淺析綜采工作面的瓦斯治理方法

李勇

（云南省能源安全監測中心 云南昆明 650200）

1 概述

瓦斯管理是煤礦礦井安全的重要環節，也是薄弱環節。防治瓦斯超限是煤礦管理的重點工作，工作面瓦斯的超標是影響煤礦生產主要影響因素之一［1-5］。隨著礦井開采機械化程度的不斷提高，煤礦掘進速度大幅度加大。因此，在單位時間內從工作面涌出的瓦斯量急劇增大，瓦斯濃度超標現象頻繁發生。特別是當采掘工作面采空區側懸頂距離過大時，上隅角涌出的高濃度瓦斯氣體無法快速擴散至風流，造成局部瓦斯濃度超標。在實際生產過程中，瓦斯濃度超標不但對開采人員的身體健康造成威脅，并容易引發重大安全事故，嚴重時給煤礦開采企業帶來巨大經濟損失［3-5］。

國內某煤礦屬高瓦斯礦井，采用單一走向的長壁后退式綜合機械化采煤方法，如圖1 所示。通過采用全部垮落法管理頂板，在綜采工作面布置1 臺雙滾筒采煤機，選用ZY3800/11/25 型掩護式液壓支架進行護頂，機巷和回風巷分布采用錨噴支護。實際生產中，綜采工作面超前支護的自煤壁不小于20 m，并采用“一梁三柱”方法進行支護。在機巷和回風巷處，采用DW25-250/100X 型單體液壓支柱，并配合π 型鋼梁進行支護。在綜采工作面上、下端頭附近，采用“四對八梁”支護，規格為DW25-250/100X 型單體柱，配備π 型鋼梁進行聯合支護。礦井內采用U 型通風的方式，風量滿足正常生產需求。實際生產過程中，綜采工作面上、下端頭靠采空區側部位，頂板懸頂距離普遍超過6 m。此外，為了降低工作面附近瓦斯濃度超標現象，在回風巷設置了2 趟瓦斯抽放管，抽放管直徑為280 mm。

圖1 綜采工作面平面圖

2 瓦斯分布特征

煤礦采用U 型通風方式，一部分風流沿著工作面流動，將新鮮空氣送入工作面；另一部分沿采空區流動，將工作面中空氣送入采空區，再流向外界。為了研究綜采工作面內瓦斯濃度的分布情況，由下向上間每隔一定的距離，對瓦斯濃度檢測，如圖2 所示。檢測點位置分別為P1、P2、P3、P4 處，通過實驗檢測，檢測點瓦斯濃度分別為1.20%、0.62%、0.58%、0.28%。此外，在綜采工作面附近，瓦斯呈現如下分布特征：

（1）工作面上隅角瓦斯積聚。相對于空氣而言，瓦斯密度相對較低。當工作面具有一定高度時，易產生“瓦斯風壓”，驅動采空區內高濃度瓦斯向上隅角方向運動，使此采空區成為瓦斯聚集地。此外，當懸頂區頂板不能及時快速垮落充填時，給瓦斯積聚創造了時間和空間，從而造成上部瓦斯濃度大于下部瓦斯濃度。

（2）高濃度瓦斯積聚范圍大。在綜采工作面上下出口處，主流風向發生改變，風流受U 型幾何邊界限制，在上隅角附近風流速度普遍相對較低，并呈現渦流分布，如圖2 所示。由于風流渦流運動，使上隅角積聚的瓦斯難以進入回風巷的主風流中，這樣造成瓦斯擴散速度緩慢。隨著時間的推移，瓦斯氣體不斷在此區域內進行循環運動，高濃度瓦斯大范圍內積聚，最終造成瓦斯超限。

圖2 瓦斯積聚圖

（3）風流驅散瓦斯作用小。在綜采工作面上下端頭兩巷切頂線以內，靠采空區側部附近，由于懸頂距離已超過6 m，風口距此該部位距離較大，主流風的脈動作用很小，無法充分促進瓦斯氣體擴散風流中。此外，在上隅角處出現速度差，綜采工作面風流對該部位的瓦斯驅散作用很小，容易造瓦斯積聚。

