崔 聰

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市朝陽區(qū)，100013)

目前，隨著科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，煤礦開采設(shè)備不斷更新，由于綜合機(jī)械化越來越先進(jìn)，煤礦開采強(qiáng)度大、生產(chǎn)集中、推進(jìn)速度快，導(dǎo)致回采工作面瓦斯涌出強(qiáng)度大，且涌出不均衡[1-2]，同時(shí)綜采工作面存在采高較大、走向長度較長、推進(jìn)速度較快以及形成面積較大的采空區(qū)等特點(diǎn)，從而聚集大量瓦斯，在風(fēng)流作用下，尤其在頂板周期來壓時(shí)，采空區(qū)瓦斯大量涌出，造成工作面及其回風(fēng)流尤其是上隅角瓦斯超限，導(dǎo)致回采工作面被迫停產(chǎn)，甚至發(fā)生重大事故[3-9]，給煤礦造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，通過對(duì)回采工作面上隅角瓦斯超限防治方法的研究，可以有的放矢地采取有效措施，從而消除制約回采工作面高產(chǎn)高效的這一重要因素。

1 上隅角瓦斯超限原因

回采工作面不斷推進(jìn)形成采空區(qū)，鄰近煤層受采動(dòng)影響后，產(chǎn)生大量裂隙并不斷垮落，導(dǎo)致卸壓瓦斯不同程度地沿著裂隙涌入采空區(qū)，采空區(qū)內(nèi)部瓦斯在風(fēng)流及壓差作用下不斷涌入回采工作面；開采煤層瓦斯一部分從煤壁涌入工作面，另一部分瓦斯隨煤體被采落和破碎后解吸而涌入工作面，此外，隨著工作面推進(jìn)，本煤層煤體將有遺煤留在采空區(qū)，這部分煤體攜帶瓦斯也將隨著風(fēng)流涌入工作面；非首采工作面傾向兩側(cè)緊鄰工作面老空區(qū)，由于風(fēng)流壓差作用，鄰近工作面老空區(qū)瓦斯存在透過煤壁涌入回風(fēng)巷與工作面的可能性。綜上，回采工作面瓦斯涌出量主要由開采層瓦斯涌出量、鄰近層瓦斯涌出量、采空區(qū)瓦斯涌出量及老空區(qū)瓦斯涌出量4部分組成。由于采空區(qū)瓦斯是由鄰近層瓦斯涌出及本煤層遺煤瓦斯涌出組成，因此，實(shí)質(zhì)上工作面瓦斯主要來源于本煤層、鄰近層及老空區(qū)瓦斯，具體表達(dá)式如下：

Q采=Q本+Q鄰+Q老空

(1)

式中：Q采—回采面絕對(duì)瓦斯涌出量，m3/min；

Q本—開采層絕對(duì)瓦斯涌出量，m3/min；

Q鄰—鄰近層絕對(duì)瓦斯涌出量，m3/min；

Q老空—開采層老空區(qū)絕對(duì)瓦斯涌出量，m3/min。

上隅角瓦斯超限的原因有3點(diǎn)：瓦斯密度、U型通風(fēng)風(fēng)流及風(fēng)壓分布。首先，沿工作面推進(jìn)方向，從工作面向采空區(qū)深部剖面看，采空區(qū)瓦斯呈現(xiàn)為一個(gè)拋物線狀，在新鮮風(fēng)流進(jìn)入回采工作面時(shí)，其中一部分新鮮風(fēng)必然會(huì)進(jìn)入采空區(qū)區(qū)域，并將采空區(qū)遺煤釋放的瓦斯帶出，經(jīng)過了與工作面回風(fēng)側(cè)相連的唯一通道——上隅角，導(dǎo)致上隅角瓦斯積聚。其次，風(fēng)流剛流入工作面時(shí)，以很大的速度垂直于工作面流動(dòng)，風(fēng)流經(jīng)90°轉(zhuǎn)向流向工作面，垂直于工作面的速度迅速減小，動(dòng)壓急劇減小轉(zhuǎn)變成靜壓，在采空區(qū)上隅角附近流體流速很慢，這個(gè)區(qū)域會(huì)形成一個(gè)相對(duì)較低的低氣壓中心，在采空區(qū)上隅角附近會(huì)出現(xiàn)一個(gè)渦流中心，導(dǎo)致上隅角積聚瓦斯無法擴(kuò)散；此外，由于瓦斯的密度較小，本身會(huì)向工作面上隅角位置運(yùn)移。綜上，導(dǎo)致工作面上隅角成為工作面瓦斯匯集的最集中區(qū)域，因此，上隅角區(qū)域容易發(fā)生瓦斯超限現(xiàn)象，易引發(fā)嚴(yán)重事故。

