回采工作面瓦斯涌出及治理技术

　　摘要:本文简要分析了国内为瓦斯治理现状，探讨了回采工作面瓦斯涌出、瓦斯防治技术基础问题及影响瓦斯的地质因素、开采技术因素，分析了工作面瓦斯浓度沿倾向和走向的分布规律、治理工作面瓦斯的三种方法。通过湖南华润煤业有限公司路馆煤矿具体工程实践，采用有效的瓦斯治理方法与手段，取得了良好的治理效果。
　　关键词:回采工作面；瓦斯治理
　　近年来，随着煤矿开采深度的增加，煤层中瓦斯压力与瓦斯含量也逐渐增大，再加上采煤综合机械化的推广，综采工作面瓦斯涌出表现出了强度高、数量大和极不均衡等特点；由于综采工作面采高较大，走向长度较长，推进速度较快，往往使采空区有较大面积的悬顶区，在顶板周期来压时，常造成工作面及其回风流瓦斯超限，对煤矿安全生产构成了极大威胁。是亟待解决的煤矿安全问题之一。
　　１国内外研究现状
　　20多年来，我国科技工作者先后建立了地勘瓦斯含量解吸法、矿井瓦斯涌出量分源预测法，并研究建立了煤层瓦斯基本参数数据库、微机绘制瓦斯地质图件和煤矿瓦斯综合评价系统，使我国煤矿瓦斯预测技术及配套装备有了长足的进步。在综采工作面的瓦斯治理研究中，上隅角瓦斯积聚和如何处理问题，是国内外技术人员努力攻关的焦点。法国煤矿采用压风引射器引排综采面上隅角的瓦斯，日本、前苏联、波兰和德国用小型气动风机吹散上隅角的积聚瓦斯，前苏联用抽放泵抽排上隅角的瓦斯。在我国，中国矿业大学俞启香教授等采用脉冲射流来对上隅角瓦斯积聚瓦斯进行治理研究。这些方法均取得了一定的效果，但不能达到治本的目的。在瓦斯治理上，国内外都很重视瓦斯抽放，并且采空区瓦斯抽放量在总抽放量中占有较大的比重，如德国等均达到30%左右，除保证安全生产外，采空区的瓦斯抽放还可满足矿井瓦斯利用的需要。我国国家“七五”科技攻关项目“采空区瓦斯抽放技术”、“九五”科技攻关项目“采空区瓦斯抽放工艺与自控装备的研究”都把采空区瓦斯治理作为重大课题来解决。国家安全监察局提出“先抽后采、监测监控、以风定产”瓦斯治理十二字方针，也把瓦斯抽放工作当作重点来抓。
　　2回采工作面瓦斯涌出及防治技术基础问题分析
　　2.1影响工作面瓦斯涌出的地质因素
　　瓦斯的形成和保存、运移与富集同煤层赋存的地质条件密切相关，并受到地质条件的制约。顶板、底板岩性参数及其透气、隔气性能；煤层中煤与瓦斯的吸附特征；煤的变质程度，即随着煤化程度的提高，在相同深度下，不仅瓦斯含量高而且瓦斯含量梯度也明显增大；区域地质构造特征；水文地质条件；岩浆作用以及煤层埋藏深度等等。
　　2.2影响工作面瓦斯涌出的开采技术因素
　　对于给定的工作面，在赋存条件确定的情况下，工作面开采技术条件的不同会影响工作面及其采空区的瓦斯涌出。主要开采技术因素为配风量大小；工作面的推进速度（产量）；不同的通风系统；工作面与采空区间的压差等。其主要表现为以下三点：
　　（1）综采工作面合理配风对控制采空区瓦斯涌出具有很重要的作用。风量过小，上隅角及回风易超限，但配风量过大，造成采空区瓦斯涌出量大，同样易造成上隅角瓦斯超限。
　　（2）随着工作面推进速度的加快，采空区的绝对瓦斯涌出量增大，而采空区的相对瓦斯涌出量随着推进速度的增加而减小。
　　（3）均压技术在控制采空区瓦斯涌出及均压抽放采空区瓦斯等方面是适用的。
　　2.3回采工作面瓦斯浓度分布规律
