晉普山90202工作面落山角瓦斯治理探討

梁逸群，彭宣緯

（晉城職業技術學院，山西 晉城 048026）

一、礦井概況

（一）礦井簡述

晉普山礦井現采3#煤、9#煤，礦井設計生產能力為1.30Mt/a，實際生產能力僅為1.0Mt/a。礦井9#煤層布置有兩個綜采工作面—90202和90203，90202工作面為生產面，90203工作面為備用接替工作面。綜采工作面設計年生產能力為100萬噸，實際年生產能力僅為90萬噸。9#煤層兩個采區產量各為45萬噸/年，采區日產量均為1364噸，工作面采高1.5m，為薄煤層，煤層賦存穩定，頂板均為全部垮落法管理，綜采工作面日產量為1228噸，掘進日產量為136噸，礦井平均日產量為3939噸。

（二）瓦斯基本特性

煤炭科學院撫順分院對本礦9#煤層進行了瓦斯含量等參數實測和分析比對，9#煤層實測瓦斯含量為 3.06～12.05m3/t·r，平均為 6.53m3/t·r，煤層原始瓦斯含量為5.436m3/t；瓦斯壓力為1.062MPa。根據取樣地點分析：901、902采區瓦斯含量不大，903采區由于處在白馬寺逆斷層附近，所以瓦斯含量較大。

測得9#煤層極限吸附常數a值為38.02～42.74m3/t，平均為 40.36m3/t；吸附常數 b值為0.893～1.184MPa-1，平均為 1.033MPa-1。

孔隙率為8.48%～11.56%，說明煤中瓦斯90%以上是吸附狀態賦存在煤層中的孔隙內表面上。

9#煤層的透氣性系數0.0942m2/MPa2.d，鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.0821d-1，9#煤層屬于較難抽放煤層，不具備本煤層抽放的條件。

據2012年礦井瓦斯等級鑒定（見表1），礦井采用中央并列式抽出式通風方式，礦井風量10753m3/min。

表1 礦井開采煤層3#、9#瓦斯等級鑒定結果

（三）瓦斯主要來源

通過分析本煤層瓦斯、鄰近層瓦斯對綜采工作面瓦斯的影響，確定9#煤層回采工作面瓦斯涌出主要來源：

1.9#煤層瓦斯含量大，平均瓦斯含量為4.32m3/t，在采煤過程中本煤層瓦斯大量涌出，煤的殘存瓦斯含量，9#煤層取1.85m3/t。

2.9#煤層回采工作面上鄰近層10m左右處有一平均0.4m的薄煤層，9#煤層回采工作面最小采高為1.5m，頂板冒落高度在12m以上，由于受采動的影響，上鄰近層0.4m的薄煤層冒落后，瓦斯涌向回采工作面空間，增大工作面瓦斯涌出量。

3.頂底板圍巖的孔隙中存在一定量的瓦斯，特別是頂板K4石灰巖中瓦斯存量較大，在回采過程中，頂底板卸壓后，瓦斯也涌向回采工作面空間，增大工作面瓦斯涌出量。

二、綜采工作面瓦斯治理現狀

（一）瓦斯治理方案及主要問題

2012年2月，晉普山礦90202綜采工作面落山角發生多次瓦斯超限事故，瓦斯濃度最大達4%。該綜采工作面的瓦斯治理方法及主要存在問題為：

1.采用在綜采工作面落山角設置壓入式小風機，吹散落山角瓦斯；

2.在綜采工作面落山角安裝大功率抽風機配合螺旋管風筒抽排落山角瓦斯。

以上兩種方法雖然在生產過程中有一定的治理效果，但是，一旦發生停電現象就會立即發生落山角瓦斯超限。而且，由于利用抽風機抽排落山角的瓦斯風筒只能伸進切頂線以里200－300mm，而晉普山礦9#煤90202工作面的推進速度快，頂板不能隨時冒落。在機尾處經常留有較大面積的懸頂，造成空間瓦斯積聚，當懸頂冒落后空間的瓦斯被吹出，就會造成落山角的瓦斯超限。

3.在回風巷設調節風門采用增壓辦法抑制采空區瓦斯涌出。

該方法的缺點是：必須經常調整風量，掌握風壓情況，而且由于瓦斯涌出的不規律性，這種方法也很難堅持使用。

9#煤層90202綜采工作面回采階段經常性地發生瓦斯超限斷電，為了控制落山角瓦斯濃度，只能采用放慢割煤速度的辦法，這嚴重影響了礦井正常的生產計劃，當此工作面回采結束后，晉普山決定在接替工作面9#煤層90203工作面試驗“兩進兩回”通風系統。

