辛置煤矿109工作面上隅角瓦斯治理

常高峰

(霍州煤电集团 辛置煤矿，山西 霍州 031412)

随着我国矿井开采逐渐向深部延伸，采掘机械化水平的提高、采掘强度的加大，采掘工作面瓦斯超限现象频发。其中，以采煤工作面的上隅角尤为突出，不但严重制约了工作面的正常生产，也威胁整个矿井安全生产[1-4].

1 工作面概况

辛置煤矿3下109综采工作面是一采区第17个工作面，位于一采区中部。工作面东侧为3下107工作面(已采空)，西侧为31112工作面(未开拓)，北侧至分叉区3下煤一分层防水煤柱，南侧至-300水平胶带、轨道大巷保护煤柱。工作面标高为-211.02～-248.33 m，走向长度1 352.8～1 364.2 m. 工作面所处煤层平均厚度为3.5 m，平均倾角为6°. 3下109工作面位置图见图1.

图1 3下109工作面位置图

3下109工作面所处3下煤层瓦斯原始压力为1.8 MPa，透气性系数为0.68 m2/MPa2.d，相对瓦斯含量为20.78 m3/t，煤尘具有爆炸性。该工作面采用U型全风压通风方式，回采期间计划配风1 520 m3/min.

2 上隅角瓦斯浓度影响因素

辛置煤矿3下109综采工作面上隅角瓦斯浓度受多种因素影响。上隅角瓦斯主要来源于本煤层、临近煤层、采空区。辛置煤矿3下109综采工作面在回采过程中，对悬露顶板采用预裂爆破断顶，工作面周期来压时的挤压作用不明显，本煤层瓦斯含量少，邻近层瓦斯对工作面上隅角瓦斯影响也小。因此，对3下109综采工作面上隅角瓦斯浓度的主要影响因素为采空区遗煤。3上109工作面位于3下109工作面的正上方，工作面及两巷位置基本重合。因此，其遗煤的多少及分布情况直接影响3下109工作面上隅角瓦斯浓度。

研究采空区遗煤对工作面上隅角瓦斯浓度的影响，可以采用反推的方式，根据采空区内部的条件，推出工作面边界上隅角瓦斯状况。工作面刚开始回采时，采空区的面积相对较小，采空区内遗煤较少，3下109工作面上隅角瓦斯浓度低，没有超过瓦斯浓度允许的临界值，但是随着工作面的推进，采空区的面积越来越大，遗煤量也不断增加，工作面上隅角瓦斯浓度升高，超过临界值，威胁工作面的安全生产。但当工作面上隅角瓦斯浓度升高到一定界限后逐渐在一定范围内波动，不再受走向长度影响。

3 不抽采条件下采空区瓦斯分布特征数值模拟

在不抽采条件下对3下109工作面及采空区瓦斯流场进行模拟[5-6]，得出采空区瓦斯分布特征，见图2(上部为进风巷，下部为回风巷)。

图2 不抽采条件下采空区瓦斯分布(z=3 m)特征图

从图2可以看出：

1) 工作面采用U型通风且不抽采状态下，采空区内靠近工作面切眼处由于受漏风影响瓦斯浓度较低，且由于垮落后岩石碎胀系数不同，会形成不规则的空隙区域Ⅰ，此区域内瓦斯浓度分布不均衡性较大。

2) 采空区内向着与工作面推进相反方向延伸，将逐渐进入压实区域Ⅱ，该范围内受漏风影响较小，瓦斯浓度逐渐增大。

3) 工作面进回风两侧与采空区之间瓦斯浓度增加速度不同，回风侧相对进风侧瓦斯浓度增加速度快，在回风巷尾部(上隅角附近)存在瓦斯积聚区域Ⅲ，上隅角瓦斯浓度超限会对回采安全造成极大隐患，在回采过程中必须进行治理。

4 上隅角瓦斯防治措施

4.1 采空区埋管瓦斯抽采

3下109工作面上隅角附近瓦斯浓度超限时，可以采用采空区埋管抽采采空区内的瓦斯。其原理是在埋管口附近形成一个负压区，让周围瓦斯向管内流动，以抽出采空区内的瓦斯。

在3下109工作面布置双埋管，其双管布置示意图见图3.

