綜采工作面上隅角瓦斯綜合治理技術應用

張良飛

(西山煤電(集團)有限責任公司 官地礦， 山西 太原 030022)

瓦斯作為井工礦井安全生產的重大威脅因素，一直都是管理的重難點。隨著礦井集約化程度的提高，開采規模越來越大，瓦斯涌出量也越來越大，特別是采空區瓦斯，極易造成U型通風工作面上隅角瓦斯積聚甚至超限，制約礦井安全生產。官地礦根據井下各工作面實際回采布局及瓦斯涌出情況，采取了合理的上隅角瓦斯治理技術，以控制瓦斯濃度，保證安全生產。

1 礦井概況

官地礦隸屬于山西焦煤集團西山煤電有限責任公司，是一座大型現代化省屬重點煤礦，核定生產能力390萬t/年。礦井絕對瓦斯涌出量為92.88 m3/min，相對瓦斯涌出量為12.73 m3/t，屬高瓦斯礦井。煤層透氣性系數在0.57～2.13 m2/MPa2·d. 礦井現布置3個回采工作面，分別為23512綜采工作面、36408綜采工作面、29409綜放工作面，皆根據工作面瓦斯涌出情況在本煤層瓦斯抽采的基礎上采取了上隅角瓦斯治理“一面一策”模式，其中23512綜采工作面絕對瓦斯涌出量為6.11 m3/min，上隅角采取懸空拖管瓦斯治理方式。36408綜采工作面絕對瓦斯涌出量為8.62 m3/min，上隅角采取采空區埋管+高位鉆孔瓦斯治理方式。29409綜放工作面絕對瓦斯涌出量為10.13 m3/min，上隅角采取采空區埋管+高位鉆孔+大孔徑鉆孔瓦斯治理方式，3個工作面瓦斯均得到了有效治理。因此，在分析采煤工作面瓦斯情況的基礎上，采取上隅角相應的瓦斯治理組合模式，既經濟又安全，確保了礦井高效回采。

2 上隅角瓦斯積聚機理

采煤工作面上隅角積聚瓦斯主要來自于支架后部采空區，而采空區的瓦斯主要來源于兩部分：1) 受采動影響鄰近層涌入的瓦斯。2) 回采遺浮煤自身解析積聚的瓦斯。在采空區近工作面區域，由于受漏風風流沖刷擾動明顯，呈現出瓦斯流速大,瓦斯濃度梯度從回風側至近風側降幅明顯、從支架切線至采空區方向增幅明顯等特點，大部分瓦斯被攜帶至工作面上隅角區域。隨著工作面的推進，采空區漏風逐漸減少直至深部區域沒有漏風，瓦斯分布也趨于平衡，直至達到靜止狀態。根據上述采空區瓦斯濃度分布及流體運移規律，將采空區瓦斯分布劃分為三帶，即瓦斯涌出帶、過渡帶及滯留帶，因此控制采空區回風側涌出帶瓦斯是上隅角瓦斯治理技術的關鍵。

3 上隅角瓦斯綜合治理技術

3.1 懸空拖管抽放

懸空拖管具有操作方便、抽放點連續的特點，能夠與工作面的推進進度吻合，而且管材可以回收，降低了碎石與遺管摩擦火花風險，既經濟又安全。官地礦23511綜采工作面絕對瓦斯涌出量為8.61 m3/min，相對較小，所以上隅角采取懸空拖管瓦斯治理模式，效果良好。

懸空拖管抽放示意圖見圖1，在23511綜采工作面回風巷布置一趟d325 mm低濃抽放管路，一直延伸至工作面煤壁切線往推進方向5～20 m處，并且改換d200 mm波紋可伸縮擺動軟管繼續延接至1#支架前立柱向后200 mm處，在距煤壁150 mm、巷道高度2/3處固定進行瓦斯抽放。隨著工作面的推進，在端頭密集支護掩護下，人工根據實際情況隨時挪移抽放波紋管，使抽放點一直保持在1#支架前立柱后200 mm處。當上隅角未隨采隨落，出現空頂時，在1#支架前立柱處跺袋子阻隔，并且使抽放點剛好位于阻隔采空區側。

圖1 懸空拖管抽放示意圖

3.2 采空區埋管抽放

埋管抽放屬于一種開放式的瓦斯抽采，通過抽采管路末端敞開式埋管在上隅角區域形成的負壓區，直接將采空區高濃度瓦斯通過埋管系統抽出，36408綜采工作面埋管抽放系統見圖2. 該系統在回風巷布置一趟d325 mm低濃抽放管路，并且在末端通過彎頭連接一趟d325 mm、高度1 800 mm、上部帶窗的豎管，末端豎管延伸至工作面后部采空區進行瓦斯抽放。埋管抽放的關鍵在于末端豎管位置，其位于采空區后5～30 m的瓦斯涌出帶時抽放效果良好，所以在豎管埋入采空區后一定長度時開啟抽放，同時準備埋入第二趟管路，兩趟管路豎管間距保持為20 m，當第二趟管路豎管埋入采空區后，與第一趟埋入管路對接更換，甩去第一趟管路開啟第二趟管路抽放，如此循環交替，直至工作面回采結束。

