淺析綜采工作面的瓦斯治理方法

李勇

（云南省能源安全監(jiān)測(cè)中心 云南昆明 650200）

1 概述

瓦斯管理是煤礦礦井安全的重要環(huán)節(jié)，也是薄弱環(huán)節(jié)。防治瓦斯超限是煤礦管理的重點(diǎn)工作，工作面瓦斯的超標(biāo)是影響煤礦生產(chǎn)主要影響因素之一［1-5］。隨著礦井開采機(jī)械化程度的不斷提高，煤礦掘進(jìn)速度大幅度加大。因此，在單位時(shí)間內(nèi)從工作面涌出的瓦斯量急劇增大，瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)現(xiàn)象頻繁發(fā)生。特別是當(dāng)采掘工作面采空區(qū)側(cè)懸頂距離過大時(shí)，上隅角涌出的高濃度瓦斯氣體無法快速擴(kuò)散至風(fēng)流，造成局部瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)不但對(duì)開采人員的身體健康造成威脅，并容易引發(fā)重大安全事故，嚴(yán)重時(shí)給煤礦開采企業(yè)帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失［3-5］。

國內(nèi)某煤礦屬高瓦斯礦井，采用單一走向的長壁后退式綜合機(jī)械化采煤方法，如圖1 所示。通過采用全部垮落法管理頂板，在綜采工作面布置1 臺(tái)雙滾筒采煤機(jī)，選用ZY3800/11/25 型掩護(hù)式液壓支架進(jìn)行護(hù)頂，機(jī)巷和回風(fēng)巷分布采用錨噴支護(hù)。實(shí)際生產(chǎn)中，綜采工作面超前支護(hù)的自煤壁不小于20 m，并采用“一梁三柱”方法進(jìn)行支護(hù)。在機(jī)巷和回風(fēng)巷處，采用DW25-250/100X 型單體液壓支柱，并配合π 型鋼梁進(jìn)行支護(hù)。在綜采工作面上、下端頭附近，采用“四對(duì)八梁”支護(hù)，規(guī)格為DW25-250/100X 型單體柱，配備π 型鋼梁進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。礦井內(nèi)采用U 型通風(fēng)的方式，風(fēng)量滿足正常生產(chǎn)需求。實(shí)際生產(chǎn)過程中，綜采工作面上、下端頭靠采空區(qū)側(cè)部位，頂板懸頂距離普遍超過6 m。此外，為了降低工作面附近瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)現(xiàn)象，在回風(fēng)巷設(shè)置了2 趟瓦斯抽放管，抽放管直徑為280 mm。

圖1 綜采工作面平面圖

2 瓦斯分布特征

煤礦采用U 型通風(fēng)方式，一部分風(fēng)流沿著工作面流動(dòng)，將新鮮空氣送入工作面；另一部分沿采空區(qū)流動(dòng)，將工作面中空氣送入采空區(qū)，再流向外界。為了研究綜采工作面內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊姆植记闆r，由下向上間每隔一定的距離，對(duì)瓦斯?jié)舛葯z測(cè)，如圖2 所示。檢測(cè)點(diǎn)位置分別為P1、P2、P3、P4 處，通過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，檢測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛确謩e為1.20%、0.62%、0.58%、0.28%。此外，在綜采工作面附近，瓦斯呈現(xiàn)如下分布特征：

（1）工作面上隅角瓦斯積聚。相對(duì)于空氣而言，瓦斯密度相對(duì)較低。當(dāng)工作面具有一定高度時(shí)，易產(chǎn)生“瓦斯風(fēng)壓”，驅(qū)動(dòng)采空區(qū)內(nèi)高濃度瓦斯向上隅角方向運(yùn)動(dòng)，使此采空區(qū)成為瓦斯聚集地。此外，當(dāng)懸頂區(qū)頂板不能及時(shí)快速垮落充填時(shí)，給瓦斯積聚創(chuàng)造了時(shí)間和空間，從而造成上部瓦斯?jié)舛却笥谙虏客咚節(jié)舛取?/p>

（2）高濃度瓦斯積聚范圍大。在綜采工作面上下出口處，主流風(fēng)向發(fā)生改變，風(fēng)流受U 型幾何邊界限制，在上隅角附近風(fēng)流速度普遍相對(duì)較低，并呈現(xiàn)渦流分布，如圖2 所示。由于風(fēng)流渦流運(yùn)動(dòng)，使上隅角積聚的瓦斯難以進(jìn)入回風(fēng)巷的主風(fēng)流中，這樣造成瓦斯擴(kuò)散速度緩慢。隨著時(shí)間的推移，瓦斯氣體不斷在此區(qū)域內(nèi)進(jìn)行循環(huán)運(yùn)動(dòng)，高濃度瓦斯大范圍內(nèi)積聚，最終造成瓦斯超限。

圖2 瓦斯積聚圖

（3）風(fēng)流驅(qū)散瓦斯作用小。在綜采工作面上下端頭兩巷切頂線以內(nèi)，靠采空區(qū)側(cè)部附近，由于懸頂距離已超過6 m，風(fēng)口距此該部位距離較大，主流風(fēng)的脈動(dòng)作用很小，無法充分促進(jìn)瓦斯氣體擴(kuò)散風(fēng)流中。此外，在上隅角處出現(xiàn)速度差，綜采工作面風(fēng)流對(duì)該部位的瓦斯驅(qū)散作用很小，容易造瓦斯積聚。