2 防治上隅角瓦斯超限方法

上隅角瓦斯防治方法多種多樣，煤礦需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，有針對(duì)性地采取相應(yīng)措施，由于上隅角瓦斯?jié)舛瘸蕹梢驈?fù)雜，目前大部分煤礦均使用多種防治方法相結(jié)合的措施，經(jīng)過總結(jié)分析，通常采用的防治措施包括兩方面，一方面是“防”，防止瓦斯過量聚集；另一方面是“治”，主要通過抽采方法治理上隅角超限。因?yàn)椤胺馈迸c“治”的措施分別總結(jié)歸納了7種，在此將上隅角瓦斯超限防治措施簡稱為“七防七治”。

2.1 防止上隅角瓦斯積聚

(1)臨時(shí)擋風(fēng)簾?；夭晒ぷ髅嫔嫌缃浅迺r(shí)，在回采工作面上隅角前方回風(fēng)處吊掛一張擋風(fēng)簾，引入一部分通風(fēng)風(fēng)流到上隅角集聚區(qū)域，通過增加流經(jīng)上隅角處的新鮮風(fēng)流稀釋上隅角瓦斯，達(dá)到降低上隅角瓦斯?jié)舛鹊哪康摹Ｓ捎趽躏L(fēng)簾的存在，使回采工作面割煤、行人、運(yùn)料等工作受到影響，同時(shí)，這種方法也使工作面風(fēng)阻增大，導(dǎo)致工作面風(fēng)量降低。

(2)采空區(qū)風(fēng)幛。回采工作面上隅角瓦斯一部分由采空區(qū)涌出，根據(jù)采空區(qū)風(fēng)流分布路線可知，把風(fēng)幛設(shè)置在順著回采工作面進(jìn)風(fēng)口處，進(jìn)行嚴(yán)密封堵，可減少進(jìn)風(fēng)側(cè)直射到采空區(qū)內(nèi)的風(fēng)流量，從而降低“匯”風(fēng)處瓦斯?jié)舛?，避免出現(xiàn)上隅角瓦斯超限。風(fēng)幛布置在采空區(qū)邊緣，容易損壞，隨著工作面向前推進(jìn)，風(fēng)幛也要逐漸前行，因此，在一定程度上會(huì)影響回采工作面推進(jìn)速度。

(3)增大通風(fēng)量。適當(dāng)增大回采工作面通風(fēng)風(fēng)量可以帶入更多的新鮮風(fēng)流，保證單位時(shí)間內(nèi)帶走更多的瓦斯，達(dá)到降低上隅角瓦斯?jié)舛鹊淖饔?，此外，增大通風(fēng)量將與上隅角積聚風(fēng)流形成對(duì)流，即可吹散上隅角積聚的高濃度瓦斯。如回采工作面通風(fēng)量過大，會(huì)導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)巷直射到采空區(qū)風(fēng)量增加，使采空區(qū)的瓦斯流線延深，增加了采空區(qū)深部瓦斯涌出量。

(4)安設(shè)引射器?；夭晒ぷ髅嫔嫌缃峭咚钩蘅捎酶邏核蝻L(fēng)作為動(dòng)力形成較大的負(fù)壓區(qū)，風(fēng)量可以通過風(fēng)壓和水壓的改變進(jìn)行調(diào)整，工作面的主風(fēng)流由于壓差的作用會(huì)增大流經(jīng)上隅角的風(fēng)量，以降低瓦斯?jié)舛?，上隅角的高濃度瓦斯?jīng)流過此處的工作面風(fēng)流的稀釋后進(jìn)入風(fēng)筒內(nèi)部，排入回風(fēng)巷。需要注意的是，必須確保引射器動(dòng)力源連續(xù)工作。