　　2.3.1工作面瓦斯浓度沿倾向方向分布规律
　　研究表明，工作面瓦斯浓度从进风侧至回风侧逐渐增大。进风到采面中部范围内瓦斯浓度变化不大，采面中部到回风上隅角瓦斯浓度增加较快，尤其是靠近回风侧瓦斯浓度较高。造成这种分布规律的原因是风流从进风侧经过采场时，有一部分风流至采面中部逐渐漏入采空区，漏入采空区的风流从工作面的后半段又逐渐返回到工作面，同时将采空区的较高浓度瓦斯带进工作面，使工作面瓦斯浓度逐渐增高，理论和实践表明，靠近回风隅角从采空区返回的风量最大，带出的瓦斯量也大，致使上隅角附近瓦斯浓度增高，这就是上隅角瓦斯容易超限的原因，如图1所示。
　　
　　图1工作面瓦斯浓度分布图
　　2.3.2工作面瓦斯浓度沿走向方向分布规律
　　在走向方向上，从煤壁至采空区(支架尾)瓦斯浓度呈现高、较高、低、较高、高的分布趋势，如图1所示，即在煤壁和采空区之间有一个瓦斯最低点和最高点，其中最低点位煤壁涌出瓦斯与采空区涌出瓦斯的分界点。
　　由此倾向和走向瓦斯浓度分布曲线可知，在靠近回风巷的工作面上部区域，存在一个瓦斯高集中区，为上隅角瓦斯集中区，因此防止上隅角瓦斯超限是工作面瓦斯治理的重点。
　　３回采工作面瓦斯综合治理技术
　　3.1上隅角插管抽放瓦斯
　　上隅角瓦斯抽放的主要原理是在工作面上隅角形成一个负压区,使该区域内瓦斯形成紊流状态与空气充分混合,由抽放管路抽走,这可以避免因工作面上隅角处局部位置因风流不畅(或无风)引起的瓦斯超限,还可解决因漏风使采空区向上隅角涌出瓦斯而造成的瓦斯超限。
　　
　　图2采空区瓦及上隅角插管瓦斯抽放图
　　为操作方便，靠近采面上隅角段管路可采用适当长的铠装软管与主抽放管路连接，将铠装软管插入上隅角，为保证软管吸入口处于上隅的上部(上部瓦斯浓度较高)，抽放软管与木棒绑在一直(避免软管口下垂)，用铁丝吊挂在支架上，为提高抽放浓度，上隅角处应采用挡风帘，提高抽放效果。随着工作的推进，拆下前端一段主管路，移动抽放软管，如此反复。抽放管伸入上隅角长度及位置应根据实际抽放效果，不断调整，得到合理的参数，如图2所示。
　　3.2顶板走向钻孔抽放采空区或邻近层瓦斯
　　钻孔利用工作面回采时采动压力形成的顶板裂隙作为通道来抽放煤壁卸压区、采空区上隅角顶部和上邻近层瓦斯。工作面在回采过程中瓦斯较大，采取增风措施后，虽然暂时解决了回风流瓦斯超限问题，但随着产量的增加，回风流瓦斯浓度经常超出临界状态，同时由于增风造成上隅角瓦斯积聚。为了解决上隅角瓦斯积聚问题,在工作面进风巷每隔一定距离设置一个高位钻场,每个钻场布置数个钻孔，每个钻孔都打到顶板裂隙带内，如图3所示。
　　
　　图3工作面顶板走向钻孔抽放瓦斯图
　　3.3高抽巷抽放
　　为了取得更好的抽放效果,路馆煤矿在采取钻孔抽放和上隅角抽放的同时进行了高抽巷的布置。高抽巷布置层位主要选择在顶板破坏的裂隙带内,不能过高,也不能过低。
　　４工程应用
　　4.1工程概况
