仰采工作面瓦斯運(yùn)移規(guī)律與治理技術(shù)研究

文/劉殿平

煤礦瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重威脅著礦井安全生產(chǎn)。工作面因受地質(zhì)條件、采區(qū)設(shè)計(jì)、開(kāi)采技術(shù)的影響，部分工作面采用仰斜開(kāi)采，采空區(qū)瓦斯向工作面運(yùn)移，極易造成工作面上隅角瓦斯積聚，影響井下安全生產(chǎn)。

開(kāi)灤能源化工股份公司呂家坨礦業(yè)分公司根據(jù)呂家坨煤礦地質(zhì)條件，針對(duì)5492仰采工作面上隅角瓦斯積聚問(wèn)題以及仰采工作面采空區(qū)瓦斯易涌入工作面的特點(diǎn)，通過(guò)分析仰斜開(kāi)采工作面瓦斯運(yùn)移規(guī)律以及上隅角瓦斯積聚原因，提出了采用瓦斯稀釋器、充氣風(fēng)筒、高位鉆孔抽采等綜合瓦斯治理方案，取得了較好的瓦斯治理效果，確保了工作面安全高效生產(chǎn)。

一、 5492工作面概況

5492工作面位于呂家坨主背斜南翼，其中有一復(fù)向斜軸斜交穿過(guò)工作面。地面標(biāo)高+27.23m，水平標(biāo)高-684.6～-539.6m，走向長(zhǎng)度745.15m，傾斜長(zhǎng)度165.4m。屬于穩(wěn)定中厚9煤層，厚度在工作面范圍內(nèi)為1.5～2.7m之間變化，平均煤厚為2.0m。局部受巖漿巖侵入影響，煤層遭到破壞，煤層中含有天然焦和火成巖。上覆8煤層工作面沒(méi)有采動(dòng)工程，下部主采的12煤層沒(méi)有采動(dòng)工程。工作面傾角0度，軌道巷平均10度仰采，采用走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化采煤法開(kāi)采，全部垮落法處理采空區(qū)。

工作面上、下煤層都沒(méi)有采動(dòng)影響，原始瓦斯含量未得到釋放，在掘進(jìn)軌道巷與皮帶巷期間，單巷使用2×15kW對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)、直徑600mm軟質(zhì)風(fēng)筒送風(fēng)，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?.3%左右，絕對(duì)瓦斯涌出量1.2m3/min左右。在回采期間回風(fēng)流瓦斯?jié)舛仍?.2%～0.4%之間，當(dāng)采空區(qū)周期來(lái)壓、頂板垮落時(shí)，回風(fēng)流瓦斯超過(guò)0.65%，正常瓦斯絕對(duì)涌出量3.5m3/min左右。

二、5492工作面上隅角瓦斯積聚與涌出原因分析

1.風(fēng)流對(duì)沖作用

一源一匯的“U”型采煤工作面，采空區(qū)內(nèi)的瓦斯，在受到漏入采空區(qū)的風(fēng)流對(duì)沖作用下，其瓦斯運(yùn)移與瓦斯?jié)舛鹊姆植季哂幸欢ǖ囊?guī)律性，具體流動(dòng)規(guī)律為：風(fēng)流從進(jìn)風(fēng)巷道漏進(jìn)采空區(qū)后，在射流慣性的作用下，風(fēng)流會(huì)將其附近的瓦斯一起帶到采空區(qū)深部，致使采空區(qū)深部瓦斯?jié)舛壬?。同時(shí)，在回風(fēng)巷道負(fù)壓的帶動(dòng)下，采空區(qū)內(nèi)部的瓦斯會(huì)被回風(fēng)風(fēng)流帶入工作面。這是5492工作面上隅角瓦斯積聚與涌出的原因之一。

2.空氣浮力作用

采空區(qū)內(nèi)瓦斯的密度比空氣的密度相對(duì)要小，如果采空區(qū)的上下角之間有高差時(shí)，在受到采空區(qū)內(nèi)空氣浮力的作用下，瓦斯會(huì)向上隅角流動(dòng)，致使上隅角成為高濃度瓦斯集中涌出地。這也是導(dǎo)致工作面上隅角瓦斯?jié)舛容^高的重要原因。

3.壓差因素

高速風(fēng)流從進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)入回采工作面，清洗工作面后經(jīng)回風(fēng)巷流出，按“伯努利原理”可知：風(fēng)流速度大的區(qū)域，壓力?。伙L(fēng)流速度小的區(qū)域，壓力大。采空區(qū)風(fēng)流流速小，壓力大，致使采空區(qū)的瓦斯隨風(fēng)流一起向工作面運(yùn)移。

通過(guò)分析這些綜合因素可知，漏風(fēng)流攜帶大量瓦斯運(yùn)移到上隅角區(qū)域，然而上隅角風(fēng)流風(fēng)速較小，局部區(qū)域存在風(fēng)渦流現(xiàn)象，渦流運(yùn)動(dòng)致使采空區(qū)涌出的大量高濃度的瓦斯很難進(jìn)入主風(fēng)流中，從而引起瓦斯源源不斷向上隅角涌來(lái)，最終導(dǎo)致上隅角瓦斯積聚，直至超限。圖1清晰地表明，上隅角成為采空區(qū)瓦斯集中涌出源。

圖1 瓦斯隨風(fēng)流流向上隅角示意圖

三、回采期間上隅角面臨的問(wèn)題

5492采煤工作面采空區(qū)在上隅角漏風(fēng)形成渦流，同時(shí)將采空區(qū)內(nèi)部帶出的高濃度瓦斯由上隅角涌出，造成瓦斯?jié)舛瘸^(guò)1%現(xiàn)象；瓦斯比空氣輕，仰角開(kāi)采時(shí)，采空區(qū)高濃度瓦斯涌向上隅角，造成上隅角瓦斯?jié)舛瘸^(guò)1%現(xiàn)象，甚至超過(guò)1.5%現(xiàn)象；上隅角內(nèi)部采空區(qū)出現(xiàn)2～3m以上頂板不落板，造成內(nèi)部瓦斯出現(xiàn)超過(guò)2%的積存空間。

