綜采工作面上隅角瓦斯治理實踐

張虎仕

（山西懷仁聯順璽達柴溝煤業有限公司，山西 朔州038300）

近年來，隨著國內外經濟的持續高速發展，煤炭行業經歷了飛速發展的“十年黃金期”。在這期間，國內各大礦區煤炭開采強度和產能得到了大幅度的提高，這也造成礦井瓦斯涌出量相對不斷增加，即使是低瓦斯礦井也出現綜采工作面瓦斯超限問題〔1－3〕。山西懷仁聯順璽達柴溝煤業所采煤層為山西組5＃煤層，采用走向長壁綜合機械化開采，工作面通風方式均為U型通風，礦井瓦斯絕對涌出量為40.71m3／min，相對瓦斯涌出量為3.224m3／t，屬高瓦斯礦井。隨著開采深度和開采強度的不斷增加，礦井瓦斯涌出量有升高趨勢。今年以來，所采1511工作面多次出現上隅角瓦斯超限現象。為了提高工作面安全回采水平，盡快遏制上隅角瓦斯超限問題，技術人員從多方面著手，掌握了工作面上隅角瓦斯超限原因，并據此提出了預防措施。

1 工作面概況

1511工作面位于礦井一水平，工作面西部為井田保護煤柱，東部為采區上山，南部為已經回采結束的1509工作面。工作面所采煤層為山西組5＃煤層，煤層賦存較簡單，煤質軟弱易碎，煤層厚度2.59～37.16m，平均17.07m，煤層頂板多為粉砂巖、粗砂巖組成，有時為中粒砂巖、煌斑巖、炭質泥巖，底板多為砂質泥巖、中粒砂巖，有時為砂巖。煤層結構復雜，夾石3～33層，一般15層左右，多為高嶺質泥巖、砂質泥巖、煌斑巖。煤層厚度變化大，西部厚，東南部薄，屬全區可采穩定煤層。煤層可采性指數為1，煤層厚度變異系數為25%。采用綜合機械化開采；采用“一進一回”式U型通風方式；風、機兩巷均采用“錨網索”鋼帶進行支護；安裝ZF13000／22／35型液壓支架125臺。

該工作面自2014年10月回采以來，來自于所采5＃煤層、鄰近煤層和采空區瓦斯大量涌入回采空間和回風巷，通過優化通風系統一定程度地遏制了瓦斯超限問題。但是自2015年3月下旬以來，工作面連續出現過幾次上隅角瓦斯超限。鑒于此，礦井通過增加風量和優化導風來降低上隅角瓦斯濃度，但未從根本上杜絕瓦斯超限現象。1511工作面上隅角瓦斯濃度高和頻繁超限不僅大幅度降低了工作面安全回采水平，也嚴重影響了工作面的正常回采速度，對于提高礦井綜合效益極為不利。因此，如何有效治理瓦斯已經成為1511工作面安全回采的基本前提。

2 上隅角瓦斯超限分析

通風理論認為，綜采工作面采用U型通風方式時，進入工作面的風流一部分進入采空區，另一部分進入回采空間，其中進入采空區部分風流在工作面上段逐漸重新進入回采空間，最后在上隅角處匯積后進入回風流。對上隅角風流分析可知，上隅角靠近采空區側和巷幫側的風流速度較低，且局部區域風流處于渦流狀態，渦流的存在導致采空區涌出的瓦斯在渦流區中循環運動而難以隨風流進入回風中。若上隅角出現漏風現象，在風流壓差的作用下采空區瓦斯從漏風區溢出在上隅角處積聚。分析認為，這也是U型通風方式下1511工作面上隅角瓦斯頻繁超限的主要原因。

通過現場實測，掌握了上隅角瓦斯來源主要有：本工作面采空區瓦斯，煤體瓦斯和臨近工作面采空區瓦斯。本工作面采空區瓦斯主要是兩巷保護煤柱受到采動影響出現幫煤片落，保護煤柱深部煤體裸露并釋放瓦斯，另外，1511工作面采取留部分頂煤開采，殘留在采空區內的遺煤也會釋放一定的瓦斯；煤體瓦斯是指工作面在回采過程中煤層釋放部分瓦斯，且1511工作面所采5＃煤層部分區域煤層厚度變化較大，在回采過程中常遇到瓦斯異常增大區，也是引起上隅角瓦斯濃度變大的重要原因；臨近工作面采空區瓦斯主要是指1509工作面采空區瓦斯。1509工作面和1511工作面之間煤柱尺寸較小，煤體質軟易碎，受到采動影響和礦山壓力作用煤柱穩定性降低和頂板出現大量的裂隙，致使1509工作面采空區瓦斯溢入1511工作面。3個區域瓦斯在風流作用下在上隅角積聚，最終致使上隅角瓦斯超限。

