由于本煤層瓦斯涌出量的增加，工作面上隅角等處經常出現瓦斯超限。余吾煤業屯留礦N2202綜放工作面在正常割煤過程中瓦斯涌出正常，當移架放頂落煤時，瓦斯瞬間涌出造成采場和上隅角瓦斯預警頻繁，嚴重影響安全生產。針對上述問題，提出在回風巷裂隙帶布置鉆孔高效抽采、回風巷頂板插管等措施解決上隅角瓦斯超限問題。

1 工作面概況

潞安集團余吾煤業屯留礦N2202 綜放工作面主采山西組3＃煤層，屬穩定煤層，無鄰近層開采。煤層平均傾角為4°，開采條件良好，為貧煤，煤質變化程度小，厚度為5.00～7.25 m，平均厚度為5.99m，3＃煤層直接頂為泥巖、粉砂質泥巖，局部為細砂巖；底板為黑色泥巖、粉砂巖，含泥巖或炭質泥巖夾矸0～3 層。3＃煤層原煤瓦斯含量平均8.51m3／t。N2202工作面走向長度1200m，傾向長度285m，采用走向長壁一次采全高的綜采放頂煤采煤方法，全部垮落法管理頂板，工作面布置見圖1。3＃煤層透氣性系數值域為0.524～1.7415 m2／MPa2·d，介于較難抽放到可以抽放類型之間，瓦斯抽采效率低，隨著開采強度增大，工作面上隅角瓦斯經常超限，嚴重威脅著煤礦生產安全。

圖1 N2202工作面布置圖

2 上隅角瓦斯超限原因分析

N2202工作面采用兩進兩回的雙U 型通風方式。雙U 型通風系統是一種以分源治理綜放開采采空區高瓦斯涌出的新型通風系統，其本質在于比常規的U 型通風系統增加了一個U 型通風系統，第一個U 型和第二個U 型巷道之間用橫貫聯系，主要適用于產量大、瓦斯涌出量大、需風量大、傾角較小的高產高效回采工作面。N2202工作面上隅角瓦斯超限的原因初步分析與橫貫位置、采空區漏風和開采強度有關。

2.1 橫貫位置的影響

N2202工作面高濃度瓦斯風流進入瓦斯排放巷的途徑是通過回風巷和瓦斯排放巷之間的貫通聯絡巷，為了防止或降低采空區瓦斯大量涌入回風巷，在橫貫中均設置了密閉，只打開距離采空區與工作面最近的一個橫貫密閉，使工作面、上隅角的瓦斯被沖入瓦斯排放巷中。工作面距橫貫不同距離時，風流在進入瓦斯排放巷的過程中遇到的阻力與距離成正比。考察工作面與25＃橫貫距離對上隅角瓦斯濃度的影響如圖2所示。

圖2 工作面距橫貫不同距離時上隅角瓦斯濃度

由圖2 可知，橫貫位置與工作面平行貫通時（即工作面推進到某一橫貫處，風流直接進入橫貫沒有轉彎），此時上隅角風流無突然變向，能量損失小，不會形成渦流，上隅角瓦斯濃度處在較低水平；橫貫打開位置距工作面最遠時，風流經尾巷至瓦斯排放巷期間多次變向，能量損失大，上隅角瓦斯濃度處在較高水平。

2.2 采空區瓦斯涌出

根據N2202工作面生產工藝，為了更好地沿空留巷，該工作面在支架第180架至端尾架并延伸至回風巷幫內0.5 m 范圍內鋪金屬網。采煤時，此部分煤柱放頂煤，但是落煤不能被后刮板輸送機運輸 （后刮板輸送機不能到達此位置），這部分煤體會對工作面靠近后刮板輸送機處及采空區風流形成阻隔。現場實測數據顯示，在第170架時后刮板輸送機部分瓦斯濃度由0.87%升至1.29%，與工作面前面架次相比，此處有一個急劇跳躍的過程，說明在第170架處有瓦斯集中涌出現象，如圖3所示。因此可以認為采空區漏風地點在第170架后刮板輸送機位置，當班測試采空區漏風量為382m3／min，以攜帶的瓦斯濃度平均為0.85%初步計算，采空區漏風帶入上隅角的瓦斯涌出量為2.55m3／min。因此防止采空區瓦斯經漏風帶入上隅角對降低上隅角瓦斯濃度有重要作用。

圖3 工作面不同支架處風量與瓦斯濃度

2.3 開采強度

采場風排絕對瓦斯涌出量是構成上隅角瓦斯來源的主要渠道，而采場風排絕對瓦斯涌出量與日產量的關系密切。隨著開采強度的加大，風排絕對瓦斯涌出量也隨之增大，涌入上隅角的瓦斯量相應增加。統計N2202工作面日產量與風排絕對瓦斯涌出量的關系，如圖4 所示。實測N2202 工作面總進風量穩定在4250 m3／min，根據目前割煤速度和產量，風量已足以保證生產所需。在不增加進風量的情況下，治理上隅角瓦斯超限是實現工作面安全生產、高產高效的關鍵。

