徐景德，彭興力，齊睿琛，楊鑫，韓春晶

(1.華北科技學(xué)院 研究生處，北京 東燕郊 101601； 2. 華北科技學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

0 引言

滲透率低，瓦斯涌出速度小、涌出時間長是我國煤礦瓦斯治理面臨的普遍難題。由于現(xiàn)代煤礦開采呈現(xiàn)生產(chǎn)能力大、單一工作面日平均推進速度快、采空區(qū)冒落帶空間大、采空區(qū)瓦斯積聚絕對量大的現(xiàn)象。煤巖層滲透率低、涌出時間長加劇了這一現(xiàn)象。大型工作面其風(fēng)速普遍較高，在這種因素綜合作用下，導(dǎo)致工作面上隅角經(jīng)常出現(xiàn)瓦斯超限的現(xiàn)象，即使傳統(tǒng)的低瓦斯導(dǎo)致礦井超限現(xiàn)象也很嚴重。

對于這一現(xiàn)象傳統(tǒng)的研究是采用實驗?zāi)Ｐ脱芯?、?shù)值模擬研究為主，現(xiàn)場實測為輔的方法。但由于實驗?zāi)Ｐ碗y以完全模擬煤層狀態(tài)，不能全面滿足相似條件。日時，模型試驗還存在尺度效應(yīng)問題，影響了實驗結(jié)果的準確性；數(shù)值模擬存在邊界條件確定和采空區(qū)流場參數(shù)難以掌握的困難，因此現(xiàn)場觀測是比較實用的研究方法。對于大型機械化工作面工作條件比較穩(wěn)定，選取采煤工作面在割煤、放頂、回柱等工序及生產(chǎn)、準備、檢修班次工作面上隅角瓦斯?jié)舛燃帮L(fēng)速分布進行計算，通過上隅角瓦斯?jié)舛鹊姆逯底罱K確定采取相應(yīng)的措施。因此本文通過現(xiàn)場實測分析了王家?guī)X煤礦工作面上隅角瓦斯分布和來源并提出了解決措施。

王家?guī)X煤礦是中煤華晉能源有限責(zé)任公司下屬主要生產(chǎn)礦井，核定年生產(chǎn)能力為6Mt/a。現(xiàn)主要開采的2號煤層，其瓦斯含量為3.42 m3/t。主采煤20102工作面采用綜采放頂煤開采方式，其相對瓦斯涌出量為2.43 m3/t。工作面采用“U”型通風(fēng)方式，風(fēng)量為1700 m3/min。2號煤層為低滲透率煤層，煤層瓦斯放散速度比較慢且釋放時間長。在放頂煤和移架的期間瓦斯會大量集中涌出，采空區(qū)的瓦斯流出經(jīng)常導(dǎo)致上隅角瓦斯超限，實測峰值濃度達到0.7%以上，對安全生產(chǎn)造成了威脅。為此，針對2號煤層瓦斯低滲透率采煤工作面上隅角瓦斯超限問題，與中煤華晉能源有限責(zé)任公司通風(fēng)處及王家?guī)X煤礦合作開展了綜合治理方法研究。

1 低滲透率煤層瓦斯涌出特點及其對采煤工作面上隅角瓦斯分布的影響

1.1 低滲透率煤層瓦斯涌出及采煤工作面上隅角瓦斯分布特點

煤層瓦斯?jié)B透率是反映煤層內(nèi)瓦斯?jié)B流難易程度的物性參數(shù)，我國大部分煤層均為低滲透率煤層[1]。釋放時間長、釋放速度均衡是低滲透率煤層涌出的特點，在開采初期釋放的瓦斯量不會很多，經(jīng)過時間的推移，一些遺煤在采空區(qū)或者運輸途中會持續(xù)均勻釋放大量瓦斯[2]。

低滲透率大型機械化工作面上隅角瓦斯分布呈現(xiàn)以下特點：(1)采空區(qū)瓦斯放散時間長，遺煤多，采空區(qū)面積大，采空區(qū)內(nèi)集聚絕對量瓦斯比較多。(2)綜合機械化放頂煤開采工作面，推進速度較快，日均采煤量較大，導(dǎo)致工作面放頂煤瞬間，工作面上隅角瓦斯涌出量大，造成局部地點經(jīng)常超限。

