采空区瓦斯抽放技术的改进及在响水矿的应用

黄 优，王洪波，徐佑林

(1.毕节学院资源与安全工程学院，贵州毕节551700;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013;3.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京100013)

高瓦斯矿井采空区内瓦斯是由煤炭开采中遗失在采空区的煤炭和采空区内煤壁释放出的瓦斯逐渐积聚形成的，采空区内瓦斯聚集容易引发瓦斯爆炸等灾害事故。为了避免采空区内瓦斯积聚造成瓦斯爆炸等事故发生，通常采用在采空区埋抽放管抽放瓦斯的方式来降低采空区瓦斯浓度。然而在实际操作中，此种方法进行抽放所取得的效果不理想，且存在重大安全隐患和抽放管浪费严重的问题。本研究采用可移动软管与可伸缩钢性风筒配合阀组组成的新型抽放管对采空区瓦斯进行抽放，这不仅使得抽放管被大量浪费的问题得到解决，最关键的是可以提高瓦斯抽放效果，防止采空区内瓦斯聚集超限，在很大程度上减少了安全事故的发生。

1 埋管法抽放采空区瓦斯

由于工作面开采方法和巷道布置的差异，导致抽放采空区瓦斯的方法较多，其中抽放效果较好的方法有以下几种:引导排放法、顶板巷道抽放、利用消火道布置钻孔、尾巷抽放采空区瓦斯等。虽然这几种方法在进行抽放时都取得了较好的效果，但是针对不同透气性煤层、不同巷道布置方式等具体矿井情况也都存在一些不足之处，因此，如何提高煤层以及采空区瓦斯抽放效果，一直是瓦斯抽放工作的重点。采空区漏风和上隅角的风流涡流状况造成了上隅角瓦斯积聚，利用地面瓦斯泵运转时所产生的负压，通过一定直径的管路可在采空区内一定位置形成一个负压区域，从而改变上隅角附近的涡流状况及采空区瓦斯的流动方向，将上隅角附近高浓度瓦斯通过管路引至安全地点释放。这样将高浓度的瓦斯迁移到安全地点进行管理，使得人员及设备相对集中的上隅角瓦斯浓度降至安全范围，减少了瓦斯事故发生的可能，有利于瓦斯管理。上隅角瓦斯抽放原理示意见图1。

图1 采空区埋管法抽放上隅角瓦斯

实践证明，上述埋管法在治理上隅角瓦斯聚集、超限问题上具有较好效果，但是在实际操作过程中，仍存在许多问题有待解决［1－3］。一方面，矿井在回采时，由于需要边回采边回收埋放在采空区的瓦斯抽放管，工人在无支护的空间下对抽放管进行回收，时常被冒落的顶板砸伤甚至致死，为了保证工人生命安全，而不得不将大量抽放管遗弃在采空区内，因此造成严重浪费;而大量抽放管被埋采空区，还给安全生产埋下了隐患，因为在顶板垮落时，有可能与其发生碰撞产生火花，从而导致瓦斯爆炸事故的发生;另一方面，工人在进行抽放管拆卸工作时，采空区瓦斯容易通过瓦斯抽放管涌入工作面上隅角，增加上隅角瓦斯浓度，对瓦斯治理无益，更加大了瓦斯事故发生的可能性［4－6］。

如若解决好上述存在问题，采用埋管法治理上隅角瓦斯积聚将会取得更加显著的效果。

2 瓦斯抽放管的改进设计

针对上述埋管法抽放采空区瓦斯存在的问题，为防止煤层顶板垮落与埋藏在采空区的抽放管发生碰撞产生火花，引发瓦斯爆炸事故，设计采用软管作为采空区埋管部分;为防止回收采空区瓦斯管时可能发生的顶板事故，设计采用一个可伸缩刚性风筒与前面软管相连接;为防止采空区瓦斯涌出到工作面上隅角，增加上隅角瓦斯浓度，导致安全事故，设计采用2个球阀控制瓦斯流向。该抽放管在工作面的布置方式如图2所示。

图2 改进瓦斯抽放管布置

在布置该抽放管时，可采用2种方式进行布置:第一种方式是采用软管和阀组组成一套抽放系统，拆卸移动时将软管和阀组整体向前移动即可。为了减轻阀组和软管一起移动的难度，可将软管和阀组通过大链和单轨吊配合使用，这样既减小了工人的劳动强度，同时又加快了拆卸和重新恢复抽放系统的速度，既安全又经济省事，如图3所示。

