仰采工作面瓦斯運移規律與治理技術研究

文/劉殿平

煤礦瓦斯災害嚴重威脅著礦井安全生產。工作面因受地質條件、采區設計、開采技術的影響，部分工作面采用仰斜開采，采空區瓦斯向工作面運移，極易造成工作面上隅角瓦斯積聚，影響井下安全生產。

開灤能源化工股份公司呂家坨礦業分公司根據呂家坨煤礦地質條件，針對5492仰采工作面上隅角瓦斯積聚問題以及仰采工作面采空區瓦斯易涌入工作面的特點，通過分析仰斜開采工作面瓦斯運移規律以及上隅角瓦斯積聚原因，提出了采用瓦斯稀釋器、充氣風筒、高位鉆孔抽采等綜合瓦斯治理方案，取得了較好的瓦斯治理效果，確保了工作面安全高效生產。

一、 5492工作面概況

5492工作面位于呂家坨主背斜南翼，其中有一復向斜軸斜交穿過工作面。地面標高+27.23m，水平標高-684.6～-539.6m，走向長度745.15m，傾斜長度165.4m。屬于穩定中厚9煤層，厚度在工作面范圍內為1.5～2.7m之間變化，平均煤厚為2.0m。局部受巖漿巖侵入影響，煤層遭到破壞，煤層中含有天然焦和火成巖。上覆8煤層工作面沒有采動工程，下部主采的12煤層沒有采動工程。工作面傾角0度，軌道巷平均10度仰采，采用走向長壁后退式綜合機械化采煤法開采，全部垮落法處理采空區。

工作面上、下煤層都沒有采動影響，原始瓦斯含量未得到釋放，在掘進軌道巷與皮帶巷期間，單巷使用2×15kW對旋軸流局部通風機、直徑600mm軟質風筒送風，回風流瓦斯濃度0.3%左右，絕對瓦斯涌出量1.2m3/min左右。在回采期間回風流瓦斯濃度在0.2%～0.4%之間，當采空區周期來壓、頂板垮落時，回風流瓦斯超過0.65%，正常瓦斯絕對涌出量3.5m3/min左右。

二、5492工作面上隅角瓦斯積聚與涌出原因分析

1.風流對沖作用

一源一匯的“U”型采煤工作面，采空區內的瓦斯，在受到漏入采空區的風流對沖作用下，其瓦斯運移與瓦斯濃度的分布具有一定的規律性，具體流動規律為：風流從進風巷道漏進采空區后，在射流慣性的作用下，風流會將其附近的瓦斯一起帶到采空區深部，致使采空區深部瓦斯濃度升高。同時，在回風巷道負壓的帶動下，采空區內部的瓦斯會被回風風流帶入工作面。這是5492工作面上隅角瓦斯積聚與涌出的原因之一。

2.空氣浮力作用

采空區內瓦斯的密度比空氣的密度相對要小，如果采空區的上下角之間有高差時，在受到采空區內空氣浮力的作用下，瓦斯會向上隅角流動，致使上隅角成為高濃度瓦斯集中涌出地。這也是導致工作面上隅角瓦斯濃度較高的重要原因。

3.壓差因素

高速風流從進風巷進入回采工作面，清洗工作面后經回風巷流出，按“伯努利原理”可知：風流速度大的區域，壓力??；風流速度小的區域，壓力大。采空區風流流速小，壓力大，致使采空區的瓦斯隨風流一起向工作面運移。

通過分析這些綜合因素可知，漏風流攜帶大量瓦斯運移到上隅角區域，然而上隅角風流風速較小，局部區域存在風渦流現象，渦流運動致使采空區涌出的大量高濃度的瓦斯很難進入主風流中，從而引起瓦斯源源不斷向上隅角涌來，最終導致上隅角瓦斯積聚，直至超限。圖1清晰地表明，上隅角成為采空區瓦斯集中涌出源。

圖1 瓦斯隨風流流向上隅角示意圖

三、回采期間上隅角面臨的問題

5492采煤工作面采空區在上隅角漏風形成渦流，同時將采空區內部帶出的高濃度瓦斯由上隅角涌出，造成瓦斯濃度超過1%現象；瓦斯比空氣輕，仰角開采時，采空區高濃度瓦斯涌向上隅角，造成上隅角瓦斯濃度超過1%現象，甚至超過1.5%現象；上隅角內部采空區出現2～3m以上頂板不落板，造成內部瓦斯出現超過2%的積存空間。