3 瓦斯治理措施

目前，綜采工作面上隅角瓦斯積聚的治理方法主要有：壓風(fēng)引射器引排法、“脈動(dòng)通風(fēng)”吹散法、鉆孔及埋管抽放法、尾巷排放法、小型液壓風(fēng)機(jī)吹散法等。結(jié)合國內(nèi)某礦井綜采工作面上下端頭兩巷切頂線內(nèi)，靠采空區(qū)側(cè)部位的瓦斯分布情況，通過多次生產(chǎn)實(shí)踐探索和應(yīng)用，目前主要采用以下幾種方法解決局部瓦斯?jié)舛瘸揠y題，實(shí)現(xiàn)礦井安全穩(wěn)定生產(chǎn)。

（1）選擇合理快速的移架方式。合理的移架方式不僅需考慮移架的速度，還需考慮頂板管理的影響。在選擇移架方式時(shí)，要結(jié)合煤礦頂板巖層穩(wěn)定性進(jìn)行分析。合理的移架方式能夠有效支撐頂板，使機(jī)道和采空區(qū)頂板懸頂時(shí)間最短，防止頂板事故的發(fā)生。在采空區(qū)內(nèi)，頂板隨工作面推進(jìn)并及時(shí)垮落，直接影響綜采工作面瓦斯涌出及瓦斯治理。

（2）卸下懸頂區(qū)域錨噴支護(hù)的錨桿螺帽及托盤。在靠采空區(qū)側(cè)部位，錨噴支護(hù)強(qiáng)度較大是造成懸頂距離過大的主要原因。在實(shí)際生產(chǎn)中，該部位頂板不能隨工作面的推移而及時(shí)垮落。在推移上下端頭“四對(duì)八梁”支護(hù)時(shí)，及時(shí)卸下靠近采空區(qū)側(cè)錨噴支護(hù)的錨桿螺帽及托盤，以減小錨托盤懸頂?shù)耐辛Γ蠓却龠M(jìn)頂板快速垮落，并充填采空區(qū)，減少瓦斯積聚的空間范圍。

（3）懸頂區(qū)密閉處理。根據(jù)某礦井綜合面開采作業(yè)情況，主要采用兩種方法對(duì)懸頂區(qū)域密閉處理：①靠近采空區(qū)側(cè)懸頂距離過大時(shí)，采用礦用KSQN-30 快速氣囊密閉懸頂區(qū)域。該方法是利用井下壓風(fēng)或氣瓶讓氣囊膨脹，使氣囊緊密貼合懸頂區(qū)域巷道空間，對(duì)該部位瓦斯氣體排擠，迫使積聚瓦斯逸散到工作面風(fēng)流中。②在端頭支架后切頂線懸頂區(qū)域，可采用沙袋或磚墻進(jìn)行臨時(shí)密閉。該方法能夠有效地隔離懸頂區(qū)域積聚的瓦斯，并配合瓦斯抽放管進(jìn)行綜合治理。然而，在實(shí)際操作過程中，該方法工程量較大，當(dāng)密封不嚴(yán)實(shí)時(shí)，瓦斯氣體容易溢出，造成上隅角瓦斯超標(biāo)，實(shí)際應(yīng)用效果較差。

（4）風(fēng)障法。當(dāng)綜采工作面上隅角瓦斯?jié)舛瘸^1%時(shí)，將直徑800 mm 的風(fēng)筒拆開作為風(fēng)障，引導(dǎo)風(fēng)流至上隅角處吹散積聚瓦斯。實(shí)際操作過程中，該方法能夠經(jīng)濟(jì)、快捷、有效的處理上隅角瓦斯積聚，但往往存在引風(fēng)量小、占據(jù)工作面空間大、工作面通風(fēng)阻力大、人員視線差、安全度較低、穩(wěn)定性較差等缺點(diǎn)，對(duì)安全生產(chǎn)仍存在一定的隱患。

（5）后退式預(yù)埋豎管抽放。采用后退式預(yù)埋豎管法，抽放上隅角及懸頂區(qū)域內(nèi)的瓦斯。在每間隔一定距離，將直徑280 mm的瓦斯抽放管上安裝不同孔洞的支管，對(duì)采空區(qū)頂板區(qū)域瓦斯進(jìn)行抽放。在煤炭開采生產(chǎn)過程中，抽放管路布置隨著工作面后退及時(shí)安裝，并根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)抽放綜采工作面附近瓦斯氣體。

（6）引排（抽排）法。在綜采工作面上隅角處，設(shè)置一趟鐵風(fēng)筒或骨架風(fēng)筒，并將風(fēng)筒直接布置到回風(fēng)巷口外的安全地點(diǎn)。利用風(fēng)筒兩端的壓差，對(duì)上隅角及其懸頂區(qū)域瓦斯進(jìn)行排放，以降低瓦斯?jié)舛?。在?shí)際操作中，此方法存在一定缺陷，如風(fēng)筒布置距離長、設(shè)備管理困難，可靠性較差。

4 結(jié)語

根據(jù)國內(nèi)某高瓦斯礦井的實(shí)際生產(chǎn)情況，采用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定綜采工作面附近瓦斯?jié)舛?，獲得綜采工作面附近瓦斯分布特征，分析了上隅角瓦斯積聚的原因，探索實(shí)踐了不同瓦斯治理方法，并采取合理的瓦斯抽放措施，有效地治理了懸頂區(qū)瓦斯積聚難題，確保煤礦安全穩(wěn)定生產(chǎn)。