1.2 王家?guī)X礦20102工作面上隅角瓦斯的分布特征和來源

1.2.1 工作面上隅角瓦斯?jié)舛确植继卣骷俺梢蚍治?/p>

經(jīng)過現(xiàn)場瓦斯實測，發(fā)現(xiàn)在上隅角、采空區(qū)、頂煤放煤后等處瓦斯?jié)舛缺裙ぷ髅嫘迈r風(fēng)流經(jīng)過處的瓦斯?jié)舛雀?～3倍。瓦斯?jié)舛妊毓ぷ髅嫦虏窟M風(fēng)到工作面上部逐漸變大，工作面下部至中部瓦斯?jié)舛仍龃蟮姆容^小，中部至工作面上部增大的幅度較大。在工作面走向分布上，瓦斯?jié)舛扔擅罕趥?cè)至工作面采空區(qū)呈高、低、高的分布狀態(tài)[3-4]。

王家?guī)X礦20102工作面上隅角瓦斯?jié)舛确植棘F(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果有以下特征：(1)工作面從進風(fēng)巷至回風(fēng)巷沿工作面傾斜方向，瓦斯?jié)舛戎饾u遞增，在工作面進風(fēng)測瓦斯?jié)舛容^低，上隅角是采空區(qū)瓦斯漏向工作面的主要出口，靠近采空區(qū)一側(cè)風(fēng)流瓦斯?jié)舛容^高，為瓦斯易于積聚部位；工作面漏風(fēng)帶涌出大量采空區(qū)瓦斯是上隅角瓦斯積聚的補給源；工作面上隅角處存在長4～6 m，寬1.6 m，厚0.5 m的瓦斯積聚帶，不均勻地延伸到回風(fēng)巷。(2)工作面上隅角直角拐彎，風(fēng)流易形成渦流，且風(fēng)流流速較低，瓦斯比重輕，使采空區(qū)涌出的大量高濃度瓦斯難以進入主風(fēng)流中，在上隅角附近循環(huán)運動，形成局部積聚[5]。(3)上隅角附近頂板側(cè)瓦斯?jié)舛容^高，底板側(cè)較低。(4) 工作面上下兩巷由于采取錨網(wǎng)和錨索支護，采空區(qū)頂板不易跨落，積存大量瓦斯；另外，頂板周期來壓時，頂板大面積垮落擠壓造成瓦斯突然集聚[6]；(5)采空區(qū)及上、下矸石帶，由于充填不嚴實形成裂縫漏風(fēng)，將采空區(qū)瓦斯帶至上隅角。(6)上隅角瓦斯?jié)舛入S著產(chǎn)量的增加呈上升趨勢，由于割煤強度的增加和工作面推進速度的加快導(dǎo)致工作面瓦斯涌出量大大增加，回風(fēng)流瓦斯和采空區(qū)遺落煤放散瓦斯的增多導(dǎo)致上隅角瓦斯?jié)舛壬仙?/p>

1.2.2 王家?guī)X工作面上隅角瓦斯超限的特點

大型機械化采煤礦井回采工藝的各個工序都是平行進行的，要測定各個工序的瓦斯?jié)舛壤碚撋喜豢尚?。那么，要了解各個工序?qū)ぷ髅嫔嫌缃峭咚節(jié)舛鹊挠绊?，通過檢測一個工序循環(huán)的瓦斯?jié)舛确逯祦碜鳛橛绊懮嫌缃菨舛茸兓闹笜?biāo)。采煤工作面上隅角在正常生產(chǎn)期間基本穩(wěn)定在0.38～0.48%之間，但在放煤期間上隅角瓦斯?jié)舛让黠@有波動及上升趨勢，可以作為生產(chǎn)工藝中最影響工作面上隅角瓦斯?jié)舛鹊闹笜?biāo)。放頂煤時，上隅角瓦斯?jié)舛确逯悼梢赃_到0.73%，如圖1所示：

