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★ 煤矿安全 ★

回采面上隅角瓦斯超限防治方法探讨

崔 聪1,2

(1.煤炭科学技术研究院有限公司,北京市朝阳区,100013;2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室,北京市朝阳区,100013)

摘 要 分析了回采工作面瓦斯涌出来源与上隅角瓦斯浓度超限的原因,根据上隅角瓦斯防治进展,将上隅角瓦斯防治手段归纳为“七防”(临时挡风帘、采空区风幛、增大通风量、安设引射器、局部通风机、上隅角封堵及风流均压法)与“七治”(改变通风方式、采空区埋(插)管、高位钻孔抽放、高位钻场水平定向钻孔、高位抽放巷、工作面尾巷及底板拦截钻孔),介绍了个别方法的适用条件及存在的问题。分析认为,为了从根本上解决上隅角瓦斯浓度的超限问题,煤矿需要结合煤层瓦斯赋存条件与瓦斯涌出特征,以“治”的措施为主、以“防”的措施为辅的综合治理方法,保证煤矿安全高效生产。

关键词 上隅角;瓦斯浓度超限;瓦斯防治;瓦斯涌出特征

目前,随着科学技术快速发展,煤矿开采设备不断更新,由于综合机械化越来越先进,煤矿开采强度大、生产集中、推进速度快,导致回采工作面瓦斯涌出强度大,且涌出不均衡[1-2],同时综采工作面存在采高较大、走向长度较长、推进速度较快以及形成面积较大的采空区等特点,从而聚集大量瓦斯,在风流作用下,尤其在顶板周期来压时,采空区瓦斯大量涌出,造成工作面及其回风流尤其是上隅角瓦斯超限,导致回采工作面被迫停产,甚至发生重大事故[3-9],给煤矿造成巨大的经济损失。因此,通过对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,从而消除制约回采工作面高产高效的这一重要因素。

1 上隅角瓦斯超限原因

回采工作面不断推进形成采空区,邻近煤层受采动影响后,产生大量裂隙并不断垮落,导致卸压瓦斯不同程度地沿着裂隙涌入采空区,采空区内部瓦斯在风流及压差作用下不断涌入回采工作面;开采煤层瓦斯一部分从煤壁涌入工作面,另一部分瓦斯随煤体被采落和破碎后解吸而涌入工作面,此外,随着工作面推进,本煤层煤体将有遗煤留在采空区,这部分煤体携带瓦斯也将随着风流涌入工作面;非首采工作面倾向两侧紧邻工作面老空区,由于风流压差作用,邻近工作面老空区瓦斯存在透过煤壁涌入回风巷与工作面的可能性。综上,回采工作面瓦斯涌出量主要由开采层瓦斯涌出量、邻近层瓦斯涌出量、采空区瓦斯涌出量及老空区瓦斯涌出量4部分组成。由于采空区瓦斯是由邻近层瓦斯涌出及本煤层遗煤瓦斯涌出组成,因此,实质上工作面瓦斯主要来源于本煤层、邻近层及老空区瓦斯,具体表达式如下:

Q=Q+Q+Q老空

(1)

式中:Q—回采面绝对瓦斯涌出量,m3/min;

Q—开采层绝对瓦斯涌出量,m3/min;

Q—邻近层绝对瓦斯涌出量,m3/min;

Q老空—开采层老空区绝对瓦斯涌出量,m3/min。

上隅角瓦斯超限的原因有3点:瓦斯密度、U型通风风流及风压分布。首先,沿工作面推进方向,从工作面向采空区深部剖面看,采空区瓦斯呈现为一个抛物线状,在新鲜风流进入回采工作面时,其中一部分新鲜风必然会进入采空区区域,并将采空区遗煤释放的瓦斯带出,经过了与工作面回风侧相连的唯一通道——上隅角,导致上隅角瓦斯积聚。其次,风流刚流入工作面时,以很大的速度垂直于工作面流动,风流经90°转向流向工作面,垂直于工作面的速度迅速减小,动压急剧减小转变成静压,在采空区上隅角附近流体流速很慢,这个区域会形成一个相对较低的低气压中心,在采空区上隅角附近会出现一个涡流中心,导致上隅角积聚瓦斯无法扩散;此外,由于瓦斯的密度较小,本身会向工作面上隅角位置运移。综上,导致工作面上隅角成为工作面瓦斯汇集的最集中区域,因此,上隅角区域容易发生瓦斯超限现象,易引发严重事故。