(5)局部通風(fēng)機(jī)。回采工作面或回風(fēng)巷內(nèi)安裝小功率的局部通風(fēng)機(jī)，使上隅角位置形成正壓區(qū)，風(fēng)筒直吹上隅角，通過局部通風(fēng)機(jī)引入新鮮風(fēng)流稀釋采煤工作面上隅角瓦斯，使該處瓦斯?jié)舛冉档揭?guī)定以下，由于它繞開了工作面直接進(jìn)入上隅角，除沖淡上隅角積聚的瓦斯外，還減少了釆空區(qū)瓦斯涌出；但局部通風(fēng)機(jī)也需要隨著工作面的前移而移動(dòng)。

(6)上隅角封堵?；夭晒ぷ髅嫔嫌缃欠舛率欠乐股嫌缃峭咚?jié)舛瘸拮罨镜牟僮鳎丛诓煽諈^(qū)“匯”風(fēng)處采取嚴(yán)密的封堵措施，采用裝滿碎煤或碎矸的膠織袋連續(xù)堆積形成可移動(dòng)臨時(shí)墻，防止采空區(qū)內(nèi)部高濃度瓦斯被風(fēng)流帶入工作面，造成上隅角積聚。目前國內(nèi)自主研發(fā)了可充氣式囊袋，方便移動(dòng)操作，氣密性良好。上隅角封堵方法需要與上隅角抽采結(jié)合使用，否則治標(biāo)不治本。

(7)風(fēng)流均壓法。均衡采空區(qū)兩側(cè)的壓差，減少采空區(qū)漏風(fēng)量，進(jìn)而降低工作面上隅角瓦斯?jié)舛取＞鶋悍芘懦诠╋L(fēng)量有限的情況下，用常規(guī)法不能排除的瓦斯，在因氣壓變化而瓦斯涌出量增加的情況下，采用均壓法比常規(guī)法更安全。但同時(shí)給長采面大采高的工作面瓦斯治理提出了更高的技術(shù)要求，極大地增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，不但支護(hù)效率低，還會(huì)直接影響推進(jìn)速度。

2.2 治理上隅角瓦斯超限

(1)改變通風(fēng)方式。我國大部分煤礦工作面均使用“U”型通風(fēng)，為解決回采工作面上隅角瓦斯超限，可通過改變?cè)械耐L(fēng)方式，如改“U”型為“Y”型，如圖1所示；此外，針對(duì)非突出礦井，可以將上行風(fēng)改為下行風(fēng)，下行風(fēng)的方向與瓦斯自然流動(dòng)方向相反，二者易于混合且不易出現(xiàn)瓦斯層狀流動(dòng)和局部積存的現(xiàn)象，能夠防止上隅角瓦斯積聚。

圖1 U型通風(fēng)變Y型通風(fēng)

(2)采空區(qū)埋(插)管。根據(jù)采空區(qū)抽采濃度分布規(guī)律進(jìn)行瓦斯抽采。上隅角埋管抽采瓦斯的主要原理是在工作面上隅角形成一個(gè)負(fù)壓區(qū)，使該區(qū)域內(nèi)瓦斯由抽采管路抽走，這可以避免因工作面上隅角處局部位置因風(fēng)流不暢(或微風(fēng))引起的瓦斯超限，此外，上隅角埋管在抽采瓦斯同時(shí)，當(dāng)管徑較大時(shí)還能起到引流作用，避免了上隅角瓦斯積聚。管路吸入口需處于上隅角的上部。采空區(qū)埋管示意見圖2。