圖1 各個生產(chǎn)工序與和上隅角瓦斯?jié)舛鹊年P(guān)系

從圖1可以看出，上隅角瓦斯?jié)舛瘸夼c回采工藝有直接的關(guān)系，在割煤至放煤的期間上隅角瓦斯?jié)舛纫恢痹谏仙?，已達超限邊緣。但是瓦斯?jié)舛葲]有大幅快速上升，這就是低滲透率煤層瓦斯釋放的特點，對于剛剛超限的上隅角瓦斯?jié)舛葋碚f，采取一定措施后，上隅角瓦斯?jié)舛仁峭耆煽氐?。同樣，在周期來壓期間，上隅角瓦斯超限的情況通過采取措施也是可以控制的。

1.3.3 工作面上隅角瓦斯的主要來源以及向上隅角涌入的瓦斯?jié)舛取?/p>

根據(jù)理論參考得知上隅角瓦斯來源大致有以下幾類[7]，通過實測數(shù)據(jù)可大致計算出涌入王家?guī)X20102工作面上隅角瓦斯的主要來源的濃度，如表1：

表1 上隅角瓦斯來源與向上隅角涌入瓦斯的濃度

2 工作面上隅角瓦斯超限治理措施

為了解決工作面上隅角瓦斯超限主要需要從兩方面入手：一是需要減少采空區(qū)瓦斯的存儲量，同時嚴格控制向采空區(qū)的漏風(fēng)量，使得采空區(qū)的瓦斯盡可能少地涌向工作面上隅角；二是改變上隅角流場的分布特征，改變風(fēng)流分布打破上隅角的回流區(qū)，使瓦斯隨著回風(fēng)流流向回風(fēng)巷。

2.1 技術(shù)措施

1)合理掛設(shè)風(fēng)帳

(1)分別在工作面上、下隅角掛設(shè)風(fēng)帳，具體在工作面回風(fēng)側(cè)，工作面機尾處掛設(shè)導(dǎo)風(fēng)帳，使通過工作面的大部分風(fēng)流流經(jīng)上隅角，稀釋上隅角的瓦斯?jié)舛萚8-10]。

(2)在工作面進風(fēng)側(cè)，工作面端頭靠近煤柱一側(cè)，懸掛全斷面擋風(fēng)帳，當(dāng)漏風(fēng)較為嚴重時，采用掛雙帳或多帳的方式，確保該段的風(fēng)帳封堵嚴密，最大限度地減少漏入采空區(qū)風(fēng)量，從而減少采空區(qū)瓦斯的涌出量，如圖2所示：

圖2 上隅角掛設(shè)風(fēng)帳處理瓦斯積聚示意圖

2)小型液壓風(fēng)扇處理上隅角瓦斯積聚

根據(jù)經(jīng)驗，風(fēng)扇采用兩種懸掛方式處理上隅角瓦斯[11-12]：①將小風(fēng)扇懸掛在工作面靠回風(fēng)巷第四排支架下方；②懸掛在距上隅角4～5 m遠的回風(fēng)巷的頂板上，如圖3所示：

圖3 小型液壓風(fēng)扇處理上隅角瓦斯積聚裝置布置示意圖1—工作面液壓支架；2—甲烷傳感器；3—導(dǎo)流柔性風(fēng)筒；4—液壓風(fēng)扇5—中心控制處理器；6—液壓泵站；7—磁力啟動器；8—進回油管路

該礦區(qū)工作面開始通過設(shè)置風(fēng)帳和小型液壓風(fēng)扇降低低滲透率煤層上隅角瓦斯?jié)舛鹊玫搅肆己玫男Ч?，具體實施措施后上隅角瓦斯?jié)舛扰c未實施措施的上隅角瓦斯?jié)舛葘嶋H對比數(shù)據(jù)如下表2：

