采煤工作面上隅角瓦斯治理分析與應用

何 清

（山西保利鐵新煤業有限公司，山西 靈石 031300）

鐵新煤礦開采石炭系上統太原組和二疊系下統山西組煤層，煤種為肥煤、焦煤，目前開采9#煤層，礦井生產能力90萬t/a，瓦斯礦井，通風方式為中央分列抽出式，工作面采用一進一回“U”型通風。隨著裝備水平和工人操作熟練程度的提升，工作面單產不斷提高，加之受構造、礦壓等因素的影響，瓦斯涌出量不斷增加，工作面上隅角出現了瓦斯超限，瓦斯問題成了制約礦井安全生產的首要問題。通過現場觀察和試驗，采取了開缺口、設導風簾、上隅角瓦斯抽采等瓦斯治理手段，取得了良好的效果。

1 瓦斯的來源

9104工作面面長150m，走向長950m，煤層傾角5°，煤層厚度1.28m，屬薄煤層。頂板為石灰巖，平均厚度8.56m，底板為砂質泥巖，厚度2.0～2.5m，采用綜合機械化一次采全高，垮落法管理頂板，鄰近層為10#煤未開采，煤層厚度平均約4.5m，與9#煤層間距平均約2.2m。通過瓦斯涌出量預測，測定了9104工作面瓦斯的構成，如表1所示。

表1 9104工作面瓦斯涌出量構成

從表1可知：9104工作面瓦斯一少部分來源于開采層的煤壁和落煤解吸的瓦斯，絕大部分來源于采空區，而采空區瓦斯涌出主要來自受采動影響的底板10#煤層涌出的瓦斯。

在近距離煤層開采條件下，受采動影響，鄰近層煤層受到擠壓和破壞，產生變形和裂隙，煤層透氣性大幅度提高，此時游離態的瓦斯便向孔隙和裂隙中滲透擴散，進而從采空區隨著風流溢散出來，致使開采層瓦斯涌出量增大。

2 上隅角高瓦斯產生機理及瓦斯涌出影響因素

2.1 高瓦斯產生的機理

2.1.1 風流狀態

9104工作面采用“U”型通風，漏風流線大多是流經采空區深部的流線，攜帶瓦斯量大，而上隅角風流速度較小，局部區域存在風渦流現象，渦流運動使采空涌出的大量高體積分數瓦斯難以進入主風流中，從而引起高體積分數瓦斯流在上隅角附近循環運動，導致工作面的主風流無法將其中的瓦斯帶走，最終形成瓦斯積聚，造成上隅角瓦斯超限，如圖1所示。

圖1 采用“U”型通風的工作面瓦斯狀態

2.1.2 壓差

高速風流從進風巷進入回采工作面，清洗工作面后經回風巷流出，按“伯努利原理”可知：風流速度大的區域，壓力小，風流速度小的區域，壓力大。采空區風流速度小，壓力大，在壓差的作用下，采空區風流向回采工作面運移，同時將溢散的瓦斯攜帶出，采煤工作面的風流在上隅角處轉彎，造成風流速度減緩，風流速度減小，壓差大大降低，甚至出現紊流，不能及時將瓦斯稀釋擴散，從而造成上隅角瓦斯增高。

2.2 瓦斯涌出的影響因素

2.2.1 地質構造

9104工作面地層總體受S2背斜的控制，S2背斜軸向近東西，向西昂起，貫穿整個井田，地層傾角較平緩，相對封閉，有利于瓦斯的儲存。工作面自2017年1月18日開采以來，共揭露3組傾向正斷層，落差1.0～6m之間，貫穿整個工作面，如圖2所示。

圖2 9104工作面布置圖

由于斷層的落差在1.0～6m之間，而煤層及底板厚度僅為1.28m和2.2m，破壞了9#煤層底板砂質泥巖的完整性，甚至揭露10#煤層，致使臨近層的瓦斯大量涌出，導致工作面瓦斯濃度升高。

通過回采期間安全監測監控系統曲線圖（圖3）可以看出：從3月份開始，9104工作面上隅角瓦斯濃度由兩月前的0.32%增大到0.52%，而這期間工作面正在連續過斷層，由此而見，斷層對瓦斯的涌出影響是很大的。