四、上隅角瓦斯治理措施

在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，采煤工作面上隅角處于采空區(qū)漏風(fēng)與工作面風(fēng)流的交匯處，也是采空區(qū)內(nèi)積存的高濃度瓦斯向外釋放的通道，極易形成瓦斯積聚，直接威脅安全生產(chǎn)。為此，提出5492工作面上隅角瓦斯綜合治理技術(shù)措施。

1.使用風(fēng)障治理上隅角瓦斯

使用風(fēng)障治理上隅角瓦斯是最常使用的方法，優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是使用絞車回撤上隅角棚子、液壓支柱時(shí)，為避免風(fēng)障遮擋視線問(wèn)題被迫將上隅角風(fēng)障取消，存在產(chǎn)生摩擦火花引起瓦斯燃燒與爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

2.消除瓦斯積存空間

在軌道巷距離工作面20m以外，提前放振動(dòng)炮預(yù)裂頂板，促使上隅角附近頂板及時(shí)垮落，消除瓦斯積存空間。

3.使用瓦斯稀釋器吹散瓦斯

使用WX-80型單管瓦斯稀釋器或雙管瓦斯稀釋器吹散瓦斯，優(yōu)點(diǎn)之一是使用絞車回撤上隅角棚子、液壓支柱時(shí)，不影響回撤人員視線，避免因被迫將上隅角風(fēng)障取消，產(chǎn)生摩擦火花引起瓦斯燃燒與爆炸風(fēng)險(xiǎn)；優(yōu)點(diǎn)之二是噪聲小，只有35分貝。

4.使用風(fēng)水噴霧器吹散瓦斯

自行制作風(fēng)水噴霧器，噴霧器后面兩個(gè)接頭分別接壓風(fēng)與防塵水管路，噴嘴噴向上隅角采空區(qū)瓦斯積存空間，采空區(qū)瓦斯積存空間濕度增大，降低采空區(qū)矸石互相摩擦產(chǎn)生火花與矸石掉落產(chǎn)生撞擊火花風(fēng)險(xiǎn)。

5.高位鉆孔抽放治理上隅角瓦斯

在掘進(jìn)期間瓦斯涌出量不大，礦井9煤層一直未進(jìn)行過(guò)抽放瓦斯，沒(méi)有施工鉆場(chǎng)。采取小距離、高密度高位鉆孔抽放瓦斯，鉆孔打在裂隙帶，每10～15m施工兩個(gè)鉆孔，先鉆進(jìn)50～60m，然后全孔注發(fā)泡水泥，填滿鉆孔、堵塞與軌道巷的裂隙，凝固24小時(shí)后再對(duì)鉆孔通孔、鉆進(jìn)，減少抽放瓦斯時(shí)漏風(fēng)量，提高抽放效果。缺點(diǎn)是發(fā)泡水泥注漿后容易脫落，堵塞鉆孔，造成抽放負(fù)壓高、效果差。應(yīng)輔以多鉆孔抽放等相互補(bǔ)充措施。

6.充氣風(fēng)筒充填采空區(qū)治理瓦斯

使用不漏氣的舊風(fēng)筒，割成3～5m不等長(zhǎng)度，一端使用線繩捆牢，使用長(zhǎng)桿挑入采空區(qū)，另一端使用直徑10mm的壓風(fēng)管插入風(fēng)筒，使用線繩捆牢風(fēng)筒，打開(kāi)壓風(fēng)，吹鼓風(fēng)筒，將壓風(fēng)開(kāi)至漏風(fēng)與補(bǔ)充壓風(fēng)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，使充氣風(fēng)筒處于鼓脹狀態(tài)，填充采空區(qū)。優(yōu)點(diǎn)是比使用充填材料裝袋子充填采空區(qū)速度快、省工、省事。

五、結(jié)論與建議

在工作面上隅角設(shè)置擋風(fēng)簾，可以阻擋瓦斯流動(dòng)集聚；使用風(fēng)水噴霧器吹散瓦斯，增加上隅角、采空區(qū)空氣濕度，能夠降低矸石摩擦與撞擊火花風(fēng)險(xiǎn)；使用瓦斯稀釋器代替風(fēng)障，避免回撤上隅角棚子、液壓支柱時(shí)取消風(fēng)障而造成瓦斯積聚；使用發(fā)泡水泥堵塞鉆孔裂隙，能夠提高抽放瓦斯效果；使用充氣風(fēng)筒充填上隅角瓦斯積存空間，速度快、省工、省時(shí)。

采取上述綜合瓦斯治理方法后，5492工作面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛绕椒€(wěn)控制在0.2%左右，上隅角瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.5%以下。工作面產(chǎn)量由原來(lái)的3000t/d提高了3800t/d，大大提高了工作面生產(chǎn)效率，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

實(shí)踐表明，對(duì)于絕對(duì)瓦斯涌出量小的低瓦斯礦井，尤其是瓦斯抽放系統(tǒng)未完善、瓦斯治理經(jīng)驗(yàn)不足的礦井，通過(guò)在上隅角設(shè)置擋風(fēng)簾以及應(yīng)用瓦斯稀釋器、風(fēng)水噴霧器、充氣風(fēng)筒、高位鉆孔瓦斯抽采相結(jié)合的方法，可以對(duì)工作面上隅角瓦斯集聚起到良好的控制作用。