3.3 高位長鉆孔裂隙帶抽放

根據采場覆巖移動規律，采空區在礦山壓力影響下在豎直方向上形成了冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶三帶，在水平方向上形成了煤壁支撐區、離層區、后部壓實區三區。高位長鉆孔沿回風巷頂板走向布置在回風巷側裂隙帶內，通過采動影響下形成的裂隙通道，將采空區涌出及鄰近層涌入的高濃度瓦斯帶入抽采系統，同時在終孔位置離層裂隙帶形成的負壓區，也使得上隅角區域流場重新分布，相對減少了上隅角瓦斯積聚。

圖2 采空區埋管抽放示意圖

高位長鉆孔裂隙帶抽放關鍵在于終孔位置的選擇，官地礦36408綜采工作面高位長鉆孔布置示意圖見圖3. 鉆孔布置在回風順槽斜向切眼方向，開孔位置在巷道頂幫交界處，在切眼外30 m處布置第一個鉆場，鉆場間距30 m，每個鉆場施工4個鉆孔，孔徑113 mm. 1#鉆孔終孔距煤壁水平投影取15 m，終孔垂高取煤層厚度6倍14.94 m；2#鉆孔終孔距煤壁水平投影取25 m，終孔垂高取煤層厚度6倍14.94 m；3#鉆孔終孔距煤壁水平投影取35 m，終孔垂高取煤層厚度8倍19.92 m；4#鉆孔終孔距煤壁水平投影取45 m，終孔垂高取煤層厚度8倍19.92 m. 參數見表1.

圖3 高位長鉆孔布置示意圖

表1 高位長鉆孔參數表

3.4 超大直徑鉆孔瓦斯抽放

超大直徑鉆孔瓦斯抽放是在傳統U+L巷道布置上演變來的。傳統的U+L通風方式通過橫貫將上隅角積聚瓦斯截流至瓦斯治理巷，治理效果良好，回采速度也大大提高，但其橫貫施工封閉工程量大，維護成本高，且治理巷瓦斯大易超限，而超大直徑鉆孔抽采恰好彌補了這一缺陷，既減少了橫貫的施工，又使用管路排放了瓦斯，更安全高效。

官地礦29409綜放工作面超大直徑鉆孔抽放系統見圖4，利用大孔徑鉆機從29409瓦斯治理巷向工作面回風順槽垂直煤壁打d380 mm大孔徑鉆孔，終孔高度為距巷道底板2 m，孔間距為30 m，并且保持末端位于采空區瓦斯涌出帶的兩孔帶抽，隨工作面推進不斷前移更替帶抽孔，直至回采結束。

圖4 超大孔徑瓦斯抽放示意圖

3.5 沿空留巷Y型通風瓦斯治理

Y型通風是指在工作面的上下兩端各設一條進風巷，另在采空區一側設回風道的通風方式，它與傳統U行通風方式不同，上隅角不易積聚瓦斯，且回收了煤柱。官地礦12605工作面 Y型通風布置示意圖見圖5，工作面兩順槽均為進風，風流經工作面在上隅角匯合后由采空側留巷經12607備用面流出，由于工作面所配風量全部用以稀釋上隅角瓦斯，所以瓦斯治理效果良好，而且該布局在采掘接替、經濟效益方面也很可觀。

圖5 12605工作面Y型通風示意圖

4 瓦斯治理情況

各工作面上隅角瓦斯濃度隨推進變化情況見圖6. 由圖6可以看出，各工作面上隅角瓦斯濃度均控制在0.5%以下，多數時間能夠控制在0.3%上下，遠低于《煤礦安全規程》要求的1.5%，瓦斯控制效果良好。工作面瓦斯風排及抽采量變化曲線見圖7、8. 由圖可以看出，各工作面瓦斯抽采量均比較穩定，23512和12605工作面由于采取的抽采方式單一，抽采量穩定在2 m3/min左右，而36408和29409工作面由于采用了多種瓦斯抽采組合方式，抽采量明顯提升，能夠穩定在6 m3/min左右，但無論是哪種抽采組合方式，工作面的風排瓦斯量雖小有波動，可均未超5 m3/min，表明根據工作面瓦斯賦存規律，采取合適的治理模式，作業空間瓦斯涌出得到了有效控制。

圖6 上隅角瓦斯濃度變化曲線圖

圖7 風排瓦斯量變化曲線圖

圖8 抽采瓦斯量變化曲線圖

5 結 論

1) 官地礦23512、36408、29409、12605工作面絕對瓦斯涌出量分別為6.11 m3/min、8.62 m3/min、10.13 m3/min、6.87 m3/min，根據瓦斯涌出量大小，針對上隅角瓦斯，礦井在瓦斯涌出量較小的工作面采取了懸空拖管抽放單一治理方式，在瓦斯涌出量較大的工作面采取了采空區埋管抽放結合高位長鉆孔裂隙帶抽放、超大孔徑鉆孔抽放的組合治理方式，而在條件允許的12605工作面采取了Y型通風瓦斯治理，上隅角在采取相應的瓦斯治理方式后，瓦斯涌出量大大減小，濃度也控制在了合理范圍內，瓦斯得到了有效治理。

2) 上隅角懸空拖管抽放、采空區埋管抽放、高位長鉆孔裂隙帶抽放、超大孔徑鉆孔抽放及Y型通風瓦斯治理各有優劣，其瓦斯治理效果逐步增強，在分析工作面布局、瓦斯情況的基礎上，綜合考慮人力、經濟等方面因素，選擇合適的瓦斯治理組合模式，可以確保工作面安全高效回采。

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