治理采煤工作面上隅角瓦斯超限的研究與實踐

張乂木

摘 要：該文介紹了采用“U”型通風方式的采煤工作面的通風及風流狀態，對采煤工作面上隅角瓦斯超限的各種原因進行了分析，提出了處理采煤工作面上隅角瓦斯超限的幾種方法，并對其進行了優缺點分析，其中對瓦斯抽放方法治理瓦斯超限實踐做了重點說明。

關鍵詞：“U”型通風 上隅角 瓦斯超限 瓦斯抽放

中圖分類號：TD712 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（c）-0039-02

1 采煤工作面上隅角瓦斯超限原因分析

1.1 “U”型通風方式

“U”型通風方式是采煤工作面諸多通風方法中的最常用的一種通風方式，我國絕大多數采煤工作面均采用此種通風方法。

在采用上行風的“U”型通風工作面，在沒有其它漏風出口的前提下，工作面形成一源一匯流動，則風流除沿工作面流動外，還有一部分風流進入采空區，沿流線方向流動，積存在采空區內瓦斯以對流擴散的形式與工作面風流進行質量交換，并從工作面上部涌出，致使采空區瓦斯濃度分布沿走向靠近采空區內部較高，進而形成了采空區上隅角瓦斯積聚區。

在這種通風方式下，進入工作面的風流分為兩部分，一部分沿工作面流動，一部分進入采空區，在采空區內部沿一定的流線的方向流動，在工作面的后半部分，進入采空區的風流逐漸返回工作面。

可見，進入采空區的風流通過采空區，風流帶出瓦斯，逐漸返回工作面，最后匯集于采面上隅角，所以，工作面上隅角為采空區瓦斯流入工作面的匯合處。

1.2 采面上隅角瓦斯超限原因分析

（1）漏風流致使上隅角瓦斯增大。

在一般“U”型通風工作面，風流從進風巷進入采煤工作面，經過工作面后經回風巷流出，從流體力學的角度而言，進入工作面的風流端稱為源，而流出工作面的風流端稱為匯，所以“U”型通風工作面又稱為一源一匯工作面。實際上在風流進入工作面時，其中有一部分風流將會漏入采空區中，把采空區中的瓦斯從上隅角帶出，使采面上隅角瓦斯增大。

（2）上隅角紊流致使瓦斯增大。

巷道風流中任一斷面都具有靜壓、位壓、動壓，三種壓力之和是全壓，全壓差的大小決定著風流的方向和速度。由于上隅角處兩面的靜壓和位壓是一樣的，風流速度不一樣，采煤工作面的風流到此轉彎，造成上隅角處風流速度變慢，上隅角兩面的風流速度差降低，在上隅角處出現無速度差，甚至風流出現紊流。這種渦流使采空區涌出的瓦斯難以進入到主風流中，從而使高濃度瓦斯在上隅角附近循環運動而聚集在渦流區中，形成了上隅角的瓦斯超限。

（3）采空區與工作面的氣壓差使采空區瓦斯向工作面涌入。

采煤工作面通風期間，采空區與工作面之間存在氣壓差，造成了采空區瓦斯向工作面涌入。從穩定流角度考慮，一般認為采空區內瓦斯是服從松散介質內達西（Darcy）滲流定律，即：q=-K（p12-p22）/△L式中，q為單位時間內單位面積采空區向工作面涌入的瓦斯量，m3/（m2·min）；K為采空區內透氣性系數；p1、p2為工作面、采空區內空氣壓力，MPa；△L為p1、p2兩點間的距離，m。可以看出，p12-p22越大，則采空區瓦斯向工作面涌入的量就越大。

2 防治上隅角瓦斯超限的方法

2.1 采面上隅角設置擋風障

當采煤工作面上隅角出現瓦斯增大時，在靠近采煤工作面上隅角處掛一道擋風障，使之將工作面的風流一分為二，利用風障引導較多的風流流經上隅角，以稀釋高濃度瓦斯。風障可采用軟質風筒布制作，長度一般不小于10 m。但是由于擋風障的存在，使采煤機割煤，上隅角附近支、回柱，上出口行人、運料受到很大的影響，往往出現擋風障被破壞而失去作用的現象，導致上隅角瓦斯濃度忽高忽低，極不穩定，形成了安全生產的一大隱患。同時，擋風障的存在，增大了工作面的通風阻力，使工作面的風量降低。因此，這種方法主要是作為臨時措施應用在上隅角瓦斯不大的地點，可以解決上隅角處渦流的問題。

2.2 上隅角安裝風動風機和壓風管

在工作面上部第一組架子處安裝一臺風動風機，風動風機由壓風驅動，吸入工作面風流通過風筒導入上角，吹散上隅角瓦斯。同時在采面第一組架子及上隅角附近有一些不規則的冒落空間，可以利用壓風管進行吹散。

這種方法是一種有效的處理上隅角瓦斯和局部瓦斯超限地點的措施，簡單實用，靈活性比較大，使用安全，但不能從根本上解決問題，只能作為一種輔助手段。

2.3 增大采煤工作面風量

工作面風流對上隅角渦流區積聚瓦斯的驅散，主要靠工作面風流與上隅角瓦斯積聚區間的空氣的對流和主風流的擴散作用。但在工作面正常供風的情況下，靠有限速度的風流來驅散上隅角渦流積聚區的高濃度瓦斯是不可能的。工作面采用增大風量的辦法，雖然可使上隅角積聚區風流與工作面主風流的對流作用加大，但是隨著風量的提高，負壓增大，采空區的風流速度加大，使采空區的瓦斯流線延深，加強了風流與采空區內的瓦斯的交換。若采空區內存在其它漏風通道，則會增大此漏風量。因此，盲目的增大工作面供風量，對降低回風巷風流中的瓦斯濃度是不利的。

