辛置煤礦109工作面上隅角瓦斯治理

常高峰

(霍州煤電集團 辛置煤礦，山西 霍州 031412)

隨著我國礦井開采逐漸向深部延伸，采掘機械化水平的提高、采掘強度的加大，采掘工作面瓦斯超限現象頻發。其中，以采煤工作面的上隅角尤為突出，不但嚴重制約了工作面的正常生產，也威脅整個礦井安全生產[1-4].

1 工作面概況

辛置煤礦3下109綜采工作面是一采區第17個工作面，位于一采區中部。工作面東側為3下107工作面(已采空)，西側為31112工作面(未開拓)，北側至分叉區3下煤一分層防水煤柱，南側至-300水平膠帶、軌道大巷保護煤柱。工作面標高為-211.02～-248.33 m，走向長度1 352.8～1 364.2 m. 工作面所處煤層平均厚度為3.5 m，平均傾角為6°. 3下109工作面位置圖見圖1.

圖1 3下109工作面位置圖

3下109工作面所處3下煤層瓦斯原始壓力為1.8 MPa，透氣性系數為0.68 m2/MPa2.d，相對瓦斯含量為20.78 m3/t，煤塵具有爆炸性。該工作面采用U型全風壓通風方式，回采期間計劃配風1 520 m3/min.

2 上隅角瓦斯濃度影響因素

辛置煤礦3下109綜采工作面上隅角瓦斯濃度受多種因素影響。上隅角瓦斯主要來源于本煤層、臨近煤層、采空區。辛置煤礦3下109綜采工作面在回采過程中，對懸露頂板采用預裂爆破斷頂，工作面周期來壓時的擠壓作用不明顯，本煤層瓦斯含量少，鄰近層瓦斯對工作面上隅角瓦斯影響也小。因此，對3下109綜采工作面上隅角瓦斯濃度的主要影響因素為采空區遺煤。3上109工作面位于3下109工作面的正上方，工作面及兩巷位置基本重合。因此，其遺煤的多少及分布情況直接影響3下109工作面上隅角瓦斯濃度。

研究采空區遺煤對工作面上隅角瓦斯濃度的影響，可以采用反推的方式，根據采空區內部的條件，推出工作面邊界上隅角瓦斯狀況。工作面剛開始回采時，采空區的面積相對較小，采空區內遺煤較少，3下109工作面上隅角瓦斯濃度低，沒有超過瓦斯濃度允許的臨界值，但是隨著工作面的推進，采空區的面積越來越大，遺煤量也不斷增加，工作面上隅角瓦斯濃度升高，超過臨界值，威脅工作面的安全生產。但當工作面上隅角瓦斯濃度升高到一定界限后逐漸在一定范圍內波動，不再受走向長度影響。

3 不抽采條件下采空區瓦斯分布特征數值模擬

在不抽采條件下對3下109工作面及采空區瓦斯流場進行模擬[5-6]，得出采空區瓦斯分布特征，見圖2(上部為進風巷，下部為回風巷)。

圖2 不抽采條件下采空區瓦斯分布(z=3 m)特征圖

從圖2可以看出：

1) 工作面采用U型通風且不抽采狀態下，采空區內靠近工作面切眼處由于受漏風影響瓦斯濃度較低，且由于垮落后巖石碎脹系數不同，會形成不規則的空隙區域Ⅰ，此區域內瓦斯濃度分布不均衡性較大。

2) 采空區內向著與工作面推進相反方向延伸，將逐漸進入壓實區域Ⅱ，該范圍內受漏風影響較小，瓦斯濃度逐漸增大。

3) 工作面進回風兩側與采空區之間瓦斯濃度增加速度不同，回風側相對進風側瓦斯濃度增加速度快，在回風巷尾部(上隅角附近)存在瓦斯積聚區域Ⅲ，上隅角瓦斯濃度超限會對回采安全造成極大隱患，在回采過程中必須進行治理。

4 上隅角瓦斯防治措施

4.1 采空區埋管瓦斯抽采

3下109工作面上隅角附近瓦斯濃度超限時，可以采用采空區埋管抽采采空區內的瓦斯。其原理是在埋管口附近形成一個負壓區，讓周圍瓦斯向管內流動，以抽出采空區內的瓦斯。

在3下109工作面布置雙埋管，其雙管布置示意圖見圖3.

