采煤工作面上隅角瓦斯抽采技術(shù)的探索

孟鐵中

（西山煤電有限責(zé)任公司官地煤礦，山西 太原 030022）

引言

瓦斯管理是礦井安全系統(tǒng)工程和“一通三防”管理中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，同時(shí)也是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，更是礦井安全生產(chǎn)的嚴(yán)重威脅。近年來(lái)隨著采掘工藝、裝備技術(shù)的迅猛發(fā)展，智能化工作面的建設(shè)，采掘效率得到極大提升，瓦斯涌出量也急劇增加，采掘工作面瓦斯超限現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，其中采煤工作面上隅角瓦斯問(wèn)題尤為突出，嚴(yán)重制約了礦井的安全生產(chǎn)。因此分析采煤工作面上隅角瓦斯來(lái)源，找出治理辦法，探索適用瓦斯治理技術(shù)，對(duì)礦井安全生產(chǎn)著實(shí)必要。

1 上隅角瓦斯的來(lái)源和積聚機(jī)理

1.1 上隅角瓦斯的來(lái)源

一是采煤工作面生產(chǎn)時(shí)落煤釋放的瓦斯隨風(fēng)流帶入上隅角；二是采空區(qū)遺煤殘留的瓦斯在風(fēng)壓作用下向上隅角移動(dòng)；三是隨工作面推進(jìn)，采空區(qū)上部頂板垮落后上覆煤巖層內(nèi)釋放出的瓦斯涌到采空區(qū)，在風(fēng)壓的作用下移動(dòng)到上隅角；四是采空區(qū)內(nèi)下鄰近煤巖層在礦壓作用下產(chǎn)生大量的裂隙，煤巖層內(nèi)瓦斯卸壓后釋放到采空區(qū)內(nèi)在風(fēng)壓的作用下移動(dòng)到上隅角。

1.2 積聚機(jī)理

1）采煤工作面采空區(qū)遺留浮煤的殘存瓦斯和上下鄰近層缷壓釋放的瓦斯大量涌入采空區(qū)，加之采空區(qū)內(nèi)風(fēng)路不暢通、通風(fēng)阻力大、流經(jīng)風(fēng)量有限，造成采空區(qū)內(nèi)積聚大量高濃度瓦斯，相對(duì)空氣而言采空區(qū)內(nèi)含瓦斯的空氣密度較小，產(chǎn)生自然上升力，在風(fēng)壓的作用下向上隅角方向不斷運(yùn)動(dòng)，從而使采空區(qū)內(nèi)高濃度瓦斯不斷集中向上隅角。

2）“U”型通風(fēng)系統(tǒng)的采煤工作面是煤礦井下最常使用的系統(tǒng)，在進(jìn)、回風(fēng)巷的風(fēng)壓差作用下，風(fēng)流中的瓦斯由工作面流向回風(fēng)上隅角，大部分隨風(fēng)流排入回風(fēng)巷，部分在上隅角與采空區(qū)涌出的瓦斯混合，并難以被風(fēng)流稀釋帶走，形成瓦斯匯集點(diǎn)。

3）“U”型通風(fēng)系統(tǒng)的采煤工作面，風(fēng)流在上隅角處直角拐彎，形成渦流區(qū)，因渦流循環(huán)運(yùn)動(dòng)的存在，使采空區(qū)涌出的高濃度瓦斯難以進(jìn)入主風(fēng)流被稀釋排出，而是滯留在上隅角附近循環(huán)運(yùn)動(dòng)，從而形成上隅角局部瓦斯積聚。

2 上隅角瓦斯治理對(duì)策

“U”型通風(fēng)的采煤工作面優(yōu)點(diǎn)很多，巷道工程量少，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，易于管理；缺點(diǎn)主要是回風(fēng)隅角易積聚瓦斯。隨著瓦斯治理技術(shù)的不斷發(fā)展，高低抽瓦斯治理巷道的使用，瓦斯抽采方法的豐富，高瓦斯工作面采用“U”型通風(fēng)系統(tǒng)越來(lái)越可靠，上隅角瓦斯得到有效治理。瓦斯治理基本方法有兩種，一是風(fēng)排，二是抽采，這里主要論述上隅角瓦斯的抽采技術(shù)。

2.1 懸管抽采法

懸管抽采上隅角瓦斯是常用的一種抽采方法，也是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方式，即抽采管路沿回風(fēng)巷敷設(shè)到上隅角處，用插管的形式伸入切頂線內(nèi)1 m～2 m，一般伸入上隅角支架后部1 m 左右為宜。抽采管路隨支架的拉移向后移動(dòng)回撤。懸管一般采用直徑不小于Φ300 mm 的可伸縮性管路，方便向后移動(dòng)，可在切頂線處壘沙袋墻封堵上隅角來(lái)提高抽采效果，其原理如圖1 所示。優(yōu)點(diǎn)：抽采系統(tǒng)簡(jiǎn)單，抽采管路能回收復(fù)用；缺點(diǎn)：處理瓦斯量較小，管路移動(dòng)頻繁，適用于瓦斯涌出量較小的工作面。