3 瓦斯治理措施

目前，綜采工作面上隅角瓦斯積聚的治理方法主要有：壓風引射器引排法、“脈動通風”吹散法、鉆孔及埋管抽放法、尾巷排放法、小型液壓風機吹散法等。結合國內某礦井綜采工作面上下端頭兩巷切頂線內，靠采空區側部位的瓦斯分布情況，通過多次生產實踐探索和應用，目前主要采用以下幾種方法解決局部瓦斯濃度超限難題，實現礦井安全穩定生產。

（1）選擇合理快速的移架方式。合理的移架方式不僅需考慮移架的速度，還需考慮頂板管理的影響。在選擇移架方式時，要結合煤礦頂板巖層穩定性進行分析。合理的移架方式能夠有效支撐頂板，使機道和采空區頂板懸頂時間最短，防止頂板事故的發生。在采空區內，頂板隨工作面推進并及時垮落，直接影響綜采工作面瓦斯涌出及瓦斯治理。

（2）卸下懸頂區域錨噴支護的錨桿螺帽及托盤。在靠采空區側部位，錨噴支護強度較大是造成懸頂距離過大的主要原因。在實際生產中，該部位頂板不能隨工作面的推移而及時垮落。在推移上下端頭“四對八梁”支護時，及時卸下靠近采空區側錨噴支護的錨桿螺帽及托盤，以減小錨托盤懸頂的托力，大幅度促進頂板快速垮落，并充填采空區，減少瓦斯積聚的空間范圍。

（3）懸頂區密閉處理。根據某礦井綜合面開采作業情況，主要采用兩種方法對懸頂區域密閉處理：①靠近采空區側懸頂距離過大時，采用礦用KSQN-30 快速氣囊密閉懸頂區域。該方法是利用井下壓風或氣瓶讓氣囊膨脹，使氣囊緊密貼合懸頂區域巷道空間，對該部位瓦斯氣體排擠，迫使積聚瓦斯逸散到工作面風流中。②在端頭支架后切頂線懸頂區域，可采用沙袋或磚墻進行臨時密閉。該方法能夠有效地隔離懸頂區域積聚的瓦斯，并配合瓦斯抽放管進行綜合治理。然而，在實際操作過程中，該方法工程量較大，當密封不嚴實時，瓦斯氣體容易溢出，造成上隅角瓦斯超標，實際應用效果較差。

（4）風障法。當綜采工作面上隅角瓦斯濃度超過1%時，將直徑800 mm 的風筒拆開作為風障，引導風流至上隅角處吹散積聚瓦斯。實際操作過程中，該方法能夠經濟、快捷、有效的處理上隅角瓦斯積聚，但往往存在引風量小、占據工作面空間大、工作面通風阻力大、人員視線差、安全度較低、穩定性較差等缺點，對安全生產仍存在一定的隱患。

（5）后退式預埋豎管抽放。采用后退式預埋豎管法，抽放上隅角及懸頂區域內的瓦斯。在每間隔一定距離，將直徑280 mm的瓦斯抽放管上安裝不同孔洞的支管，對采空區頂板區域瓦斯進行抽放。在煤炭開采生產過程中，抽放管路布置隨著工作面后退及時安裝，并根據實際情況及時抽放綜采工作面附近瓦斯氣體。

（6）引排（抽排）法。在綜采工作面上隅角處，設置一趟鐵風筒或骨架風筒，并將風筒直接布置到回風巷口外的安全地點。利用風筒兩端的壓差，對上隅角及其懸頂區域瓦斯進行排放，以降低瓦斯濃度。在實際操作中，此方法存在一定缺陷，如風筒布置距離長、設備管理困難，可靠性較差。

4 結語

根據國內某高瓦斯礦井的實際生產情況，采用實驗方法測定綜采工作面附近瓦斯濃度，獲得綜采工作面附近瓦斯分布特征，分析了上隅角瓦斯積聚的原因，探索實踐了不同瓦斯治理方法，并采取合理的瓦斯抽放措施，有效地治理了懸頂區瓦斯積聚難題，確保煤礦安全穩定生產。