图3 软管和阀组布置结构

另一种方式是将软管和阀组之间的硬性钢管换为可伸缩的刚性风筒 (刚性风筒长度为1节或者是2节瓦斯抽放管的长度)，这样既解决了拆卸瓦斯抽放主管的安全问题，同时也减少了拆卸瓦斯管的次数，安全性更好，其结构示意如图4所示。

图4 软管加刚性可缩风筒配合阀组布置结构

使用该抽放管时需注意:无论是采用第一种还是第二种方式，在拆卸阀组和主管时，必须先打开主管三通上的球阀B，然后再关闭软管和可移动部分上的球阀A，目的在于空气通过三通进入主管，主管与低负压泵连接，可以将先前未开启球阀B时主管中储存的瓦斯抽出，防止因常规的停泵拆卸所导致的主管瓦斯倒流事故，同时关闭移动部分上的球阀A，是为了将采空区的瓦斯堵在密闭空间内，避免采空区瓦斯通过软管大量涌出造成事故。当拆卸完毕重新恢复系统前，先关闭球阀B，同时打开球阀A恢复采空区低负压抽放系统。

3 井下工业性试验及试用效果分析

贵州盘南煤炭开发有限责任公司响水矿井下W135工作面采用的是“三八”作业制，两采一准。在未改进抽放管之前，为了保证八点班和四点班的正常生产，采煤工作面回风巷的瓦斯管回收都是安排在零点班进行，拆卸回收瓦斯管时经常导致采煤工作面上隅角瓦斯浓度超限。矿井安设了监控系统，改进前连续20d采煤工作面上隅角瓦斯传感器T1的监控数据如图5所示。

图5 改进抽放管前上隅角瓦斯分布情况

将该改进抽放管用于W135工作面采空区瓦斯的抽放系统中，工作面上隅角瓦斯超限情况有了明显的好转，瓦斯超限次数减少了，瓦斯超限时间段也不是集中在零点班拆卸瓦斯管的时候，改进之后连续20d采煤工作面上隅角瓦斯传感器T1的监控数据如图6所示。

图6 改进抽放管后上隅角瓦斯分布情况

由图5和图6可见，使用改进的瓦斯抽放系统能有效控制上隅角瓦斯浓度。同时W135采煤工作面在推进过程中，工人可以很轻松就将软管和阀组部分通过单轨吊随工作面向前移动，不会影响采面出煤的工序。当软管和阀组移动1节或2节瓦斯管长度时再拆卸瓦斯主管1次，最低可以将瓦斯管拆卸次数减少为原来的一半，大大节约了生产时间。此外，根据煤矿工会初步伤亡数据统计结果，该矿在开采W134采煤工作面时，W134采面条件、采煤工艺和W135采煤工作面一致，但工人在拆卸采空区瓦斯管时导致的各种伤害共计46起，其中重伤5起。该矿在采用该项技术后，在整个W135采煤工作面的回采过程中，只发生类似事故16起，没有重伤事故的发生，提高了矿井安全。另外，在未使用该改进抽放管之前，1个工作面每年推进度按1320m算，则1a所耗费抽放管的经费就达到17.16万元。而使用此种改进抽放管后，每年1个工作面所耗费抽放管的费用仅为2.6万元左右，提高了经济效益。

4 结论

(1)采用可移动软管与可伸缩钢性风筒配合阀组的新型抽放管对采空区瓦斯进行抽放，解决了抽放管被大量浪费的问题，提高采空区瓦斯抽放效果，防止采空区内瓦斯聚集超限。

(2)采用软管作为采空区埋管防止煤层顶板垮落与埋藏在采空区的抽放管发生碰撞产生火花，导致瓦斯爆炸事故;采用1个可伸缩刚性风筒与前面软管相连接防止回收采空区瓦斯管时可能发生的顶板事故;采用2个球阀控制瓦斯流向的方法进行采空区瓦斯抽放，防止采空区瓦斯涌出到工作面上隅角，增加上隅角瓦斯浓度，导致安全事故。

(3)在响水矿的试用效果表明，该改进抽放管的推广使用在提高采空区瓦斯抽采率、保障职工生命安全、提高工人工作效率，促进企业安全生产等方面有显著效果。

［1］黄炳香，李增华，刘长友，等.采空区瓦斯抽放的顶板冒落规律模拟实验研究 ［J］.岩石力学与工程学报，2006，25(11):2201－2204.

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