圖2 采空區(qū)埋管示意

成莊礦瓦斯含量為9 m3/t，礦井相對(duì)瓦斯涌出量為21 m3/t。4311工作面通風(fēng)量為1 200 m3/min，回采期間上隅角瓦斯?jié)舛纫恢碧幱?.7%～0.8%，內(nèi)控?cái)嚯?0多次，在工作面上隅角懸掛DN600負(fù)壓抽采管進(jìn)行上隅角插管抽采，其抽采純量最高可達(dá)3 m3/min，上隅角瓦斯保持在0.5%以下，治理效果顯著。

(3)高位鉆孔抽放。瓦斯密度比空氣密度小，鄰近煤層瓦斯及本煤層遺煤瓦斯涌入采空區(qū)后浮于采空區(qū)頂部并進(jìn)入煤層上部的裂縫帶中，通過高位鉆孔瓦斯抽放從根本上降低瓦斯源釋放瓦斯的能力，降低上隅角瓦斯超限的概率。高位鉆孔抽放瓦斯鉆孔設(shè)計(jì)技術(shù)攻關(guān)主要是裂縫帶的確定，裂縫帶層位分布不僅與開采厚度有關(guān)，而且受頂板巖性影響，實(shí)質(zhì)上是第二位亞關(guān)鍵層及其高度確定的問題，應(yīng)主要以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為主，理論分析與數(shù)值模擬為輔的手段確定裂縫帶分布。高位鉆孔示意見圖3。

圖3 高位鉆孔示意

東源長嶺煤礦152106工作面瓦斯含量高達(dá)11 m3/t，生產(chǎn)過程中上隅角瓦斯?jié)舛葧r(shí)常超限，最高可達(dá)1.2%，為保證安全回采，在工作面施工3個(gè)高位鉆孔，鉆孔施工長度為550 m，鉆孔孔徑120 mm。1～3號(hào)高位鉆孔孔間距均為0.5 m，鉆孔設(shè)計(jì)高度分別為17、18、22 m，鉆孔距離回風(fēng)巷寬度對(duì)應(yīng)為15、25、35 m，高位鉆孔總純量約為6.33 m3/min，濃度高達(dá)29.78%，混合量為21.33 m3/min。根據(jù)目前高位鉆孔層位布置，有效緩解了工作面瓦斯超限，回風(fēng)巷上隅角瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.9%，降低了25%。

(4)高位鉆場(chǎng)水平定向鉆孔。由于裂縫帶處于相對(duì)穩(wěn)定的高度，為了延長鉆孔服務(wù)年限，提高抽放效果，通常在工作面回風(fēng)巷道通往頂板上方的一定高度處布置鉆場(chǎng)，并在鉆場(chǎng)內(nèi)通往工作面方向施工水平鉆孔，這種布置方法避免了從煤層位置向上打鉆的困難，同時(shí)由于鉆孔開孔位置處于頂板相對(duì)穩(wěn)定的位置，整個(gè)鉆孔都處于裂縫帶瓦斯有效抽放范圍內(nèi)，有效解決了裂縫帶鉆孔服務(wù)周期短的問題。但是由于掘斜巷和鉆場(chǎng)施工量大，鉆孔布置在基本頂內(nèi)，打鉆費(fèi)用高。高位鉆場(chǎng)水平定向鉆孔示意見圖4。

圖4 高位鉆場(chǎng)水平定向鉆孔示意

東源長嶺煤礦152105工作面瓦斯含量為8.6 m3/t，回采過程中上隅角濃度保持在0.9%～1.0%之間，為保證工作面安全回采，在開切眼前方100 m處上鄰近層布置4組高位鉆場(chǎng)鉆孔，隨著工作面推進(jìn)逐漸進(jìn)入采空區(qū)，計(jì)算出高位鉆場(chǎng)平均瓦斯純量為1.97 m3/min，平均抽采濃度為28%，平均混合量為7.04 m3/min，上隅角瓦斯?jié)舛缺３衷?.7%以下。高位鉆場(chǎng)水平定向鉆孔一方面可以對(duì)上鄰近煤層瓦斯進(jìn)行預(yù)抽，防止煤層垮落后采空區(qū)遺煤瓦斯涌出量增大；另一方面本煤層回采過程對(duì)于治理工作面涌出量大且上隅角超限明顯問題會(huì)有顯著效果。

