回采面上隅角瓦斯超限防治方法探討

崔 聰

(1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京市朝陽區，100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京市朝陽區，100013)

目前，隨著科學技術快速發展，煤礦開采設備不斷更新，由于綜合機械化越來越先進，煤礦開采強度大、生產集中、推進速度快，導致回采工作面瓦斯涌出強度大，且涌出不均衡[1-2]，同時綜采工作面存在采高較大、走向長度較長、推進速度較快以及形成面積較大的采空區等特點，從而聚集大量瓦斯，在風流作用下，尤其在頂板周期來壓時，采空區瓦斯大量涌出，造成工作面及其回風流尤其是上隅角瓦斯超限，導致回采工作面被迫停產，甚至發生重大事故[3-9]，給煤礦造成巨大的經濟損失。因此，通過對回采工作面上隅角瓦斯超限防治方法的研究，可以有的放矢地采取有效措施，從而消除制約回采工作面高產高效的這一重要因素。

1 上隅角瓦斯超限原因

回采工作面不斷推進形成采空區，鄰近煤層受采動影響后，產生大量裂隙并不斷垮落，導致卸壓瓦斯不同程度地沿著裂隙涌入采空區，采空區內部瓦斯在風流及壓差作用下不斷涌入回采工作面；開采煤層瓦斯一部分從煤壁涌入工作面，另一部分瓦斯隨煤體被采落和破碎后解吸而涌入工作面，此外，隨著工作面推進，本煤層煤體將有遺煤留在采空區，這部分煤體攜帶瓦斯也將隨著風流涌入工作面；非首采工作面傾向兩側緊鄰工作面老空區，由于風流壓差作用，鄰近工作面老空區瓦斯存在透過煤壁涌入回風巷與工作面的可能性。綜上，回采工作面瓦斯涌出量主要由開采層瓦斯涌出量、鄰近層瓦斯涌出量、采空區瓦斯涌出量及老空區瓦斯涌出量4部分組成。由于采空區瓦斯是由鄰近層瓦斯涌出及本煤層遺煤瓦斯涌出組成，因此，實質上工作面瓦斯主要來源于本煤層、鄰近層及老空區瓦斯，具體表達式如下：

Q采=Q本+Q鄰+Q老空

(1)

式中：Q采—回采面絕對瓦斯涌出量，m3/min；

Q本—開采層絕對瓦斯涌出量，m3/min；

Q鄰—鄰近層絕對瓦斯涌出量，m3/min；

Q老空—開采層老空區絕對瓦斯涌出量，m3/min。

上隅角瓦斯超限的原因有3點：瓦斯密度、U型通風風流及風壓分布。首先，沿工作面推進方向，從工作面向采空區深部剖面看，采空區瓦斯呈現為一個拋物線狀，在新鮮風流進入回采工作面時，其中一部分新鮮風必然會進入采空區區域，并將采空區遺煤釋放的瓦斯帶出，經過了與工作面回風側相連的唯一通道——上隅角，導致上隅角瓦斯積聚。其次，風流剛流入工作面時，以很大的速度垂直于工作面流動，風流經90°轉向流向工作面，垂直于工作面的速度迅速減小，動壓急劇減小轉變成靜壓，在采空區上隅角附近流體流速很慢，這個區域會形成一個相對較低的低氣壓中心，在采空區上隅角附近會出現一個渦流中心，導致上隅角積聚瓦斯無法擴散；此外，由于瓦斯的密度較小，本身會向工作面上隅角位置運移。綜上，導致工作面上隅角成為工作面瓦斯匯集的最集中區域，因此，上隅角區域容易發生瓦斯超限現象，易引發嚴重事故。