2 防治上隅角瓦斯超限方法

上隅角瓦斯防治方法多种多样,煤矿需要结合现场实际情况,有针对性地采取相应措施,由于上隅角瓦斯浓度超限成因复杂,目前大部分煤矿均使用多种防治方法相结合的措施,经过总结分析,通常采用的防治措施包括两方面,一方面是“防”,防止瓦斯过量聚集;另一方面是“治”,主要通过抽采方法治理上隅角超限。因为“防”与“治”的措施分别总结归纳了7种,在此将上隅角瓦斯超限防治措施简称为“七防七治”。

2.1 防止上隅角瓦斯积聚

(1)临时挡风帘。回采工作面上隅角超限时,在回采工作面上隅角前方回风处吊挂一张挡风帘,引入一部分通风风流到上隅角集聚区域,通过增加流经上隅角处的新鲜风流稀释上隅角瓦斯,达到降低上隅角瓦斯浓度的目的。由于挡风帘的存在,使回采工作面割煤、行人、运料等工作受到影响,同时,这种方法也使工作面风阻增大,导致工作面风量降低。

(2)采空区风幛。回采工作面上隅角瓦斯一部分由采空区涌出,根据采空区风流分布路线可知,把风幛设置在顺着回采工作面进风口处,进行严密封堵,可减少进风侧直射到采空区内的风流量,从而降低“汇”风处瓦斯浓度,避免出现上隅角瓦斯超限。风幛布置在采空区边缘,容易损坏,随着工作面向前推进,风幛也要逐渐前行,因此,在一定程度上会影响回采工作面推进速度。

(3)增大通风量。适当增大回采工作面通风风量可以带入更多的新鲜风流,保证单位时间内带走更多的瓦斯,达到降低上隅角瓦斯浓度的作用,此外,增大通风量将与上隅角积聚风流形成对流,即可吹散上隅角积聚的高浓度瓦斯。如回采工作面通风量过大,会导致进风巷直射到采空区风量增加,使采空区的瓦斯流线延深,增加了采空区深部瓦斯涌出量。

(4)安设引射器。回采工作面上隅角瓦斯超限可用高压水或风作为动力形成较大的负压区,风量可以通过风压和水压的改变进行调整,工作面的主风流由于压差的作用会增大流经上隅角的风量,以降低瓦斯浓度,上隅角的高浓度瓦斯经流过此处的工作面风流的稀释后进入风筒内部,排入回风巷。需要注意的是,必须确保引射器动力源连续工作。

(5)局部通风机。回采工作面或回风巷内安装小功率的局部通风机,使上隅角位置形成正压区,风筒直吹上隅角,通过局部通风机引入新鲜风流稀释采煤工作面上隅角瓦斯,使该处瓦斯浓度降到规定以下,由于它绕开了工作面直接进入上隅角,除冲淡上隅角积聚的瓦斯外,还减少了釆空区瓦斯涌出;但局部通风机也需要随着工作面的前移而移动。

(6)上隅角封堵。回采工作面上隅角封堵是防止上隅角瓦斯浓度超限最基本的操作,即在采空区“汇”风处采取严密的封堵措施,采用装满碎煤或碎矸的胶织袋连续堆积形成可移动临时墙,防止采空区内部高浓度瓦斯被风流带入工作面,造成上隅角积聚。目前国内自主研发了可充气式囊袋,方便移动操作,气密性良好。上隅角封堵方法需要与上隅角抽采结合使用,否则治标不治本。

(7)风流均压法。均衡采空区两侧的压差,减少采空区漏风量,进而降低工作面上隅角瓦斯浓度。均压法能排除在供风量有限的情况下,用常规法不能排除的瓦斯,在因气压变化而瓦斯涌出量增加的情况下,采用均压法比常规法更安全。但同时给长采面大采高的工作面瓦斯治理提出了更高的技术要求,极大地增加了工人的劳动强度,不但支护效率低,还会直接影响推进速度。

2.2 治理上隅角瓦斯超限

(1)改变通风方式。我国大部分煤矿工作面均使用“U”型通风,为解决回采工作面上隅角瓦斯超限,可通过改变原有的通风方式,如改“U”型为“Y”型,如图1所示;此外,针对非突出矿井,可以将上行风改为下行风,下行风的方向与瓦斯自然流动方向相反,二者易于混合且不易出现瓦斯层状流动和局部积存的现象,能够防止上隅角瓦斯积聚。