表2 措施前后上隅角濃度對比

3)定向高位鉆孔抽采瓦斯

在20102工作面回風(fēng)巷370 m及停采線處布設(shè)1、2號鉆場及A1、A2號鉆孔，由理論計算得出的工作面三帶參數(shù)，工作面頂板冒落理論以及礦方以往施工高位鉆孔實踐經(jīng)驗，提出瓦斯抽采最優(yōu)層位，即冒落帶上部、裂隙帶下部距離煤層頂板20～40 m左右，平距靠近回風(fēng)巷巷幫。因此，A1鉆孔選擇軌跡距離煤層頂板20～31 m，A2鉆孔4軌跡距離煤層頂板31～40 m(A2孔剖面上的層位選擇可根據(jù)A1孔的抽采效果進行適當(dāng)調(diào)整)[13]。為了保證鉆孔安全及后續(xù)瓦斯抽采時效性，選擇在砂巖中施工定向長鉆孔，如圖4所示：

圖4 20102工作面定向鉆孔軌跡平面圖

利用定向高位鉆孔抽采等方式開展上隅角瓦斯治理工作，并獲得了顯著的抽放采效果，具體實施措施后抽采濃度與純量對比如表3、表4所示：

表3 普通鉆孔抽采瓦斯?jié)舛?/p>

表4 高位鉆孔抽采瓦斯?jié)舛?/p>

通過上述幾種治理方法的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)看來，前兩種方法有效吹散上隅角瓦斯的濃度，有良好的效果；通過正確計算冒落裂隙帶的距離，走向高位鉆孔能有效得把上隅角上部的瓦斯大量抽排。上述治理技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效地改善低滲透率煤層瓦斯抽采效果，極大地提升了煤礦工作價值。

2.2 管理措施

通過采用多種治理瓦斯上隅角的措施，在技術(shù)上，20102工作面上隅角瓦斯?jié)舛纫呀?jīng)基本得到有效的控制。但實際上，有時上隅角瓦斯?jié)舛葧谐蕃F(xiàn)象存在，原因是在日常管理中沒有嚴格按照技術(shù)規(guī)程執(zhí)行措施，因此同樣需要強化管理方面的措施：

(1)加強瓦斯監(jiān)測監(jiān)控

瓦斯傳感器設(shè)置位置一定按照要求設(shè)置在規(guī)定的地方，堅決杜絕施工隊組人員拆卸傳感器。每班由瓦斯檢查員使用光學(xué)甲烷檢測儀與甲烷傳感器顯示數(shù)據(jù)進行對照，并將結(jié)果匯報通風(fēng)科，兩者誤差大于允許誤差時，通風(fēng)科對超過允許誤差的監(jiān)測設(shè)備必須在8小時之內(nèi)更換完畢。同時可以安裝無線網(wǎng)絡(luò)快速傳感器的瓦斯檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)對釆煤工作面瓦斯?jié)舛瘸薜募皶r預(yù)警[14]。

(2)保證設(shè)備的有效性

指定通風(fēng)科負責(zé)瓦斯傳感器的安設(shè)、延長線路、牌板的管理、日常檢查和修理工作，并且每10天對瓦斯傳感器進行一次調(diào)試和校正，每7天進行一次瓦斯超限斷電實驗，保證瓦斯傳感器的有效性，在采煤作業(yè)中，瓦斯傳感器和風(fēng)帳的移動由專人負責(zé)。

3 結(jié)論

(1)王家?guī)X2號煤層瓦斯含量比較低且為低滲透率煤層，采空區(qū)的瓦斯涌出均衡且持續(xù)時間長是導(dǎo)致工作面上隅角瓦斯發(fā)生超限現(xiàn)象的主要原因。

(2)工作面上隅角瓦斯?jié)舛却笮∨c采煤作業(yè)工藝有很大關(guān)系?？焖偻七M導(dǎo)致相對瓦斯涌出量變大，導(dǎo)致上隅角瓦斯經(jīng)常超限，加強和改善通風(fēng)是解決這一問題主要技術(shù)措施，具體包括掛設(shè)風(fēng)帳、設(shè)置小型液壓風(fēng)扇和走向高位鉆孔抽采等。

(3)“U”型工作面上隅角瓦斯超限治理需要技術(shù)措施和管理手段同步并進才能實現(xiàn)，在技術(shù)方面，設(shè)備的選型參數(shù)決定了治理效果，精細化管理是保證技術(shù)措施達到效果的保證。

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