2 防治上隅角瓦斯超限方法

上隅角瓦斯防治方法多種多樣，煤礦需要結合現場實際情況，有針對性地采取相應措施，由于上隅角瓦斯濃度超限成因復雜，目前大部分煤礦均使用多種防治方法相結合的措施，經過總結分析，通常采用的防治措施包括兩方面，一方面是“防”，防止瓦斯過量聚集；另一方面是“治”，主要通過抽采方法治理上隅角超限。因為“防”與“治”的措施分別總結歸納了7種，在此將上隅角瓦斯超限防治措施簡稱為“七防七治”。

2.1 防止上隅角瓦斯積聚

(1)臨時擋風簾。回采工作面上隅角超限時，在回采工作面上隅角前方回風處吊掛一張擋風簾，引入一部分通風風流到上隅角集聚區域，通過增加流經上隅角處的新鮮風流稀釋上隅角瓦斯，達到降低上隅角瓦斯濃度的目的。由于擋風簾的存在，使回采工作面割煤、行人、運料等工作受到影響，同時，這種方法也使工作面風阻增大，導致工作面風量降低。

(2)采空區風幛。回采工作面上隅角瓦斯一部分由采空區涌出，根據采空區風流分布路線可知，把風幛設置在順著回采工作面進風口處，進行嚴密封堵，可減少進風側直射到采空區內的風流量，從而降低“匯”風處瓦斯濃度，避免出現上隅角瓦斯超限。風幛布置在采空區邊緣，容易損壞，隨著工作面向前推進，風幛也要逐漸前行，因此，在一定程度上會影響回采工作面推進速度。

(3)增大通風量。適當增大回采工作面通風風量可以帶入更多的新鮮風流，保證單位時間內帶走更多的瓦斯，達到降低上隅角瓦斯濃度的作用，此外，增大通風量將與上隅角積聚風流形成對流，即可吹散上隅角積聚的高濃度瓦斯。如回采工作面通風量過大，會導致進風巷直射到采空區風量增加，使采空區的瓦斯流線延深，增加了采空區深部瓦斯涌出量。

(4)安設引射器。回采工作面上隅角瓦斯超限可用高壓水或風作為動力形成較大的負壓區，風量可以通過風壓和水壓的改變進行調整，工作面的主風流由于壓差的作用會增大流經上隅角的風量，以降低瓦斯濃度，上隅角的高濃度瓦斯經流過此處的工作面風流的稀釋后進入風筒內部，排入回風巷。需要注意的是，必須確保引射器動力源連續工作。

(5)局部通風機。回采工作面或回風巷內安裝小功率的局部通風機，使上隅角位置形成正壓區，風筒直吹上隅角，通過局部通風機引入新鮮風流稀釋采煤工作面上隅角瓦斯，使該處瓦斯濃度降到規定以下，由于它繞開了工作面直接進入上隅角，除沖淡上隅角積聚的瓦斯外，還減少了釆空區瓦斯涌出；但局部通風機也需要隨著工作面的前移而移動。

(6)上隅角封堵。回采工作面上隅角封堵是防止上隅角瓦斯濃度超限最基本的操作，即在采空區“匯”風處采取嚴密的封堵措施，采用裝滿碎煤或碎矸的膠織袋連續堆積形成可移動臨時墻，防止采空區內部高濃度瓦斯被風流帶入工作面，造成上隅角積聚。目前國內自主研發了可充氣式囊袋，方便移動操作，氣密性良好。上隅角封堵方法需要與上隅角抽采結合使用，否則治標不治本。

(7)風流均壓法。均衡采空區兩側的壓差，減少采空區漏風量，進而降低工作面上隅角瓦斯濃度。均壓法能排除在供風量有限的情況下，用常規法不能排除的瓦斯，在因氣壓變化而瓦斯涌出量增加的情況下，采用均壓法比常規法更安全。但同時給長采面大采高的工作面瓦斯治理提出了更高的技術要求，極大地增加了工人的勞動強度，不但支護效率低，還會直接影響推進速度。