圖3 埋管抽采采空區瓦斯示意圖

由圖3可以看出，在3下109工作面回風巷設置瓦斯抽采管路，布置抽采管時，間隔30 m設置1個三通管件，其目的是預留采空區埋管的連接口，以便于安裝閥門和抽采篩管，而篩管的直徑與3下109工作面帶式輸送機巷內管路管徑相同。當工作面回采時，瓦斯抽采篩管應當放置在工作面采空區內，通過井下瓦斯移動抽采系統對采空區內的瓦斯進行抽采，降低采空區內瓦斯濃度，減少工作面上隅角瓦斯。工作面繼續向前回采，當推進到下一個三通接口處，接替埋管口已經埋在采空區內3～5 m時，關閉上一個埋管三通接口處的閥門，打開下一個循環的埋管口閥門，以此不斷向前循環，直至工作面回采完畢，達到工作面埋管抽放瓦斯的目的。

4.2 高位鉆孔瓦斯抽采

4.2.1鉆孔高度對抽采效果的影響

在沿工作面傾向相同位置處，設置不同終孔高度的單一鉆孔對采空區瓦斯進行抽采，對通過鉆孔壁面的瓦斯質量流量分數進行加權平均，可以得出鉆孔抽采瓦斯濃度規律，見圖4.

圖4 不同高度鉆孔抽采瓦斯濃度變化曲線圖

由圖4可知，在單一鉆孔抽采條件下，隨著鉆孔終孔高度的逐漸增加，瓦斯濃度呈現先升高后降低的趨勢，由此可以確定抽采瓦斯濃度有一個峰值，對應鉆孔高度為27 m，為3下109工作面采高的6倍。因此，在采用高位鉆孔抽放工作面上隅角瓦斯時，為了達到最優抽放效果，應當將鉆孔位置布置在工作面6倍采高處。

4.2.2鉆孔數量對抽采效果的影響

鉆孔數量也是影響高位鉆孔瓦斯抽放效果的一個重要因素。在3下109工作面鉆孔高度一定的情況下，布置不同數量的鉆孔，研究鉆孔數量對瓦斯抽采的效果，不同數量鉆孔與瓦斯抽采效果關系見圖5. 其中，鉆孔的布置高度為工作面采高的6倍，鉆孔布置的數量為1～5個，鉆孔水平方向間距為8 m.

圖5 鉆孔抽采效果與鉆孔數量關系曲線圖

由圖5可以看出，由于在傾向上不同位置處巖體的孔隙率和滲透性系數發生變化，隨著鉆孔在工作面傾向上數量的增加，鉆孔抽采效果具有如下特征：

1) 由于采空區內瓦斯濃度由回風巷側向進風巷側有逐漸減小趨勢，因此，在抽采泵能力確定時，隨鉆孔數量的增加，低濃度瓦斯抽采量增大，平均瓦斯濃度逐漸減小。

2) 鉆孔瓦斯抽采混合量逐漸增加，且增長速度逐漸減小。

3) 受瓦斯抽采量和抽采濃度變化的影響，隨著鉆孔數量的增加，瓦斯抽采純量具有開始時先急劇增加而后趨于平穩的特征。

4.2.3工作面高位鉆孔設計

在3下109工作面回風巷布置的鉆場內向采空區冒落拱上方的裂隙帶內呈扇形施工2個高位鉆孔，鉆孔布置參數見表1.

表1 工作面高位鉆孔技術參數表

5 效果檢驗

3下109工作面采用采空區埋管瓦斯抽采方法和高位鉆孔瓦斯抽采方式抽采瓦斯，在工作面回采期間對上隅角瓦斯濃度進行實時監測，對不同抽采方式效果進行統計，得到表2.

表2 不同瓦斯抽采方法抽采瓦斯效果統計表

由表2可知，在3下109工作面采用高位鉆孔抽采瓦斯127天，抽采量297 151 m3；采用采空區埋管抽采瓦斯98天，抽采量35 741 m3，兩者共抽采瓦斯332 898 m3，抽采效果良好，有效防治了上隅角瓦斯突出。

6 結 論

1) 分析了上隅角瓦斯濃度影響因素，根據3下109工作面地質條件，確定該工作面主要影響因素為采空區遺煤。

2) 對不抽采條件下3下109工作面采空區瓦斯分布特征進行數值模擬，得出在工作面回風巷尾部(上隅角附近)存在瓦斯積聚區域。

3) 對工作面上隅角瓦斯積聚區域采用采空區埋管和高位鉆孔瓦斯抽采方式抽采瓦斯，并進行了抽采效果檢驗。結果表明，采用以上措施避免了工作面上隅角區域瓦斯積聚，保證了安全回采。