3407综采工作面上隅角瓦斯治理

2013-07-30张志斌

山西焦煤科技 2013年4期

张志斌

(山西省太原西峪煤矿，山西太原 030021)

太原西峪煤矿是瓦斯矿井，投产以来瓦斯涌出量一直较低，但近年来，随着开采深度的增加，矿井瓦斯涌出量呈逐年上升趋势。工作面瓦斯涌出量不断增大，尤其是上隅角瓦斯急剧升高，频繁超限，严重影响了工作面的安全生产。在对回采工作面瓦斯涌出规律进行分析研究的基础上，通过采取综合措施，对上隅角瓦斯积聚进行治理，取得了明显成效。

1 工作面概况

3407工作面位于四采区主下山左翼，上山为左翼集中运输巷、回风巷，下山方向为3401未采实体煤，相邻区NW为3405工作面采空区，SE为采区主下山，所采煤层为3#煤。工作面设计走向长度为140 m、倾斜长度为1000 m左右，煤层厚度为5.0 m左右，厚度相对稳定，煤层倾角4°～14°，平均8°左右。工作面绝对瓦斯涌出量为4.5 m3/min，煤尘为弱爆炸性，煤层自燃倾向性为Ⅲ类，煤层瓦斯含量为3.515 ～5.059 m3/t，煤层瓦斯压力为0.43 MPa，钻孔瓦斯流量衰减系数为0.073 ～0.115 d－1，煤尘透气性系数为1.798 m2/MPa2·d，属于较难抽放煤层。工作面采用“U”型通风方式，设计配风量为1350 m3/min。工作面采用综采放顶煤工艺，回采循环步距为0.5 m。工作面布置情况见图1。

图1 3407工作面平面布置图

2 工作面上隅角瓦斯涌出规律分析

回采工作面上隅角是否积聚瓦斯，与工作面的通风系统有着密切关系，该矿工作面通风方式为“U”型，是一种容易引发工作面上隅角瓦斯积聚的通风方式。通过现场对瓦斯、风量的检测及对通风情况、生产情况、煤层赋存情况、抽放系统运行情况等对比分析，发现采空区瓦斯在上隅角区域集中涌出是造成上隅角瓦斯超限的主要原因。

通过研究分析，该矿类似工作面瓦斯涌出规律是:回采工作面瓦斯浓度和瓦斯涌出量从进风侧到回风侧逐渐增大，工作面瓦斯浓度和涌出量平均增长幅度不大，但从工作面中后部到工作面回风侧瓦斯浓度平均增长速度较快，且距工作面回风侧15 m范围内的瓦斯涌出强度最大，因在通风负压的作用下，在工作面进风侧进入采空区的风流，将在工作面回风侧流回工作面，进入回风巷，风流流回工作面过程中带出采空区内高浓度瓦斯，致使工作面上隅角瓦斯超限。由于该工作面瓦斯涌出强度最大范围比较窄，容易导致上隅角区域瓦斯浓度急剧升高，影响工作面正常回采;工作面沿推进方向涌出规律是:从进风侧至中后部煤壁处工作面瓦斯浓度较高，然后逐渐下降，至中后部(距回风巷约为工作面全长1/3处)基本持平，然后采空区侧瓦斯浓度逐渐升高，靠近上隅角区域涌出的瓦斯浓度比较高。说明工作面漏风带较宽，容易引起采空区瓦斯在上隅角区域集中涌出，造成上隅角瓦斯超限现象。

3 瓦斯治理综合措施

根据该矿回采工作面瓦斯涌出规律及目前所具备的治理条件，提出并实施以下上隅角瓦斯综合治理措施:

3.1 调整配风量

常用的回采工作面处理瓦斯超限方法首选就是加大风量，以稀释和排除瓦斯。但是如果工作面配风量过大，势必造成工作面进回风之间压差变大，引起采空区漏风强度增大，漏风带宽度增加，漏风风流从采空区内携带出高浓度瓦斯在回风侧流回工作面，使得上隅角瓦斯涌入量增加。因此，应加强配风的计算，使工作面保持较为合适的风量。根据现场试验，该工作面由1200 m3/min降至1000 m3/min，效果比较明显，副巷及上隅角瓦斯浓度降低30%以上。

3.2 抽排上隅角瓦斯

3.2.1 抽放钻孔抽排上隅角瓦斯

在工作面回风巷靠工作面帮设置钻场，施工抽放钻孔，利用移动瓦斯抽放系统，边采边抽排上隅角处瓦斯，以减少其向风流中的涌出量。根据现场实际情况，多次调整钻孔参数，确保抽放量。

本工作面抽放钻孔设计采空区瓦斯抽放，约在开切眼50 m处打第一钻场，将钻孔终孔位置设计在上层煤层底板处或靠近上隅角区域，使工作面回采、采空区垮落后能抽放采空区的瓦斯来缓解采空区瓦斯在负压作用下在上隅角的积聚;相邻两个钻场间距为40 m，相邻两个钻场的钻孔终孔位置间距为20 m，原设计为一个钻场单独抽放，后来根据实际情况，调整为两个钻场同时抽放。