图1 U型通风变Y型通风

(2)采空区埋(插)管。根据采空区抽采浓度分布规律进行瓦斯抽采。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个负压区,使该区域内瓦斯由抽采管路抽走,这可以避免因工作面上隅角处局部位置因风流不畅(或微风)引起的瓦斯超限,此外,上隅角埋管在抽采瓦斯同时,当管径较大时还能起到引流作用,避免了上隅角瓦斯积聚。管路吸入口需处于上隅角的上部。采空区埋管示意见图2。

图2 采空区埋管示意

成庄矿瓦斯含量为9 m3/t,矿井相对瓦斯涌出量为21 m3/t。4311工作面通风量为1 200 m3/min,回采期间上隅角瓦斯浓度一直处于0.7%~0.8%,内控断电10多次,在工作面上隅角悬挂DN600负压抽采管进行上隅角插管抽采,其抽采纯量最高可达3 m3/min,上隅角瓦斯保持在0.5%以下,治理效果显著。

(3)高位钻孔抽放。瓦斯密度比空气密度小,邻近煤层瓦斯及本煤层遗煤瓦斯涌入采空区后浮于采空区顶部并进入煤层上部的裂缝带中,通过高位钻孔瓦斯抽放从根本上降低瓦斯源释放瓦斯的能力,降低上隅角瓦斯超限的概率。高位钻孔抽放瓦斯钻孔设计技术攻关主要是裂缝带的确定,裂缝带层位分布不仅与开采厚度有关,而且受顶板岩性影响,实质上是第二位亚关键层及其高度确定的问题,应主要以现场试验为主,理论分析与数值模拟为辅的手段确定裂缝带分布。高位钻孔示意见图3。

图3 高位钻孔示意

东源长岭煤矿152106工作面瓦斯含量高达11 m3/t,生产过程中上隅角瓦斯浓度时常超限,最高可达1.2%,为保证安全回采,在工作面施工3个高位钻孔,钻孔施工长度为550 m,钻孔孔径120 mm。1~3号高位钻孔孔间距均为0.5 m,钻孔设计高度分别为17、18、22 m,钻孔距离回风巷宽度对应为15、25、35 m,高位钻孔总纯量约为6.33 m3/min,浓度高达29.78%,混合量为21.33 m3/min。根据目前高位钻孔层位布置,有效缓解了工作面瓦斯超限,回风巷上隅角瓦斯浓度达到0.9%,降低了25%。

(4)高位钻场水平定向钻孔。由于裂缝带处于相对稳定的高度,为了延长钻孔服务年限,提高抽放效果,通常在工作面回风巷道通往顶板上方的一定高度处布置钻场,并在钻场内通往工作面方向施工水平钻孔,这种布置方法避免了从煤层位置向上打钻的困难,同时由于钻孔开孔位置处于顶板相对稳定的位置,整个钻孔都处于裂缝带瓦斯有效抽放范围内,有效解决了裂缝带钻孔服务周期短的问题。但是由于掘斜巷和钻场施工量大,钻孔布置在基本顶内,打钻费用高。高位钻场水平定向钻孔示意见图4。

图4 高位钻场水平定向钻孔示意

东源长岭煤矿152105工作面瓦斯含量为8.6 m3/t,回采过程中上隅角浓度保持在0.9%~1.0%之间,为保证工作面安全回采,在开切眼前方100 m处上邻近层布置4组高位钻场钻孔,随着工作面推进逐渐进入采空区,计算出高位钻场平均瓦斯纯量为1.97 m3/min,平均抽采浓度为28%,平均混合量为7.04 m3/min,上隅角瓦斯浓度保持在0.7%以下。高位钻场水平定向钻孔一方面可以对上邻近煤层瓦斯进行预抽,防止煤层垮落后采空区遗煤瓦斯涌出量增大;另一方面本煤层回采过程对于治理工作面涌出量大且上隅角超限明显问题会有显著效果。

(5)高位抽放巷。煤层群回采的综采或回采工作面,在采空区瓦斯涌出量较大时,可采用顶板走向或倾向巷道抽放采空区瓦斯。该方法是在煤层顶板上方一定高度靠近工作面回风侧掘设一条岩巷,可以实现对采空区上部裂缝带以及冒落空间里的积存瓦斯进行抽采,对上隅角瓦斯浓度起到一定的控制作用,具有抽放时间长、抽放效果好等特点,但工程量大,需在顶板掘一条或多条巷道,维护较为困难。高位抽放巷示意见图5。

