综采工作面上隅角瓦斯综合治理实践研究

王艳军

（晋煤集团 基本建设局，山西 晋城048006）

综采工作面上隅角是瓦斯最易积聚的地方，随着工作面产能和机械化水平的不断提升，上隅角瓦斯积聚问题愈显严重，上隅角瓦斯积聚不仅容易引起瓦斯超限威胁矿井安全生产，同时还会一定程度的增加工作面瓦斯治理难度〔1－2〕。据资料显示，我国煤矿事故主要为瓦斯事故，其中上隅角瓦斯爆炸和瓦斯燃烧事故占了瓦斯事故的相当大的比例，因此治理上隅角瓦斯一直是生产矿井的安全工作重心〔3〕。尽管，生产矿井采取了悬挂风障、敷设瓦斯抽放系统、封堵上隅角等多种治理手段，但鉴于煤层赋存条件、工作面布置、上隅角位置、风流和瓦斯积聚的特殊性，部分矿井上隅角瓦斯积聚问题始终未能得到有效根除。本文以山西晋煤集团泽州天安圣鑫煤业有限公司为研究对象。圣鑫煤矿属于高瓦斯矿井，上隅角瓦斯积聚一直是影响该矿综采工作面安全生产的主要因素，通过现场研究和理论分析，该矿采取多种手段综合治理上隅角瓦斯取得了较好的成绩，现以该矿9301工作面为例阐述上隅角瓦斯治理实践。

1 试验工作面概况

9301工作面是该矿井三盘区首采工作面，该工作面东部为9207工作面采空区，工作面西部为9205工作面，工作面北部为实体煤，紧邻断层，南部为盘区下山。该工作面所采煤层厚度为3.1～4.2m，平均为3.5m，煤层倾角为12°～16°，平均为14.3°，煤层可采系数为1，属于稳定可采厚煤层工作面。9301工作面伪顶为厚0.35～0.5m的炭质泥岩，直接顶为厚2.8～5.6m的含植物化石深灰色灰岩，基本顶为厚3.5～4.7m的浅灰色灰岩，直接底为厚1.2～3.1m的深灰色炭质泥岩～泥岩，基本底为厚2.5～4.7m的致密性灰色粗粒砂岩。工作面设计采长为120 m，走向长度为765m，采用一次采全高综合机械化采煤，采场采用ZY4000－17／37型液压支架进行支护，顶板管理方式为全部垮落式。工作面采用U型通风，即由运输巷进风，回风巷回风，两巷规格（长×宽）为4.1m×2.2m，净截面为7.96m2，支护方式均为U型钢棚支护，巷道支架支护排距为0.6m。工作面回采期间上隅角瓦斯基本保持在0.75%～1.0%范围内，当煤体有较大范围片帮或者顶板冒落时上隅角瓦斯偶尔会升至2.1%～2.5%，上隅角瓦斯已经成为了影响该工作面安全回采的重大威胁。

2 上隅角瓦斯积聚原因分析

2.1 上隅角瓦斯来源

理论研究表明，煤层未开采前瓦斯主要以游离态和吸附态存在于煤体中，其中游离态瓦斯和部分吸附态瓦斯在煤层开采过程中逐渐释放〔4〕。释放的瓦斯受到顶板变形破坏、煤层回采、矿压扰动等作用下由高压带向低压带扩散，最终沿瓦斯通道和风流进入采空区或者工作面回风巷，若上隅角管理不善，部分采空区瓦斯和工作面瓦斯会在上隅角积聚。为了进一步明确9301工作面瓦斯来源和不同来源瓦斯量，矿井组织相关人员对瓦斯进行测定，结果表明该工作面瓦斯来源主要为本煤层丢煤瓦斯涌出、割煤过程瓦斯涌出、邻近层瓦斯涌出和采空区瓦斯涌出，其中本煤层丢煤瓦斯涌出约占4%～6%，割煤过程中瓦斯涌出约占25%～35%，邻近层瓦斯涌出约占2%～5%，采空区瓦斯约占55%～65%。由此可知工作面瓦斯主要有采空区瓦斯和割煤过程中瓦斯两部分，对上隅角瓦斯测定结果表明上隅角瓦斯主要来源也是采空区和割煤过程中产生的瓦斯，其中采空区瓦斯约占85%以上。

2.2 上隅角瓦斯积聚分析

理论研究和生产实践表明，工作面瓦斯由进风巷经工作面采场至回风巷瓦斯浓度逐渐升高，且进风巷至工作面下半段瓦斯浓度变化较小，工作面中段往上瓦斯浓度递增趋势较明显，尤其是在上安全出口下侧25～30m范围内瓦斯浓度较高，分析认为形成该规律主要原因是工作面下半段部分瓦斯随风流经架间流向采空区，然后在工作面下半段和上隅角处流出，最终也会导致上隅角瓦斯浓度偏高〔5〕。同时，随着工作面回采过程中顶板的变形破坏、煤壁片帮、采动扰动等诸多因素的作用下，上隅角附近围岩体会形成大量的裂隙，采空区瓦斯气体会沿裂隙进入上隅角〔6〕。另外，对于U型通风工作面而言，在风压作用下，工作面风流向低压区移动，这样若上隅角封堵不严时瓦斯便会由此涌出，从而增加上隅角瓦斯浓度；上隅角漏风与煤壁和工作面瓦斯在上隅角在风流作用下形成涡流，最终导致该涡流范围内的瓦斯无法随风流进入工作面回风巷，工作面风流流动情况具体见图1。