除了U型通風方式容易引起工作面上隅角瓦斯超限外，影響上隅角瓦斯的因素還有煤層傾角、放炮工序和風障的使用等。理論研究表明，煤層傾角變大不利于上隅角瓦斯管理〔4〕。煤層較大傾角的存在會一定程度降低采空區上方頂板巖體的穩定性，出現采空區上段巖體向下段滑落，上段區域出現空洞和瓦斯積聚；煤層傾角大還一定程度上改變了采空區內瓦斯梯度，致使瓦斯在上隅角處出現高值。1511工作面在過斷層等構造帶時采用先放震動炮后采用煤機截割通過，在放炮期間產生的爆轟沖擊會破壞風流正常流態，致使上隅角瓦斯出現濃度變大現象，同時放炮會一定程度增大煤巖體裂隙度，致使大量的煤體瓦斯溢出。1511工作面在布置上隅角風障時為了操作方便往往將風障上側與風巷上幫掛齊，風流從風障上方流出，這樣容易造成瓦斯在上隅角頂部出現渦流，瓦斯難以隨風流溢出，故風障的不合理使用也是引起1511工作面上隅角瓦斯濃度偏大的主要原因。

3 上隅角瓦斯超限處理措施

3.1 常規處理措施

（1）工作面過機尾后，及時進行放頂，當冒落的頂板無法將放頂區填滿填實時，用煤及矸石對放頂區進行充填，頂部充填不滿處用防阻燃袋塞嚴。

（2）為了避免上隅角瓦斯積聚超限，在上隅角處拉設一道風障，風障與煤壁角度為30°～45°，風障長度為10～15m，風障高度要求與頂板接齊。

（3）在工作面機巷老空側要打設一道風障，長度為15 m，高度以接底接頂為準，并向機巷向外拐不少于500mm。機巷老空放頂區應及時充填，或施工煤墻，以防止機巷風流進入老空區，引起上隅角瓦斯積聚。

（4）鑒于上隅角瓦斯主要靠工作面風流沖散和帶出，僅靠風障難以驅散1511工作面上隅角渦流區高濃度瓦斯，可增加風量來降低上隅角瓦斯濃度。根據現場實際，將風量由原來的1400m3／min提高至1950m3／min，風量提高了近35%。通過優化通風一定程度降低了上隅角瓦斯濃度，但并不能從根本上解決上隅角瓦斯超限問題。若進一步增大風量，會造成工作面和回風流中煤塵濃度增大，同時還會造成采區通風系統穩定性降低，故不能單靠增大風量治理1511工作面上隅角瓦斯。

3.2 瓦斯抽放

通過上隅角瓦斯常規措施的實施，一定程度降低了上隅角瓦斯濃度，但未從根本上解決上隅角瓦斯超限問題，研究決定采用上隅角瓦斯抽放技術來治理上隅角瓦斯。上隅角瓦斯抽放原理：通過瓦斯抽放使工作面上隅角處形成負壓區，該負壓區內瓦斯與空氣能夠充分混合，并隨瓦斯抽放管抽放。瓦斯抽放主管采用規格為Φ275mm×4000mm的聚乙烯涂層復合鋼管連接而成。瓦斯抽放主管路布置：抽放泵站→回風與泵站密閉→采區回風上山→工作面回風巷→工作面上隅角。

為了操作方便，將瓦斯抽放主管路布置在距離上隅角約22～24m處，然后通過法蘭連接規格為Φ150mm長8 m的埋吸管，這樣可以隨工作面推進通過移動埋吸管來避免頻繁拆卸瓦斯抽放主管。為了保障瓦斯抽放效果，將埋吸管吸入口深入到上隅角里200～300mm，且利用煤袋將埋吸管周邊進行堵實；同時，為了減少進入埋吸管的煤巖體碎屑量，埋吸管吸入口安裝龍套，龍套采用雙層窗紗進行包扎。隨著工作面的推進，可以逐節回收埋吸管和主抽放管，直至工作面回采結束。

圖1 1511工作面上隅角瓦斯抽放系統布置

4 上隅角瓦斯治理效果

通過瓦斯治理常規措施的實施和瓦斯抽放系統運行后，回風巷瓦斯濃度和上隅角瓦斯濃度均有明顯下降。經現場實測，瓦斯抽放系統運行前，上隅角和回風流平均瓦斯濃度分別為1.57%和0.49%，抽放系統運行后，上隅角瓦斯濃度始終保持在≤0.45%，回風流瓦斯濃度始終保持在＜0.35%，上隅角瓦斯濃度和回風流瓦斯濃度較抽放系統運行前大大降低，說明通過該瓦斯抽放系統的使用，有效地控制了上隅角和回風流瓦斯濃度。

〔1〕劉見中.上隅角瓦斯濃度預測及其處理方法的優選〔J〕.煤炭科學技術，2004，32（2）：7－10.

〔2〕王巖森，顧永功，黃佰喜.采煤工作面上隅角瓦斯積聚成因分析及治理措施〔J〕.能源技術與管理，2005，（4）：17－19.

〔3〕賈寶財，劉振宇.U型通風方式采煤工作面上隅角瓦斯處理方法〔J〕.煤炭技術，2008，27（5）：88－90.

〔4〕胡圣鵬.采煤工作面上隅角瓦斯積聚成因與處理對策〔J〕.煤炭技術，2006，25（5）：62－63.