　　湖南华润煤业有限公司路馆煤矿属于煤与瓦斯突出矿井，井田东西走向长5km、倾斜长5186km，面积2913km2。可采煤层4组,目前开采丁6、戊8、戊9、戊10煤层，其中丁6为突出煤层。戊组煤层分为戊8、戊9、戊10等3层，属于煤层群开采。戊8-22220采工作面开采戊8煤层，设计走向长度1000m,倾斜长度183m，采用综合机械化采煤法，采用全部垮落法管理顶板，后退式开采，绝对瓦斯涌出量13～16m3/min。其中下部赋存有两个煤层戊9、戊10，戊8与戊9煤层间距5.5～17.3m，戊9、戊10煤层间距0～3.4m，东薄西厚戊8平均煤厚2.0m。由于戊8-22220综采工作面初采期间没有采用综合瓦斯治理技术，隅角瓦斯浓度经常处于临界状态，特别是采空区(即临近层)涌出量占到60%左右。使用传统的U型通风方式已不能解决问题，故研究实施了煤层群高瓦斯综采工作面瓦斯综合治理技术。
　　4.2瓦斯治理技术
　　为强化瓦斯治理，最大限度地减少瓦斯对安全生产的制约，针对煤层群、高瓦斯综采工作面特性，多管齐下、采用高位钻孔抽放、上隅角插管抽放、本煤层卸压抽放，尾巷风排和强化管理相结合的综合治理措施，取得了良好的效果。
　　4.2.1高位钻孔抽放
　　井巷施工过程中在工作面风巷,沿工作面倾向掘出长度5m、宽度4m、高度3m的钻场。根据煤层地质条件,确定戊8-22220工作面合理的冒落带高度为10.5～14m,裂隙带高度为10～25m,在满足抽放有效距离及钻孔始抽距离的基础上,确定钻场间距为40m，每个钻场布置5个孔钻,孔仰角分别为4°～22°,夹角分别为15°～18°,钻孔长度90～120m(钻孔布置如图1示)。钻孔终孔距煤层顶板的距离为15～20m,受采空区漏风线影响,原则上钻孔终孔应尽量靠近上隅角,与上隅角水平距离预测为10～20m。利用∮200mm瓦斯管与抽放泵站连接进行抽放,抽放量为60～70m3/min。如图4所示。
　　
　　图4工作面钻孔抽放瓦斯图
　　4.2.2瓦斯综合治理辅助保障措施
　　1）加强上、下隅角充填,减少采空区漏风,强化工作面瓦斯管理；2）加强抽放系统、管路设备维护,确保抽放最大化,保证瓦斯抽放系统的完善、稳定、可靠；3）合理制定工作面过地质构造带措施,加强顶板维护,避免煤层顶板局部垮落时瓦斯异常涌出；4）加强初采期间的瓦斯治理；5）完善尾巷监测监控系统,安装瓦斯、温度、风速传感器，实现对尾巷内风流的有效监控,防止出现瓦斯超限、自然发火等；6）加强机电设备防爆检查、杜绝电器失爆；7）加强综合防尘管理,定期冲尘。
　　4.2.3瓦斯治理效果评价
　　通过对戊8-22220工作面进行瓦斯综合治理实践，释放治理瓦斯5～7m3/min。有效控制了瓦斯积聚，减少了采空区瓦斯涌出量和下部戊9、戊10煤层向工作面涌出量，消除了瓦斯对工作面安全生产的威胁，杜绝了瓦斯超限现象，取得良好的治理效果。
　　参考文献:
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　　[2]王兆丰.我国煤矿瓦斯抽放存在的问题及对策探讨[J].煤矿安全，2004(1):1-4.
　　[3]俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州:中国矿业大学出版社，1992.
　　[4]张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术[M].北京:煤炭工业出版社，2002.

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