（二）試驗工作面基本參數

90203綜采面是晉普山礦902盤區一個綜采工作面，該工作面西部是90202綜采工作面采空區，東部是90204綜采工作面，上部為3#煤采空區。90202工作面走向長度1100米，傾斜長度175米，煤層厚度1.3－1.7米，均厚1.5米。回采工藝為一次采全高，頂板管理為走向長壁全部跨落式管理頂板。進風巷為矩形，支護形式為金屬錨桿+金屬梯支護，間距1.0m，巷道凈寬4.2米，凈高2.0米，凈斷面積為4.8m2，兼作出煤順槽，回風巷也為矩形，支護形式為金屬錨桿+金屬梯支護，間距1.0m，巷道凈寬4.2米，凈高2.0米，凈斷面積為4.8m2，兼作運料順槽。

（三）落山角瓦斯來源分析

晉普山礦綜采工作面落山角瓦斯涌出來源主要為本煤層，臨近層，上覆采空區高濃度瓦斯3種來源，現就3種來源分析如下：

1.煤層瓦斯涌出量

晉普山礦現開采的煤層為9#煤，由于該煤層均厚只有1.5米，工作面采用一次采全高的方式進行回收，工作面回采率達97%，按日產量1228噸計日丟在采空區的煤有37噸，如果日丟煤所含瓦斯全部解吸，其含量為226m3，其對工作面回風流（配風800m3/min）瓦斯的涌出量為0.16m3/min。

2.綜采工作面割煤時煤壁瓦斯涌出量

經實測綜采工作面機頭處進風流瓦斯濃度一般為0.05%，靠近煤壁及溜子道到機尾處增大到0.3%，其涌出量為2.4m3/min。

3.臨近層及上覆采空區瓦斯涌出量

90203工作面上部10米為3#煤采空區，由于3#煤全部為分層采，采空區丟煤較多，因此采空區有大量的瓦斯積存，很可能通過塌陷裂隙涌入工作面，臨近煤巖層所含瓦斯也會通過各種渠道從采空區涌入落山角，根據晉普山礦9#煤綜采工作面回風巷平均瓦斯濃度0.65%反算，其上覆采空區及臨近層的瓦斯造成回風巷瓦斯濃度升高值為0.3%，其涌出量為2.4m3/min。

由此可知，晉普山礦綜采工作面瓦斯涌出的主要來源是煤壁落煤及上覆采空區，造成晉普山綜采工作面落山角瓦斯超限主要是上覆3#煤采空區瓦斯大量的從采空區涌入落山角，加之落山角風量不足，使落山角瓦斯發生了超限現象，特別是綜采工作面大面積頂板垮滿時更容易發生瓦斯超限現象。

（四）落山角瓦斯超限原因分析

隨著煤層開采進入瓦斯含量較大的深部，回采工作面生產能力的提高及工作面推進速度的加快，必然導致落山角瓦斯涌出量較大幅度增加。

1.綜采工作面采空區及臨近層瓦斯涌出量均超過煤壁割煤時瓦斯涌出量，成為工作面瓦斯涌出的主要來源，并且集中從落山角一個較小的空間涌入工作面，是造成落山角瓦斯超限的主要原因。

2.綜采工作面均采用“U”型通風方式，工作面風流不易流到落山角吹散落山角瓦斯，在加設大功率抽風機抽排落山角瓦斯措施后，雖然在正常情況下能滿足治理瓦斯的要求，但一有異常情況很容易造成落山角瓦斯超限，工作面治理瓦斯措施不盡合理。

3.綜采工作面推進速度過快，往往造成支架后大面積懸頂，一旦懸頂突然垮塌，必然突然將采空區大量高濃度瓦斯吹出，使大量高濃度的瓦斯在落山角積聚，也是發生落山角瓦斯超限的一個主要原因。

（五）瓦斯治理方案的比較

通風是防治工作面瓦斯的基本手段，適當增加采面的供風量，不僅可以降低其回風流中的瓦斯濃度，而且可以適當降低落山角的瓦斯濃度。但風量增加過大時，流入采空區的風量也相應增加，勢必將采空區中更多的瓦斯帶出。因此，合理配風，控制管理好采面用風，對處理落山角局部瓦斯問題很有必要。在通風管理上，晉普山礦曾先后采用了“U”型、“一進兩回（U+L型）”和“兩進兩回（U+U型）”的通風方式。