圖3 9104工作面瓦斯濃度曲線

2.2.2 礦山壓力

煤巖層孔、裂隙率是決定瓦斯涌出量大小的決定性因素。孔、裂隙率受礦山壓力變化的影響，并且工作面基本頂是平均厚度8.56m的極堅硬的K2石灰巖，整體性好，塊度大，比較致密和堅硬，單軸抗壓強度71.7MPa，普氏系數f=9～11，開采后不易冒落，造成懸頂。當工作面基本頂來壓時，壓力變化劇烈，不僅超前壓力作用于煤層，而且采空區頂板大面積垮落，造成開采層及臨近層煤巖層孔、裂隙率增大，增加了瓦斯溢散通道，造成瓦斯涌出量增大。為了研究礦山壓力與瓦斯涌出量的關系，統計了2017年7月份9104工作面瓦斯濃度趨勢曲線變化圖，如圖4所示。

圖4 9104工作面瓦斯濃度曲線

由圖4發現：9104工作面瓦斯涌出量最大值的間隔在5～6d左右，工作面推進度為18～29m（日實際推進度3.6～4.8m）。鐵新煤礦自2009年9月份投產以來，已開采了11個工作面，經過礦壓部門的監測與分析，9#煤層頂板周期來壓步距在18～25m之間，與工作面瓦斯涌出濃度峰值步距基本相同，由此印證了礦山壓力的變化與瓦斯涌出量之間的關系。

3 瓦斯治理措施

3.1 進風側開缺口

在工作面進風側提前開缺口，引導風流從工作面流入，并在進風隅角切頂排處打設擋內簾，減少向老塘漏風（見圖5），避免了風流將采空區高濃度瓦斯導出。缺口保持超前不少于3m，規格：長×寬=3m×1.5m。

圖5 開缺口示意圖

3.2 控制懸頂面積

采空區暴露面積及空間范圍大，為瓦斯儲蓄提供了空間，而采煤工作面在兩端頭附近頂板不易冒落，特別是上隅角處，更為瓦斯積聚提供了良好的空間，采取強制放頂措施，能減少隅角懸頂面積，破壞瓦斯儲蓄空間。

3.3 風簾導風稀釋瓦斯

在工作面機尾與上隅角切頂排之間設置45°角的導風簾，將工作面風流通過導風簾引導至上隅角，稀釋上隅角積聚瓦斯，從而起到降低上隅角瓦斯濃度的作用。

3.4 推進度掌控

工作面兩巷推進度也對通風質量帶來影響，進而影響稀釋瓦斯效果。正常狀態下，兩巷的推進度應保持一致，使回采工作面與兩順槽相垂直，在瓦斯涌出異常時，為了使通風更順暢，通風質量更好，掌控進風順槽的推進度，適當超前回風順槽5～10m，即優化了通風路線，又減少了采空區瓦斯的運移量。

3.5 上隅角瓦斯抽放

上隅角瓦斯抽采的主要原理是在工作面上隅角形成一個負壓區，讓周圍瓦斯向負壓區流動，通過瓦斯抽放管路，排出瓦斯。將瓦斯抽放管路接設到工作面上隅角處砂袋壁內，在上隅角切頂排處提前打設好砂袋壁，在瓦斯涌出量大時，利用井下臨時移動瓦斯抽放泵將上隅角高濃度瓦斯抽放至采區回風巷進行稀釋，加裝管道甲烷傳感器和排放出口15m處安設甲烷傳感器，對抽放的瓦斯進行實時監測，實現安全排放，從而解決上隅角瓦斯超限問題。

9104工作面采用2臺ZWY210/250-G型大流量井下移動瓦斯抽放泵，一使一備，對上隅角進行抽放。在材料巷接設1趟直徑377mm抽放管路置于上隅角砂袋壁內。抽放混量平均110m3/min，抽放濃度1.3～1.4%，平均抽放瓦斯量1.5m3/min。

9104工作面采取以上措施后，9104工作面上隅角瓦斯濃度控制在0.20%左右，取得了良好的應用效果。

4 結語

瓦斯災害一直困擾著煤礦的安全生產，尤其是上隅角極易發生瓦斯超限和積聚事故。通過對鐵新煤礦9104工作面瓦斯的來源和影響因素進行分析，印證了煤層地質構造及采動影響造成的礦山壓力對瓦斯涌出量的促進關系，采取了以上隅角抽放為主的瓦斯治理綜合措施，保證了安全開采。