图5 高位抽放巷示意

高位抽放巷位置布置对采空区瓦斯抽采效果有着很大的影响。塔山矿根据“O”型圈理论和覆岩结构特征,高抽巷在垂直方向上与工作面回风巷顶板相距50 m,水平方向上与回风巷内错20 m。布置高抽巷抽采后,回风巷瓦斯浓度由1.1%下降到0.2%,远低于报警值0.8%,说明高抽巷布置位置合理且效果明显。采空区瓦斯浓度大幅下降,瓦斯抽采率高。

(6)工作面尾巷。一些高产高效回采工作面上隅角瓦斯超限时一般采用双巷布置,其中一条尾巷可通过埋管、向采空区打抽放钻孔或密闭抽放采空区瓦斯。该方法可在最佳抽放位置对采空区瓦斯进行强化抽放,相当于开辟一条新的回风巷,在采空区内形成负压区,防止采空区瓦斯涌向工作面,抽放采空区瓦斯效果显著,但在日常管理上有一定的难度。工作面尾巷示意见图6。

图6 工作面尾巷示意

(7)底板拦截钻孔。近距离煤层群瓦斯超限问题除采取高位钻孔抽采瓦斯外,当下邻近层瓦斯涌出较多时,可采用施工底板拦截钻孔的瓦斯治理方法,该方法可施工穿层钻孔抽采下邻近层瓦斯,但是钻孔施工需要穿越岩层,钻孔倾角为下向,钻孔内部容易积水,导致有效抽采钻孔长度短,排渣难度大,钻孔易封堵。目前,较多采用下邻近层钻场施工顺层钻孔抽采瓦斯,对下邻近层涌入工作面瓦斯进行拦截,防止上隅角瓦斯超限。底板拦截钻孔示意见图7。

图7 底板拦截钻孔示意

3 结语

上隅角附近的瓦斯浓度是回采工作面瓦斯浓度的最大值,是回采工作面瓦斯浓度的标志。工作面上隅角瓦斯超限应分析瓦斯涌出来源,根据巷道布置采取有针对性的抽采治理措施,以期降低煤层瓦斯含量,减少生产过程中工作面瓦斯涌出量。在工作面上隅角采取悬挂挡风帘、封堵上隅角并适当增大工作面的进风量等辅助措施,以减少采空区漏风导致上隅角超限。此外,除本篇总结的“七防七治”防治方法以外,煤矿需结合自身瓦斯赋存规律,不断探索上隅角瓦斯防治新工艺、新方法。

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Discussion on prevention and control method of disallowed gas concentration in upper corner of working face

CUI Cong1,2

(1. China Coal Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013, China;2. State Key Laboratory of Coal Resources High Efficient Mining and Clean Utilization,Chaoyang, Beijing 100013, China)

Abstract The gas emission source and reasons of disallowed gas concentration in the upper corner of the mining face were analyzed. According to the progress of gas prevention and control in the upper corner, which could be summarized as seven prevention methods and seven control methods. The seven prevention methods referred to setting temporary wind curtain, setting air brattice in goaf, increasing the ventilation volume, installing the ejector, installing local ventilator, blocking the upper corner and adopting air flow pressure equalization method; seven control methods included changing the ventilation mode, burying (inserting) pipes in goaf, gas drainage through high-level borehole, horizontal directional drilling in high-level drilling site, high-level drainage roadway, interception drilling setting in working face tail roadway and floor. The applicable conditions and existing problems of individual methods were introduced. In order to fundamentally solve the problem of disallowed gas concentration in the upper corner, the coal mine needed to combine the coal seam gas storage conditions and gas emission characteristics, and adopted a comprehensive treatment method dominated by control measures and supplemented by prevention measures to alleviate the problem of disallowed gas concentration in the upper corner and ensure the safe and efficient production of the coal mine.

Key words upper corner; disallowed gas concentration; gas prevention and control; gas emission characteristics

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引用格式:崔聪.回采面上隅角瓦斯超限防治方法探讨[J].中国煤炭,2022,48(4)∶48-53. doi:10.19880/j.cnki.ccm.2022.04.008

CUI Cong.Discussion on prevention and control method of disallowed gas concentration in upper corner of working face[J].China Coal,2022,48(4)∶48-53. doi:10.19880/j.cnki.ccm.2022.04.008

作者简介:崔聪(1991-),男,辽宁开原人,助理研究员,主要从事瓦斯灾害防治方面的工作。E-mail: 1024135892@qq.com

中图分类号 TD712

文献标志码 A

(责任编辑 张艳华)