2.4 瓦斯抽放

瓦斯抽放是解決采煤工作面上隅角瓦斯超限的最有效的途徑，對治理瓦斯超限具有立竿見影的效果。在范各莊礦4171工作面回采的過程中，瓦斯絕對涌出量較大，靠增大風量的方法已經不能很好的解決問題，在瓦斯治理實踐中，采取了瓦斯抽放的方法，成效明顯。

（1）上隅角埋管抽放。

為了治理上隅角瓦斯大的問題，在4171工作面回采過程中，在工作面采空區上隅角埋設1趟4寸無縫鋼管，埋管長度為9 m，其中迎頭3 m在管路上布置成花管。提前在工作面上隅角打好木垛，確保抽放管路的末端放置在木垛中間，并保持與底板不小于500 mm的高度，防止煤堵塞管路。每隔2～4 m采用編織袋充填煤，再添充上隅角空間，以便形成瓦斯抽放空間。4寸無縫鋼管與直徑159 mm管路采用蛇形管連接。隨著回采，向外逐步向外拉動無縫鋼管。4171采煤工作面上隅角瓦斯抽放系統。

上隅角抽放系統投入使用后，最大抽放瓦斯濃度達到10%，流量達到20 m3/min。工作面回風瓦斯濃度由0.3%降至0.2%，上隅角取消了風障，瓦斯濃度由之前掛風障時的0.6%降至取消風幛后的0.4%，采面架間瓦斯濃度由之前的0.3%降至0.1%，取得了明顯的效果。

（2）高位孔抽放。

①布孔方式。在工作面回風巷內直接布置鉆場，從頂板開孔，往工作面上方裂隙帶打鉆孔。工作面推進方向反向布置鉆孔，鉆場間距47m，每個鉆場打3個鉆孔，利用工作面前方煤體保護鉆孔，工作面回采到位時撤出。回風巷安設抽放瓦斯管。

②鉆孔參數：a.裂隙帶可抽高度（距煤層頂板法距）：按5～12倍采高計算3.4*（5～12）=17～41.4 m，由于7煤層與5煤層的間距在28～30 m，因此考慮抽放區間為3.4*（5～7）=17～23.8 m，取抽放區間為17～24 m，在此區間的孔段為有效抽放孔段。考慮鉆場施工、頂板維護和工作面回采過鉆場的困難，確定開孔沿下幫頂板，終孔高度按7倍采高24 m計算。b.鉆孔直徑： Φ127和Φ75 mm。c.每個鉆場布置三個高位鉆孔，分1#、2#、2#，兩孔口間距不得小于0.4 m，保證有利于管路安裝；鉆孔直徑75 mm。

1#孔以風道為基準面下偏8 °、仰角12 °，長度100 m；2#孔與巷道下偏10 °，仰角11 °，長度100 m；3#孔與巷道下偏13 °，仰角11 °，長度100 m?？筛鶕嶋H煤層底板高度、煤層傾角變化適當確定其傾角、方位角等。

③封孔方式：封孔采用瑞米封孔袋封孔，封孔方法為：在已打好的鉆孔內下θ108 mm的套管子母扣連接，在套管距最前端800 mm的位置處綁兩袋瑞米封孔袋，以后每隔400 mm綁一袋馬立散，封孔長度4m。在推進前先把瑞米封孔袋用手迅速揉勻，用人力推進套管（如果不能用人力推進套管的情況下，用鉆機輔助推進），在揉瑞米封孔袋到整個套管進入鉆孔時間小于2 min。最后一根套管外露300 mm，以便連接膠管，設法蘭盤。高位孔與主抽放管路間用直徑108 mm的鎧裝膠管連接。每個孔外都要加控制瓦路。

該抽放系統與上隅角埋管抽放進行配合抽放，增強了瓦斯抽放系統的可靠性，給工作面回采過程中的生產安全和瓦斯管理工作提供了安全保證。

3 結語

（1）工作面瓦斯不僅來自于煤壁和采落煤，同時又有相當一部分來自采空區，而且越靠近回風巷，采空區瓦斯涌出所占比例越大。（2）當工作面進風量增大時會引起采空區漏風量增大，工作面有效風量率降低，進而引起采空區瓦斯涌出量增大。因此，盲目的增大工作面風量對于工作面瓦斯排放是不利的。（3）解決采空區上隅角瓦斯的主要措施是在采空區上隅角處增加漏風匯。通過增加漏風匯來排除采空區上隅角瓦斯，其排放效果取決于漏風匯的風流強度和位置。（4）治理上隅角瓦斯超限應該多措并舉，同時使用多種方法，增強瓦斯治理工作的可靠性。其中主要方法應該是瓦斯抽放，其它的方法都具有一定的局限性、不可確定性和不穩定性；所以治理上隅角瓦斯應提前考慮、提前施工，早投入，早見效。

參考文獻

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