2.2 治理上隅角瓦斯超限

(1)改變通風方式。我國大部分煤礦工作面均使用“U”型通風，為解決回采工作面上隅角瓦斯超限，可通過改變原有的通風方式，如改“U”型為“Y”型，如圖1所示；此外，針對非突出礦井，可以將上行風改為下行風，下行風的方向與瓦斯自然流動方向相反，二者易于混合且不易出現瓦斯層狀流動和局部積存的現象，能夠防止上隅角瓦斯積聚。

圖1 U型通風變Y型通風

(2)采空區埋(插)管。根據采空區抽采濃度分布規律進行瓦斯抽采。上隅角埋管抽采瓦斯的主要原理是在工作面上隅角形成一個負壓區，使該區域內瓦斯由抽采管路抽走，這可以避免因工作面上隅角處局部位置因風流不暢(或微風)引起的瓦斯超限，此外，上隅角埋管在抽采瓦斯同時，當管徑較大時還能起到引流作用，避免了上隅角瓦斯積聚。管路吸入口需處于上隅角的上部。采空區埋管示意見圖2。

圖2 采空區埋管示意

成莊礦瓦斯含量為9 m3/t，礦井相對瓦斯涌出量為21 m3/t。4311工作面通風量為1 200 m3/min，回采期間上隅角瓦斯濃度一直處于0.7%～0.8%，內控斷電10多次，在工作面上隅角懸掛DN600負壓抽采管進行上隅角插管抽采，其抽采純量最高可達3 m3/min，上隅角瓦斯保持在0.5%以下，治理效果顯著。

(3)高位鉆孔抽放。瓦斯密度比空氣密度小，鄰近煤層瓦斯及本煤層遺煤瓦斯涌入采空區后浮于采空區頂部并進入煤層上部的裂縫帶中，通過高位鉆孔瓦斯抽放從根本上降低瓦斯源釋放瓦斯的能力，降低上隅角瓦斯超限的概率。高位鉆孔抽放瓦斯鉆孔設計技術攻關主要是裂縫帶的確定，裂縫帶層位分布不僅與開采厚度有關，而且受頂板巖性影響，實質上是第二位亞關鍵層及其高度確定的問題，應主要以現場試驗為主，理論分析與數值模擬為輔的手段確定裂縫帶分布。高位鉆孔示意見圖3。

圖3 高位鉆孔示意

東源長嶺煤礦152106工作面瓦斯含量高達11 m3/t，生產過程中上隅角瓦斯濃度時常超限，最高可達1.2%，為保證安全回采，在工作面施工3個高位鉆孔，鉆孔施工長度為550 m，鉆孔孔徑120 mm。1～3號高位鉆孔孔間距均為0.5 m，鉆孔設計高度分別為17、18、22 m，鉆孔距離回風巷寬度對應為15、25、35 m，高位鉆孔總純量約為6.33 m3/min，濃度高達29.78%，混合量為21.33 m3/min。根據目前高位鉆孔層位布置，有效緩解了工作面瓦斯超限，回風巷上隅角瓦斯濃度達到0.9%，降低了25%。

(4)高位鉆場水平定向鉆孔。由于裂縫帶處于相對穩定的高度，為了延長鉆孔服務年限，提高抽放效果，通常在工作面回風巷道通往頂板上方的一定高度處布置鉆場，并在鉆場內通往工作面方向施工水平鉆孔，這種布置方法避免了從煤層位置向上打鉆的困難，同時由于鉆孔開孔位置處于頂板相對穩定的位置，整個鉆孔都處于裂縫帶瓦斯有效抽放范圍內，有效解決了裂縫帶鉆孔服務周期短的問題。但是由于掘斜巷和鉆場施工量大，鉆孔布置在基本頂內，打鉆費用高。高位鉆場水平定向鉆孔示意見圖4。