1.“U”型通風方式

“U”型通風方式見圖1，進入工作面的風量除沿工作面流動外，還有少部分進入采空區，攜帶瓦斯從回風側支架間和落山角涌出，當煤層瓦斯含量大，頂板周期來壓或大面積垮落時，釋放出的大量瓦斯集中從落山角涌出，使落山角瓦斯濃度達到1.5%以上，回風巷瓦斯濃度達到0.75%以上，僅靠加大工作面配風量，效果并不明顯，落山角瓦斯仍時有超限。

圖1 U型通風方式

2.“U+L”通風方式

“U+L”通風方式見圖2。進入工作面的風量，一部分經回風巷排出，另一部分進入工作面采空區，攜帶采空區瓦斯，經聯絡橫川進入回風巷。經過反復試驗，聯絡橫川間距控制在50～80m，回風巷處理落山角瓦斯效果較好。同時為保證回風巷風流暢通，使工作面涌出的瓦斯向采空區方向流動，我們采取在回風巷支架后頂板下打木垛的方式，保證了風路暢通。當工作面煤壁推過聯絡橫川超過60m后，及時封閉多余的橫川（橫川作用已減小或失去），僅留1～2個聯絡橫川作為風流通道，減少采空區漏風，從而避免了回風巷回風瓦斯超限。同時，為減少通風設施建筑量和回采過程中的管理難度，聯絡橫川與回風巷不預先全部掘出，而是隨工作面超前施工1～2個。實踐證明，采用“U+L”通風方式，充分發揮了風流稀釋瓦斯的作用，落山角瓦斯基本不超限，不僅改善了安全生產環境而且能最大限度的實現“高產高效”目標。

圖2 U+L型通風方式

3.“U+U”通風方式

“U+U”的通風方式即本工作面進、回風巷和鄰近下一個已掘工作面進風順槽進風，而鄰近下一個工作面的切眼和回風巷作為回風通道見圖3。本工作面進、回風巷的新鮮風均經過工作面落山角和聯絡橫川到鄰近工作面進風巷，而鄰近工作面進風巷的新鮮風流亦可稀釋從工作面采空區涌出的瓦斯，從而保證工作面落山角及回風巷入口處瓦斯均不超限。

圖3 U+U通風方式

（六）試驗效果

90203綜采工作面自接替90202綜采工作面開始連續回采以來，分別使用了“U+L”和“U+U”兩套通風系統治理落山角瓦斯，試驗效果見表2。

表2 落山角瓦斯情況統計表

通過上述3種方案的具體比較說明，利用“U+L”或“U+U”通風方式對綜采工作面進行瓦斯治理，其效果遠遠高于傳統“U”型通風方式，但相對來說，“U+U”通風方式所需總風量較大，需要合理分配各進風巷風量，使其不僅要能滿足及時稀釋工作面落煤及煤壁涌出瓦斯，而且能夠達到分流落山角瓦斯防止采空區瓦斯從落山角涌出，減少落山角瓦斯積聚超限的可能性。因此，該通風方式現場管理難度較大，隨著工作面推進而引起的巷道風阻變化亦會引起巷道風流紊亂或逆轉，較“兩進一回”通風方式穩定性差，且由于工作面配風量相對減少，對工作面粉塵治理不利。為進一步優化工作面瓦斯、粉塵綜合治理，最終確定了采用“兩進一回”治理綜采工作面落山角瓦斯的方案。

三、結束語

在采用“U+U”治理綜采工作面落山角瓦斯時，要加強對通風橫川巷道支護的檢查和維護，用來支護的木垛要堅固牢靠，確保回風風流的暢通；由于頂板壓力大造成每推進5米打一木垛很難維護時，應加強巷道支護，將原來的每隔5米打一木垛改為每隔3米甚至更小的距離打一木垛，同時回風斷面巷道嚴禁退錨，確保工作面斷面的同時，保證了工作面風量穩定可靠；要加強工作面測風，合理調整工作面配風量，確保工作面風速符合規定；加強監測監控，并設專職瓦斯檢查工頂崗檢查瓦斯和檢查維護通風設施，確保瓦斯得到有效治理。

治理綜采面落山角瓦斯的方法多種多樣，比較成熟的方法就是瓦斯尾巷治理或局部瓦斯抽放。采用“U+U”通風方式治理綜采面落山角瓦斯是建立在瓦斯尾巷治理理論上的又一個瓦斯防治技術措施。根據9#煤綜采面的瓦斯涌出特點，結合煤層無自燃發火傾向的實際情況，采取“U+U”通風方式，可以有效地防治采空區瓦斯涌出量大、落山角瓦斯超限問題，實現綜采工作面安全生產。

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