图3 埋管抽采采空区瓦斯示意图

由图3可以看出，在3下109工作面回风巷设置瓦斯抽采管路，布置抽采管时，间隔30 m设置1个三通管件，其目的是预留采空区埋管的连接口，以便于安装阀门和抽采筛管，而筛管的直径与3下109工作面带式输送机巷内管路管径相同。当工作面回采时，瓦斯抽采筛管应当放置在工作面采空区内，通过井下瓦斯移动抽采系统对采空区内的瓦斯进行抽采，降低采空区内瓦斯浓度，减少工作面上隅角瓦斯。工作面继续向前回采，当推进到下一个三通接口处，接替埋管口已经埋在采空区内3～5 m时，关闭上一个埋管三通接口处的阀门，打开下一个循环的埋管口阀门，以此不断向前循环，直至工作面回采完毕，达到工作面埋管抽放瓦斯的目的。

4.2 高位钻孔瓦斯抽采

4.2.1钻孔高度对抽采效果的影响

在沿工作面倾向相同位置处，设置不同终孔高度的单一钻孔对采空区瓦斯进行抽采，对通过钻孔壁面的瓦斯质量流量分数进行加权平均，可以得出钻孔抽采瓦斯浓度规律，见图4.

图4 不同高度钻孔抽采瓦斯浓度变化曲线图

由图4可知，在单一钻孔抽采条件下，随着钻孔终孔高度的逐渐增加，瓦斯浓度呈现先升高后降低的趋势，由此可以确定抽采瓦斯浓度有一个峰值，对应钻孔高度为27 m，为3下109工作面采高的6倍。因此，在采用高位钻孔抽放工作面上隅角瓦斯时，为了达到最优抽放效果，应当将钻孔位置布置在工作面6倍采高处。

4.2.2钻孔数量对抽采效果的影响

钻孔数量也是影响高位钻孔瓦斯抽放效果的一个重要因素。在3下109工作面钻孔高度一定的情况下，布置不同数量的钻孔，研究钻孔数量对瓦斯抽采的效果，不同数量钻孔与瓦斯抽采效果关系见图5. 其中，钻孔的布置高度为工作面采高的6倍，钻孔布置的数量为1～5个，钻孔水平方向间距为8 m.

图5 钻孔抽采效果与钻孔数量关系曲线图

由图5可以看出，由于在倾向上不同位置处岩体的孔隙率和渗透性系数发生变化，随着钻孔在工作面倾向上数量的增加，钻孔抽采效果具有如下特征：

1) 由于采空区内瓦斯浓度由回风巷侧向进风巷侧有逐渐减小趋势，因此，在抽采泵能力确定时，随钻孔数量的增加，低浓度瓦斯抽采量增大，平均瓦斯浓度逐渐减小。

2) 钻孔瓦斯抽采混合量逐渐增加，且增长速度逐渐减小。

3) 受瓦斯抽采量和抽采浓度变化的影响，随着钻孔数量的增加，瓦斯抽采纯量具有开始时先急剧增加而后趋于平稳的特征。

4.2.3工作面高位钻孔设计

在3下109工作面回风巷布置的钻场内向采空区冒落拱上方的裂隙带内呈扇形施工2个高位钻孔，钻孔布置参数见表1.

表1 工作面高位钻孔技术参数表

5 效果检验

3下109工作面采用采空区埋管瓦斯抽采方法和高位钻孔瓦斯抽采方式抽采瓦斯，在工作面回采期间对上隅角瓦斯浓度进行实时监测，对不同抽采方式效果进行统计，得到表2.

表2 不同瓦斯抽采方法抽采瓦斯效果统计表

由表2可知，在3下109工作面采用高位钻孔抽采瓦斯127天，抽采量297 151 m3；采用采空区埋管抽采瓦斯98天，抽采量35 741 m3，两者共抽采瓦斯332 898 m3，抽采效果良好，有效防治了上隅角瓦斯突出。

6 结 论

1) 分析了上隅角瓦斯浓度影响因素，根据3下109工作面地质条件，确定该工作面主要影响因素为采空区遗煤。

2) 对不抽采条件下3下109工作面采空区瓦斯分布特征进行数值模拟，得出在工作面回风巷尾部(上隅角附近)存在瓦斯积聚区域。

3) 对工作面上隅角瓦斯积聚区域采用采空区埋管和高位钻孔瓦斯抽采方式抽采瓦斯，并进行了抽采效果检验。结果表明，采用以上措施避免了工作面上隅角区域瓦斯积聚，保证了安全回采。