圖4 高位鉆場水平定向鉆孔示意

東源長嶺煤礦152105工作面瓦斯含量為8.6 m3/t，回采過程中上隅角濃度保持在0.9%～1.0%之間，為保證工作面安全回采，在開切眼前方100 m處上鄰近層布置4組高位鉆場鉆孔，隨著工作面推進逐漸進入采空區，計算出高位鉆場平均瓦斯純量為1.97 m3/min，平均抽采濃度為28%，平均混合量為7.04 m3/min，上隅角瓦斯濃度保持在0.7%以下。高位鉆場水平定向鉆孔一方面可以對上鄰近煤層瓦斯進行預抽，防止煤層垮落后采空區遺煤瓦斯涌出量增大；另一方面本煤層回采過程對于治理工作面涌出量大且上隅角超限明顯問題會有顯著效果。

(5)高位抽放巷。煤層群回采的綜采或回采工作面，在采空區瓦斯涌出量較大時，可采用頂板走向或傾向巷道抽放采空區瓦斯。該方法是在煤層頂板上方一定高度靠近工作面回風側掘設一條巖巷，可以實現對采空區上部裂縫帶以及冒落空間里的積存瓦斯進行抽采，對上隅角瓦斯濃度起到一定的控制作用，具有抽放時間長、抽放效果好等特點，但工程量大，需在頂板掘一條或多條巷道，維護較為困難。高位抽放巷示意見圖5。

圖5 高位抽放巷示意

高位抽放巷位置布置對采空區瓦斯抽采效果有著很大的影響。塔山礦根據“O”型圈理論和覆巖結構特征，高抽巷在垂直方向上與工作面回風巷頂板相距50 m，水平方向上與回風巷內錯20 m。布置高抽巷抽采后，回風巷瓦斯濃度由1.1%下降到0.2%，遠低于報警值0.8%，說明高抽巷布置位置合理且效果明顯。采空區瓦斯濃度大幅下降，瓦斯抽采率高。

(6)工作面尾巷。一些高產高效回采工作面上隅角瓦斯超限時一般采用雙巷布置，其中一條尾巷可通過埋管、向采空區打抽放鉆孔或密閉抽放采空區瓦斯。該方法可在最佳抽放位置對采空區瓦斯進行強化抽放，相當于開辟一條新的回風巷，在采空區內形成負壓區，防止采空區瓦斯涌向工作面，抽放采空區瓦斯效果顯著，但在日常管理上有一定的難度。工作面尾巷示意見圖6。

圖6 工作面尾巷示意

(7)底板攔截鉆孔。近距離煤層群瓦斯超限問題除采取高位鉆孔抽采瓦斯外，當下鄰近層瓦斯涌出較多時，可采用施工底板攔截鉆孔的瓦斯治理方法，該方法可施工穿層鉆孔抽采下鄰近層瓦斯，但是鉆孔施工需要穿越巖層，鉆孔傾角為下向，鉆孔內部容易積水，導致有效抽采鉆孔長度短，排渣難度大，鉆孔易封堵。目前，較多采用下鄰近層鉆場施工順層鉆孔抽采瓦斯，對下鄰近層涌入工作面瓦斯進行攔截，防止上隅角瓦斯超限。底板攔截鉆孔示意見圖7。

圖7 底板攔截鉆孔示意

3 結語

上隅角附近的瓦斯濃度是回采工作面瓦斯濃度的最大值，是回采工作面瓦斯濃度的標志。工作面上隅角瓦斯超限應分析瓦斯涌出來源，根據巷道布置采取有針對性的抽采治理措施，以期降低煤層瓦斯含量，減少生產過程中工作面瓦斯涌出量。在工作面上隅角采取懸掛擋風簾、封堵上隅角并適當增大工作面的進風量等輔助措施，以減少采空區漏風導致上隅角超限。此外，除本篇總結的“七防七治”防治方法以外，煤礦需結合自身瓦斯賦存規律，不斷探索上隅角瓦斯防治新工藝、新方法。