图1 9301工作面风流流动示意

3 上隅角瓦斯综合治理实践

3.1 优化通风

优化通风是治理瓦斯最直接、最根本的方法，根据工作面瓦斯规律合理优化配风量可以适当降低工作面瓦斯含量，也相对降低上隅角瓦斯浓度。合理优化配风量是治理瓦斯的基础，若配风量过大则可能将采空区瓦斯带出，若配风量过小又起不到相应的风带瓦斯作用，故合理确定配风量对于治理瓦斯十分必要。9301工作面在原风量的基础上增加10%的风量，其结果有利于降低工作面和上隅角瓦斯，尤其是回风流瓦斯浓度降低明显。另外，为了尽可能的减少从上隅角处出现漏风，在9301工作面风巷老空侧打设一堵封堵墙，且该封堵墙随着机尾回柱放顶逐渐向外打设。

3.2 布置风障

风障是瓦斯工作面最常用的导风设施，合理布置风障可以人为的改变瓦斯流动路径，进而降低目的区域瓦斯浓度。风障布置操作简单，且可根据工作面上隅角和机尾断面情况调整大小，8301工作面从机尾后3台支架前两下方向上隅角方向布置风障，风障需上接顶、下接底，布置好风障后发现瓦斯浓度降低并不明显，然后将风障拉向上隅角处回风巷上帮，在上帮处底部布置漏风口，结果上隅角瓦斯浓度明显降低，但该风障布置方式存在问题，不利于行人和运料，同时又一定程度的增加了工作面风阻，对工作面的安全回采不利。因此，利用风障难以从根本上达到8301工作面上隅角瓦斯治理的目的，只能将其作为一种临时性的辅助措施。

3.3 小型液压扇驱散瓦斯

考虑到优化通风和布置风障治理上隅角瓦斯效果并不理想，借鉴相邻矿井治理上隅角瓦斯经验，决定在上隅角处安装小型液压扇，该液压扇采用液压驱动，液压扇上安装瓦斯传感器，传感器实时对上隅角瓦斯浓度进行监测，当上隅角瓦斯浓度超过设定指数时液压扇自动开启，当瓦斯浓度低于设定指数时自动停止，液压扇开启后能够在一定程度上吹散上隅角瓦斯，但液压扇影响风流范围较小，对于治理上隅角瓦斯只能起到一定的促进作用。

3.4 上隅角瓦斯抽放

（1）瓦斯抽放方案的确定。由于矿井已经配备了瓦斯抽放泵站，故可以考虑对9301工作面上隅角瓦斯进行抽放。根据9301工作面布置情况，由瓦斯抽放泵站引出一条Φ325mm的瓦斯抽放管路，该管路经回风巷敷设距离上隅角30m处，在Φ325mm瓦斯抽放管路尾端引出2条Φ150mm的埋吸管，埋吸管端口处安装抽放笼头，笼头外用窗纱包裹好以避免吸入煤岩粉粒，最后将笼头埋入上隅角距离底板1.5m处老空区内0.5m深，管路全部敷设好后即可开启瓦斯抽放泵进行瓦斯抽放。该瓦斯抽放管路随着工作面的推进不断拆除，拆除时应严格按照相关规定进行。

（2）瓦斯抽放效果。工作面采用瓦斯抽放系统治理上隅角瓦斯后，上隅角瓦斯得到了明显的控制。根据测定结果可知，开启瓦斯抽放泵后，上隅角瓦斯浓度稳定在0.12%～0.25%范围内，即使在工作面来压期间，煤壁片帮较严重时，上隅角瓦斯浓度也未曾超过0.5%；通过对回风流瓦斯测定，结果表明回风流瓦斯也有所降低，回风流瓦斯由抽放前的0.1%～0.15%降低至0.04%～0.06%；综上可知，采用瓦斯抽放治理上隅角瓦斯效果较好，能够满足现场安全生产需求。

4 结语

通过理论分析和现场实践分析了上隅角瓦斯积聚的主要原因，并根据现场测定确定了上隅角瓦斯主要来源于采空区和割煤过程。针对9301工作面上隅角瓦斯积聚特点，确定了采用风障、优化通风和瓦斯抽放等综合方法来治理上隅角瓦斯，根据上隅角瓦斯治理情况认为，风障法只能作为治理9301工作面上隅角瓦斯临时性措施，优化通风只能一定程度的改善上隅角瓦斯积聚现象，而瓦斯抽放系统是一种安全、可靠和有效地上隅角瓦斯治理方法，但瓦斯抽放系统的布置和拆装会对回采造成一定的影响。9301工作面上隅角瓦斯治理的成功实践表明，只有掌握瓦斯积聚原因，并采取合理的方法才能从根本上解决瓦斯积聚问题。

〔1〕杨泽胜.综采工作面瓦斯综合治理〔J〕.煤，2009，18（1）：34.

〔2〕张育恒.综采工作面上隅角瓦斯治理的探索与研究〔J〕.煤，2008，17（12）：19－21.

〔3〕张红灿，邵 方，高加传.采煤工作面上隅角瓦斯运移规律及超限防治〔J〕.山西建筑，2010，36（15）：197－198.

〔4〕王远广.采煤工作面上隅角瓦斯治理方法〔J〕.煤炭技术，2009，（7）：108－109.

〔5〕徐英林，曹彦恒，张铁红，等.采煤工作面上隅角瓦斯治理方法与应用〔J〕.中州煤炭，2005，（6）：58－59.

〔6〕刘 波，张 永.白集煤矿回采工作面上隅角瓦斯治理措施〔J〕.能源技术与管理，2005.（4）：28－29.