四、上隅角瓦斯治理措施

在煤礦生產過程中，采煤工作面上隅角處于采空區漏風與工作面風流的交匯處，也是采空區內積存的高濃度瓦斯向外釋放的通道，極易形成瓦斯積聚，直接威脅安全生產。為此，提出5492工作面上隅角瓦斯綜合治理技術措施。

1.使用風障治理上隅角瓦斯

使用風障治理上隅角瓦斯是最常使用的方法，優點是操作簡單，缺點是使用絞車回撤上隅角棚子、液壓支柱時，為避免風障遮擋視線問題被迫將上隅角風障取消，存在產生摩擦火花引起瓦斯燃燒與爆炸風險。

2.消除瓦斯積存空間

在軌道巷距離工作面20m以外，提前放振動炮預裂頂板，促使上隅角附近頂板及時垮落，消除瓦斯積存空間。

3.使用瓦斯稀釋器吹散瓦斯

使用WX-80型單管瓦斯稀釋器或雙管瓦斯稀釋器吹散瓦斯，優點之一是使用絞車回撤上隅角棚子、液壓支柱時，不影響回撤人員視線，避免因被迫將上隅角風障取消，產生摩擦火花引起瓦斯燃燒與爆炸風險；優點之二是噪聲小，只有35分貝。

4.使用風水噴霧器吹散瓦斯

自行制作風水噴霧器，噴霧器后面兩個接頭分別接壓風與防塵水管路，噴嘴噴向上隅角采空區瓦斯積存空間，采空區瓦斯積存空間濕度增大，降低采空區矸石互相摩擦產生火花與矸石掉落產生撞擊火花風險。

5.高位鉆孔抽放治理上隅角瓦斯

在掘進期間瓦斯涌出量不大，礦井9煤層一直未進行過抽放瓦斯，沒有施工鉆場。采取小距離、高密度高位鉆孔抽放瓦斯，鉆孔打在裂隙帶，每10～15m施工兩個鉆孔，先鉆進50～60m，然后全孔注發泡水泥，填滿鉆孔、堵塞與軌道巷的裂隙，凝固24小時后再對鉆孔通孔、鉆進，減少抽放瓦斯時漏風量，提高抽放效果。缺點是發泡水泥注漿后容易脫落，堵塞鉆孔，造成抽放負壓高、效果差。應輔以多鉆孔抽放等相互補充措施。

6.充氣風筒充填采空區治理瓦斯

使用不漏氣的舊風筒，割成3～5m不等長度，一端使用線繩捆牢，使用長桿挑入采空區，另一端使用直徑10mm的壓風管插入風筒，使用線繩捆牢風筒，打開壓風，吹鼓風筒，將壓風開至漏風與補充壓風動態平衡狀態，使充氣風筒處于鼓脹狀態，填充采空區。優點是比使用充填材料裝袋子充填采空區速度快、省工、省事。

五、結論與建議

在工作面上隅角設置擋風簾，可以阻擋瓦斯流動集聚；使用風水噴霧器吹散瓦斯，增加上隅角、采空區空氣濕度，能夠降低矸石摩擦與撞擊火花風險；使用瓦斯稀釋器代替風障，避免回撤上隅角棚子、液壓支柱時取消風障而造成瓦斯積聚；使用發泡水泥堵塞鉆孔裂隙，能夠提高抽放瓦斯效果；使用充氣風筒充填上隅角瓦斯積存空間，速度快、省工、省時。

采取上述綜合瓦斯治理方法后，5492工作面回風流瓦斯濃度平穩控制在0.2%左右，上隅角瓦斯濃度控制在0.5%以下。工作面產量由原來的3000t/d提高了3800t/d，大大提高了工作面生產效率，創造了良好的經濟效益。

實踐表明，對于絕對瓦斯涌出量小的低瓦斯礦井，尤其是瓦斯抽放系統未完善、瓦斯治理經驗不足的礦井，通過在上隅角設置擋風簾以及應用瓦斯稀釋器、風水噴霧器、充氣風筒、高位鉆孔瓦斯抽采相結合的方法，可以對工作面上隅角瓦斯集聚起到良好的控制作用。