圖4 N2202工作面風排絕對瓦斯涌出量與日產量線性回歸

3 上隅角瓦斯治理技術

解決上隅角瓦斯積聚問題，瓦斯抽采是根本。順層孔抽采時間長，從布孔聯網到鉆孔被破壞，抽采時間一年以上，對減少原始煤體中的瓦斯作用顯著。N2202工作面帶式輸送機巷以及回風巷內圈順層孔抽采應作為本煤層抽采的基礎，2012 年前9個月回風巷順層孔抽采純量平均為3.802m3／min，帶式輸送機巷順層孔抽采純量為4.08m3／min，合計為7.882m3／min，但是由于煤層厚度較大，布置順層鉆孔不留空白帶的難度很大，而且由于放頂煤工藝的特殊性，割煤、放煤時瓦斯異常涌出的可能性較大，因此應在順層孔的基礎上布置其他更加有利于瓦斯抽采鉆孔補充空白區。

圖5 N2202回風巷道鉆場裂隙帶抽采鉆孔布置圖

3.1 回風巷裂隙孔高效抽采

對高瓦斯礦井，利用頂板裂隙帶治理瓦斯已經成為主要治理方式之一。實質就是利用鉆場布置終孔位置在裂隙帶內的鉆孔抽放采空區冒落帶及裂隙帶的瓦斯，解決上隅角瓦斯大面積積聚和回風流瓦斯超限問題。裂隙帶鉆孔抽采時間較短，主要在回采時采動應力集中帶發揮作用，對工作面回采期減少瓦斯涌出作用顯著，還可以在采空區繼續抽采。根據“三帶”高度經驗公式及屯留煤礦其他工作面實際，分析確定N2202工作面冒落帶高度為18～25m，最大裂隙帶高度為88m。

在N2202工作面回風巷巷幫每40m 開掘一個鉆場 （3＃～22＃），鉆場為內寬4m、外寬6m、深5.5m、高3.6m 的單邊梯形鉆場，每個鉆場側面向工作面方向布置兩排共12個鉆孔，呈三花眼布置，均為裂隙帶鉆孔，控制范圍為距煤層頂板之上25～30 m。鉆孔開口位置距底板分別為1.8 m、2.2 m，裂隙孔間距0.5 m，裂隙孔終孔點間距20m。N2202回風巷道鉆場裂隙帶抽采鉆孔布置如圖5所示。

跟蹤觀測鉆場抽采數據，收集了自7月5日第 一個鉆場至9月30日第八個鉆場鉆孔切入為止（第八個鉆場內的鉆孔開始起作用，即開始大量抽采裂隙帶瓦斯）的數據，比較了1＃～3＃鉆場全煤順層鉆孔和裂隙孔抽采的效果，數據匯總見表1。由表1可以看出，有裂隙孔的5＃～8＃鉆場抽采的純量最大達到5.56m3／min，單孔平均為0.46m3／min，經計算順層孔的單孔平均純抽采量為0.02m3／min，就單孔而論，回風巷裂隙帶抽采鉆孔是順層孔的23倍之多，抽采濃度穩定在30%左右。

表1 N2202回風巷鉆場抽采數據匯總一覽表

圖6 回風巷頂板插管圖

3.2 回風巷頂板插管抽采上隅角瓦斯

為了解決上隅角因為微風區形成的渦流而造成的瓦斯積聚，在N2202 回風巷布置頂板鉆孔，抽采煤層與直接頂冒落的離層區域內上隅角積聚的瓦斯。頂板插管鉆孔抽采因頂板垮落積聚在離層區的高濃度瓦斯，達到減少渦流產生的可能性，對上隅角瓦斯的及時處理起到很好作用，頂板插管側視圖及俯視圖如圖6所示。頂板鉆孔不同布置時抽采效果也有很大不同，試驗對比抽采效果見圖7。在回風巷施 工4 排方 位 角 分 別 為225°、225°、210°、180°、傾角50°～60°、孔深12m，垂直于回風巷幫偏向工作面方向的鉆孔，此時抽采效果最好。由于頂板插管鉆孔很好地深入到由于采空而形成的離層區中，確保采空區、上隅角瓦斯能得到及時抽采，回風巷頂板插管鉆孔雖然抽采純量比較小，但是對于及時避免上隅角瓦斯形成渦流效果顯著，是上隅角瓦斯治理的一種新方法。

4 效果分析

收集2012年8月初至11月15日N2202工作面日產量及上隅角瓦斯濃度數據，如圖8所示。由圖8可以看出，在采取相應措施之后 （9 月11 日之后）上隅角瓦斯濃度隨著相應措施的生效明顯降低，統計600次數據中，預警次數由297次直接下降到50次。后期上隅角瓦斯濃度基本控制在預警值以下，在上隅角及采場瓦斯濃度平穩減小的情況下，產量在10月至11月份增加明顯，實現了安全高效生產的目標。

圖7 頂板插管不同布置抽采量對比圖

圖8 N2202工作面日產量及上隅角瓦斯濃度變化趨勢

5 結論

在分析了N2202 工作面上隅角瓦斯超限原因的基礎上，提出以回風巷裂隙帶高效抽采為主，輔以上隅角頂板插孔的抽采方案解決上隅角瓦斯超限問題。回風巷裂隙帶鉆孔和本煤層鉆孔抽采可大幅降低煤層瓦斯含量，從源頭上減少涌入上隅角的瓦斯是上隅角瓦斯濃度降低的基礎；上隅角頂板插管鉆孔抽采上隅角高濃度瓦斯則是有針對性的進一步降低上隅角處瓦斯濃度。方案實施后效果明顯，上隅角瓦斯濃度平穩減小，產量增加明顯，實現了工作面的安全高產高效。

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