俯斜開采下行通風采煤工作面瓦斯抽放研究

【摘 要】針對林南倉礦業公司2220W綜放工作面特點分析，研究適合俯斜開采、下行通風的采煤工作面埋管抽放方法，有效降低了工作面風流中的瓦斯濃度，保證了安全生產。

【關鍵詞】俯斜開采；埋管；下行通風；抽放

林南倉礦業分公司2220W綜放工作面為俯斜開采，工作面初采位置標高最高，且2220W綜放工作面是林南倉礦業分公司第一個下行通風工作面。林南倉礦傳統的抽放方式采取上隅角拖管抽放，但由于2220W綜放工作面的特點，原有的采煤工作面上隅角埋管抽放不能解決采空區瓦斯涌出的問題，為此，筆者對2220W綜放工作面瓦斯抽放技術進行研究，采取了適宜的方法，取得了良好的效果。

一、工作面概況

2220W綜放工作面位于礦井二水平東二小采區12煤層，東起東二小采區進風上山以西107m，西至-500人車下山以東134m，北起倉31以南31m，南至-500大巷以北119m。上下部無工程。該工作面傾斜長度為70.34m，走向長度為490.7m；工作面標高范圍為：-426.4m～-502.3m，工作面走向最大坡度17°，平均坡度9°；煤層厚度5.2m，直接頂厚度1.3m，實際采高4.8m，直接頂垮落不能完全充填采空區，老頂周期來壓明顯；工作面采用下行通風，有效風量為7.57m3/s。回采過程中，初次來壓采空區瓦斯異常涌出，特別是采面上隅角有大量瓦斯壓出。

二、工作面主要瓦斯來源分析

2220W綜放工作面瓦斯來源于煤壁瓦斯涌出、采落煤瓦斯放散、采空區瓦斯涌出，但正常采煤時工作面煤壁涌出及采落煤釋放的瓦斯能夠被風流稀釋，工作面及其回風流瓦斯濃度都在0.17%以下，不影響生產。當工作面瓦斯異常涌出時，其主要瓦斯來源于2220W綜放工作面采空區。

（一）采空區存在積存瓦斯的空間

1、直接頂分析：直接頂：深灰色粉砂巖，厚1.3m，巖石致密堅硬，夾灰白色細砂巖條紋，顯波狀層理，含豐富的植物化石；單向抗壓強度指數：Rc=50.3MPa。

（1）直接頂的強度指數：

D=10 Rc×C1×C2 =10×50.3×0.3×0.32

=48.288

式中：Rc——巖石單向抗壓強度；

C1——節理裂隙影響系數，取0.3；

C2——分層厚度影響系數，取0.32。

根據以上分析：31<48.288<70，直接頂分類為Ⅱ類頂板。

（2）直接頂垮落充填情況分析：

∑h=M/（Kp-1）

式中：∑h——充滿采空區所需直接頂垮落厚度，m；

M ——煤層實際采高，4.80m；

Kp——巖層垮落后巖層碎脹系數，取1.6。

∑h=4.80/（1.6-1）=8.0m>1.3m

直接頂不能夠完全充填采空區，所以采空區在老頂垮落前存在空間。

2、瓦斯積存于采空區

（1）采空區高于工作面：2220W綜放工作面為俯斜開采，工作面標高范圍為：-426.4m～-502.3m，工作面走向最大坡度17°，平均坡度9°，這一特點決定了采空區空間位置高于工作面。

（2）瓦斯的性質：瓦斯是無色、無味、無臭的氣體，在標準狀態下瓦斯的密度為0.716kg/m3，相對密度為0.554，幾乎比空氣輕一半，所以比空氣輕這一性質決定瓦斯積存于采空區。

（3）采空區遺煤釋放瓦斯：2220W綜采放頂煤工作面，采空區遺留浮煤較多，且浮煤中瓦斯含量較大，采空區遺煤釋放大量瓦斯，致使采空區積存瓦斯。

（二）采空區積存瓦斯在空間的分布分析

1、采空區淺部瓦斯匯集于下隅角：對于“U”型通風系統的采空區，按漏風大小和遺煤發生自燃的可能性采空區可分為三帶：散熱帶I、自燃帶Ⅱ和窒息帶Ⅲ；散熱帶空隙度大，漏風大，其寬度大約5～20m ；自燃帶中巖石的空隙度較小，因而漏風小，其寬度取決于頂板巖性、工作面推進速度、漏風通風壓差，一般寬度為20～70m；自燃帶向采空區內部延伸，便是窒息帶，由于該帶距工作面較遠，漏風甚小或消失。