(5)高位抽放巷。煤層群回采的綜采或回采工作面，在采空區(qū)瓦斯涌出量較大時(shí)，可采用頂板走向或傾向巷道抽放采空區(qū)瓦斯。該方法是在煤層頂板上方一定高度靠近工作面回風(fēng)側(cè)掘設(shè)一條巖巷，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)上部裂縫帶以及冒落空間里的積存瓦斯進(jìn)行抽采，對(duì)上隅角瓦斯?jié)舛绕鸬揭欢ǖ目刂谱饔?，具有抽放時(shí)間長、抽放效果好等特點(diǎn)，但工程量大，需在頂板掘一條或多條巷道，維護(hù)較為困難。高位抽放巷示意見圖5。

圖5 高位抽放巷示意

高位抽放巷位置布置對(duì)采空區(qū)瓦斯抽采效果有著很大的影響。塔山礦根據(jù)“O”型圈理論和覆巖結(jié)構(gòu)特征，高抽巷在垂直方向上與工作面回風(fēng)巷頂板相距50 m，水平方向上與回風(fēng)巷內(nèi)錯(cuò)20 m。布置高抽巷抽采后，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛扔?.1%下降到0.2%，遠(yuǎn)低于報(bào)警值0.8%，說明高抽巷布置位置合理且效果明顯。采空區(qū)瓦斯?jié)舛却蠓陆担咚钩椴陕矢摺?/p>

(6)工作面尾巷。一些高產(chǎn)高效回采工作面上隅角瓦斯超限時(shí)一般采用雙巷布置，其中一條尾巷可通過埋管、向采空區(qū)打抽放鉆孔或密閉抽放采空區(qū)瓦斯。該方法可在最佳抽放位置對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行強(qiáng)化抽放，相當(dāng)于開辟一條新的回風(fēng)巷，在采空區(qū)內(nèi)形成負(fù)壓區(qū)，防止采空區(qū)瓦斯涌向工作面，抽放采空區(qū)瓦斯效果顯著，但在日常管理上有一定的難度。工作面尾巷示意見圖6。

圖6 工作面尾巷示意

(7)底板攔截鉆孔。近距離煤層群瓦斯超限問題除采取高位鉆孔抽采瓦斯外，當(dāng)下鄰近層瓦斯涌出較多時(shí)，可采用施工底板攔截鉆孔的瓦斯治理方法，該方法可施工穿層鉆孔抽采下鄰近層瓦斯，但是鉆孔施工需要穿越巖層，鉆孔傾角為下向，鉆孔內(nèi)部容易積水，導(dǎo)致有效抽采鉆孔長度短，排渣難度大，鉆孔易封堵。目前，較多采用下鄰近層鉆場(chǎng)施工順層鉆孔抽采瓦斯，對(duì)下鄰近層涌入工作面瓦斯進(jìn)行攔截，防止上隅角瓦斯超限。底板攔截鉆孔示意見圖7。

圖7 底板攔截鉆孔示意

3 結(jié)語

上隅角附近的瓦斯?jié)舛仁腔夭晒ぷ髅嫱咚節(jié)舛鹊淖畲笾?，是回采工作面瓦斯?jié)舛鹊臉?biāo)志。工作面上隅角瓦斯超限應(yīng)分析瓦斯涌出來源，根據(jù)巷道布置采取有針對(duì)性的抽采治理措施，以期降低煤層瓦斯含量，減少生產(chǎn)過程中工作面瓦斯涌出量。在工作面上隅角采取懸掛擋風(fēng)簾、封堵上隅角并適當(dāng)增大工作面的進(jìn)風(fēng)量等輔助措施，以減少采空區(qū)漏風(fēng)導(dǎo)致上隅角超限。此外，除本篇總結(jié)的“七防七治”防治方法以外，煤礦需結(jié)合自身瓦斯賦存規(guī)律，不斷探索上隅角瓦斯防治新工藝、新方法。