圖1 上隅角懸管抽采

2.2 埋管抽采法

埋管抽采法與懸管法類似，即抽采管路沿回風(fēng)巷底板敷設(shè)進(jìn)采空區(qū)內(nèi)，進(jìn)入前在管路末端安裝帶花眼的立管，立管高度接近頂板即可，立管采用邁步式交替布置，保證抽采的連續(xù)性。隨著工作面的推進(jìn)立管進(jìn)入支架后部可開(kāi)始抽采，埋入采空區(qū)深度一般在10 m～30 m，結(jié)合煤層自然因素深度不超過(guò)30 m，其結(jié)構(gòu)及原理見(jiàn)圖2。優(yōu)點(diǎn)：既可控制上隅角處風(fēng)流方向，還可抽采采空區(qū)內(nèi)的高濃度瓦斯，能很好地控制上隅角瓦斯；缺點(diǎn)：交替邁步布置立管工作量大，抽采管路不能回收復(fù)用，適用于瓦斯涌出量較大的工作面。

圖2 上隅角埋管抽采

2.3 頂板裂隙鉆孔抽采法

裂隙帶鉆孔抽采法是一種傳統(tǒng)的方法，隨著采煤工作面推進(jìn)頂板垮落后采空區(qū)頂板產(chǎn)生冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶“三帶”，上鄰近煤巖的缷壓瓦斯移動(dòng)到裂隙帶內(nèi)積聚。利用施工到裂隙帶的鉆孔，抽采其高濃度瓦斯，來(lái)控制上鄰近煤巖內(nèi)的缷壓瓦斯向采空區(qū)移動(dòng)，同時(shí)將導(dǎo)入裂隙帶的采空區(qū)瓦斯一并抽出，從而控制或減少采空區(qū)瓦斯向上隅角處的移動(dòng)量，其原理示意見(jiàn)圖3。

圖3 頂板裂隙鉆孔抽采

裂隙帶鉆孔的設(shè)計(jì)要特別注意兩點(diǎn)：一是裂隙帶層位的掌握，需要根據(jù)煤層和頂板巖性的狀況，通過(guò)實(shí)踐觀測(cè)統(tǒng)計(jì)來(lái)分析找出最佳的合理參數(shù)；二是鉆場(chǎng)間距和鉆孔疊加長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)需經(jīng)過(guò)試驗(yàn)論證得出。

2.4 頂板鉆孔抽采法

頂板鉆孔抽采法是在裂隙帶鉆孔的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。即在回風(fēng)巷布置鉆場(chǎng)，直接在回風(fēng)巷頂板開(kāi)孔，終孔落在上隅角上部，抽采上隅角頂板上方冒落區(qū)的高濃度瓦斯，在上隅角上部的采空區(qū)形成負(fù)壓區(qū)，來(lái)起到控制其瓦斯的效果，其原理見(jiàn)圖4。通常鉆孔垂高采用采高的5 倍～8 倍，需要根據(jù)實(shí)際情況觀測(cè)統(tǒng)計(jì)得出合理數(shù)據(jù)。與裂隙帶鉆孔的不同處在于頂板鉆孔直接抽上隅角上部采空區(qū)內(nèi)積存的高濃度瓦斯，鉆孔一般布置2 個(gè)～3 個(gè)；而裂隙帶鉆孔抽工作面后部采空區(qū)上部裂隙帶內(nèi)高濃度瓦斯，鉆孔垂高通常采用采高的10 倍～14 倍，布置5～10 個(gè)，且鉆孔伸入工作面10 m～100 m 的范圍，控制面積大。兩種方法針對(duì)抽的瓦斯目標(biāo)有區(qū)別，通常兩種鉆孔綜合來(lái)布置使用。

圖4 頂板鉆孔抽采

2.5 頂板走向長(zhǎng)鉆孔抽采法

這種抽采方法的原理基本與頂板裂隙鉆孔一致，不同之處在于頂板走向長(zhǎng)鉆孔孔徑大，一般在150 mm以上；深度長(zhǎng)，一般至少300 m 以上。需要采用大功率定向鉆機(jī)施工，鉆孔層位能準(zhǔn)確控制，能大量地抽出上鄰近層裂隙帶和采空區(qū)產(chǎn)生的高濃度瓦斯，從而減少采空區(qū)向上隅角處瓦斯涌出量;很好地解決工作面和上隅角的瓦斯，尤其是瓦斯涌出量大的工作面特別適用。裂隙帶層位定位準(zhǔn)確時(shí)，可起到高抽巷的效果。頂板走向長(zhǎng)鉆孔抽采法原理見(jiàn)圖5。