據以往經驗林南倉礦業分公司12煤層散熱帶寬度一般在5m左右，自燃帶寬度一般在20～30m；且該工作面風量、風壓較小，所以采空區三帶寬度較小。

據采空區自然發火三帶理論分析，2220W采空區淺部瓦斯由于采空區漏風作用匯集于采面下隅角，即散熱帶瓦斯、自燃帶部分瓦斯匯集于采面下隅角，采面上隅角由于采空區漏風作用沒有瓦斯。2220W采空區淺部瓦斯分布分析見圖1。

圖1：2220W采空區淺部瓦斯分布分析圖

2、采空區大量瓦斯匯集于深部上側：由于瓦斯比空氣輕這一特點，2220W工作面采空區的大量瓦斯（窒息帶以里的瓦斯）匯集于采空區深部上側，即采面上隅角的深部。2220W采空區深部瓦斯分布分析見圖2。

圖2：2220W采空區深部瓦斯分布分析圖

（三）采空區積存瓦斯涌出原因：2220W工作面采空區的空間形態決定了采空區類似一個“瓦斯罐”，由于采空區上部老頂周期性垮落及礦山壓力作用，上部巖層要壓實填滿采空區，所以會將采空區瓦斯壓出。

三、針對瓦斯源確定抽放方法

（一）傳統抽放方法失效

林南倉礦業分公司傳統的抽放方式采取上隅角拖管抽放，即用8m長的抽放花管埋在采煤工作面上隅角進行抽放，隨進尺向外拖拽抽放花管，以往的工作面均為上行通風，采空區漏風將采空區瓦斯匯集于上隅角。而2220W工作面是下行通風，傳統抽放方法抽不到瓦斯。傳統抽放方法失效見圖3。

圖3：傳統抽放失效圖

（二）確定上隅角埋管抽放

針對2220W工作面采空區深部上側存在大量瓦斯，確定2220W工作面采取上隅角埋管抽放的方法，即在上隅角埋設抽放管，隨工作面向外推采，抽放花管逐漸進入采空區深部，逐漸發揮抽放作用。深埋管抽放方法見圖4。

圖4：深埋管抽放方法圖

四、埋管工藝及深度

（一）確定交替埋管抽放工藝

為了使埋管抽放連續不間斷，因為埋管深度短了抽不到瓦斯，埋管深度長了會使抽放負壓升高、流量減小，抽放效果不好，所以經研究決定當第一趟抽放管埋深達到25m開始埋設第二趟抽放管，第二趟埋深達到25m時，第一趟抽放管已經50m，此時將第一趟抽放管斷開，改為抽第二趟抽放管，原第一趟抽放管斷開后繼續向外埋設；以此類推，確保在用的抽放花管始終處于采空區深部有效位置。交替埋管示意圖見圖5。

圖5：交替埋管示意圖

（二）實際應用中有效埋管深度

第一趟抽放管埋設過程中，開始瓦斯抽放濃度一直很低在1.2%左右，當管路埋入采空區長度達到16m時，瓦斯抽放濃度升高，達到5%左右，以后隨著埋管深度增加瓦斯抽放濃度也增加，當埋管深度在25m～35m期間，瓦斯抽放濃度達到最高，一般在15%左右并趨于穩定；當埋管深度繼續增加瓦斯抽放濃度則呈下降趨勢，到交換采空區的兩個抽放管時，原管路抽放濃度在5%左右，新接通抽放管路的抽放濃度一般在10%以上。由此在實際應用中，交換抽放管路的時期由最初的25m交換，改為以抽放濃度決定，原來的抽放濃度下降到5%則將管路改到另一趟管路上。有效埋管區間抽放瓦斯濃度變化見圖6。

圖6：有效埋管區間抽放瓦斯濃度變化曲線圖

五、結論

在實際應用中，每次交換抽放管路后抽放瓦斯濃度都較原來高，這樣交替的抽放，2220W工作面再沒有發生過瓦斯超限，回風流瓦斯濃度始終在0.2%以下。但每個采煤工作面的地質條件不同、風量風壓不同，同樣是俯斜開采，坡度也會不同，不同的條件要不同的埋管深度，這需要在實際應用中摸索。2220W工作面的特殊在于其是俯斜開采和下行通風，這是該工作面區別于其它工作面的地方，上隅角深埋管抽放方法適合這一特點的工作面應用。

綜放工作面的瓦斯治理，必須根據現場情況采取有針對性的措施，瓦斯抽放是采煤工作面瓦斯治理的治本措施。