圖5 頂板走向長(zhǎng)鉆孔抽采

2.6 煤柱鉆孔抽采法

煤柱鉆孔抽采法需要在回風(fēng)巷安全幫側(cè)施工一條瓦斯治理巷，在該巷道內(nèi)向回風(fēng)巷施工大直徑鉆孔（300 mm～500 mm），當(dāng)工作面推進(jìn)過(guò)后，鉆孔進(jìn)入到上隅角時(shí)，即可開(kāi)始抽采，通過(guò)大流量的抽采，牽制上隅角處的風(fēng)流方向，從而達(dá)到治理上隅角瓦斯的目的。根據(jù)工作面瓦斯情況布置鉆孔間距一般在15 m～30 m 之間。有自然傾向性的煤層，工作面后部抽采的鉆孔間距不應(yīng)超過(guò)30 m，同時(shí)必須定期觀測(cè)鉆孔內(nèi)的氣體成分，防止自然發(fā)火。具體見(jiàn)圖6。

圖6 大直徑煤柱鉆孔抽采

3 上隅角抽采方法的綜合應(yīng)用

上隅角瓦斯抽采方法均有其適用條件和針對(duì)性，應(yīng)根據(jù)工作面實(shí)際情況來(lái)確定。首先是工作面瓦斯涌出量的大小；第二是工作面瓦斯來(lái)源；第三是工作面頂?shù)装宓拿簬r性等來(lái)綜合選擇，通常是多種方法綜合應(yīng)用。

3.1 瓦斯涌出量較小的采煤工作面

瓦斯涌出量在10 m3/min 以下的工作面，一般可選擇懸管（埋管）或頂板鉆孔抽采法來(lái)解決。因其涌出量較小，能控制住上隅角瓦斯即可，使其不積聚超限。

3.2 瓦斯涌出量較大的采煤工作面

瓦斯涌出量較大時(shí)，就必須認(rèn)真分析其來(lái)源，根據(jù)瓦斯來(lái)源選擇抽采方法。

若以回采層瓦斯為主要來(lái)源的工作面，可采用頂板裂隙鉆孔，頂板鉆孔和大直徑煤柱鉆孔的抽采方法來(lái)綜合治理。因其本煤層瓦斯是工作面的主要來(lái)源，采前必須做好充足的預(yù)抽工作，將煤層可解吸瓦斯含量降到標(biāo)準(zhǔn)以下，做到抽采達(dá)標(biāo)。利用頂板裂隙帶鉆孔來(lái)抽采采空區(qū)裂隙帶的大量高濃度瓦斯，減少其涌向上隅角處的瓦斯量；再用頂板鉆孔和大直徑煤柱鉆孔來(lái)牽制上隅角瓦斯，在上隅角靠采空區(qū)側(cè)形成一個(gè)負(fù)壓區(qū)，使上隅角處瓦斯產(chǎn)生向采空區(qū)內(nèi)的流向，消除渦流，達(dá)到上隅角瓦斯不積聚的目標(biāo)。

若回采層與上鄰近層瓦斯量相當(dāng)時(shí)，在預(yù)抽本煤層瓦斯的同時(shí)，對(duì)上領(lǐng)近層采取大孔徑走向長(zhǎng)鉆孔來(lái)大量抽采上領(lǐng)近層和采空區(qū)的瓦斯，大量降低采空區(qū)向上隅角運(yùn)動(dòng)的瓦斯量，再輔以煤柱鉆孔和頂板鉆孔來(lái)有效牽制上隅角的瓦斯，消除上隅角瓦斯積聚。

若下領(lǐng)近層瓦斯對(duì)工作面回采影響大時(shí)，必須通過(guò)底抽巷或底抽鉆場(chǎng)施工鉆孔來(lái)預(yù)抽或截抽下領(lǐng)近煤巖層涌向開(kāi)采層的瓦斯。

4 結(jié)語(yǔ)

不論采用哪種抽采方法，都必須根據(jù)工作面實(shí)際瓦斯情況，判斷清瓦斯來(lái)源，結(jié)合鄰近工作面的抽采效果，分析掌握抽采數(shù)據(jù)，進(jìn)而找出最合理的抽采方法。瓦斯治理工作，預(yù)抽煤層瓦斯是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，不論本煤層還是上下鄰近層，只有將煤層內(nèi)可解吸瓦斯含量降低到一定的水平，才是瓦斯治理的關(guān)鍵。所以說(shuō)瓦斯治理是一項(xiàng)超前的工程，必須有充足時(shí)間和空間做保障，提前開(kāi)展有效預(yù)抽工作才是采掘工作面治理瓦斯的基礎(chǔ)保障和治本之策。