1)钻场合理间距和钻孔合理深度。

因受施工条件限制，本工作面顶板高位钻孔间，搭接距离太短，影响钻孔的有效抽放距离，结合该矿井的实际条件，工作面回风巷卸压瓦斯抽放钻孔长度为60～90 m，钻场间距应取40 m左右为宜，使两相邻钻场间钻孔在空间上能有充分重叠，即当前钻场抽放钻孔的最佳抽放量点恰好为下一钻场钻孔的抽放的起点，使钻场钻孔对采空区上方裂隙带瓦斯能进行接续抽放，保证抽放效果。

2)单个钻场内钻孔数量。

根据对钻场单个钻孔的抽放情况考察结果，结合钻孔终孔位置考虑，对于和3518类似赋存情况工作面来看，长度60～90 m的钻孔，每个钻场采用6个孔即可保证抽放效果。

3)钻孔最佳终孔位置。

根据对顶板高位钻孔的观测，结合施工时终孔位置，终孔于3#煤层顶板15～25 m，据回风巷距离15～30 m范围内的钻孔抽放效果比较好，说明在同样的赋存条件下，该区域顶板裂隙内积聚瓦斯比较多，在该区域内所布钻孔大多抽放效果较好。

3.2.2 上隅角埋管抽排瓦斯

上隅角埋管的原理是利用综放面采用锚杆和锚索支护方式，回采时靠近回风巷帮的巷道顶板冒落滞后于工作面顶板，在该空间内预埋靠近顶板的水平管接入已有的抽放瓦斯管路，工作面采过后，等顶板冒落将管道埋住后，将预埋管作为上隅角长期的抽放管道，随着此管埋入采空区可以拦截通过该区涌入上隅角的瓦斯，在一定程度上可改变采空区的瓦斯流动方向，同时可以增加瓦斯抽放量。

具体操作:预埋d108管路，在d108管路上再连接高1.5 m，水平长度2 m的d50 mm钢管，钢管周围打孔，使老空内的高浓度瓦斯通过吸气孔进入抽放管道。水平管出口用铁纱网包好，以防止煤矸石进入抽放管路;花管用木垛支撑，以防止压断垂直抽放管路;为防止采空区冒落矸石砸在管上产生火花，在瓦斯管路埋入采空区前，必须用木板盖在瓦斯管路上，保护瓦斯管路。经过多次试验，每一处预埋水平管间距15 m时效果最佳，根据现场条件，一般按12 m或18 m操作。从上隅角瓦斯综合治理效果考察中可看出，上隅角预埋水平管对治理上隅角的瓦斯效果较好。

3.2.3 泵体抽放负压的调节

本工作面治理过程中，使用抽放对象为卸压瓦斯，但上隅角瓦斯抽放的最佳抽放负压与回风巷钻孔最佳抽放效果所需的抽放负压并不一致，通过对抽放过程中的实际抽放参数进行整理，发现在抽放负压为在18～30.0 kPa范围内时，整个抽放系统中抽放浓度比较高，抽放量较大，建议具有类似抽放条件时使用此段抽放负压为宜。但应指出的是，使用多种抽放方法对瓦斯进行综合抽放时，具体的最佳抽放负压应根据实际情况进行调节，以确保在不同的抽放条件下取得最佳抽放效果。

3.3 上隅角瓦斯局部积聚治理综合措施

根据上隅角及机尾处瓦斯局部积聚情况，采取了以下综合措施:

3.3.1 现场挂引风幛

在上隅角及刮板运输机机尾处设置两道挡风帘，增大通过上隅角的风量以稀释瓦斯。一道风帘挂在工作面煤壁到倒数第二架与第三架支架之间，以引导风流进入后部刮板运输机，另一道的位置从上隅角到工作面端头支护的前侧支柱。

3.3.2 保证有效通风断面

加强工作面机尾端头支护的管理，保证工作面后部刮板运输机入口的通风断面和后部刮板运输机运输空间的有效断面，主要是放煤后对支架尾梁的控制和后部刮板运输机两侧堆积的浮煤及放顶落煤及时运走和清理，放顶煤后及时将支架尾梁调整到最高位置。

3.3.3 减小上隅角深度

上隅角空间的大小，决定上隅角的瓦斯存在情况。回采工作面上隅角由于工作面机尾切顶柱不及时回撤或工作面刮板运输机不直，极易形成锐角式的隅角，造成上隅角范围扩大且通风困难，往往造成瓦斯积聚。采取综合措施，在现场工作中，要及时回撤切顶柱，要求切顶柱必须与后部刮板运输机机尾回齐，严禁切顶柱滞后，同时规定在副尾退柱期间，无论瓦斯是否超限，工作面必须执行停产断电，确保回柱期间的安全。

3.3.4 适当增加上隅角的宽度

回采工作面由于回采过程中移架操作，有时使支架向副巷一侧偏移，导致上隅角处支架距巷帮距离太近，从而导致上隅角成为一狭窄的长条，使风流难以流经上隅角，导致瓦斯超限。根据措施要求，保持上隅角宽度与副巷宽度相同，以确保挂风障等措施的实施。

3.3.5 确保副巷安全出口的高度

由于副巷安全出口高度不够，导致机尾风流不畅，易造成上隅角瓦斯积聚。措施规定，副巷安全出口20 m范围内必须确保设计高度，并与上隅角高度持平，确保风流通过。

3.3.6 压风、喷雾装置的应用

针对工作面机尾端头支架上方侧护板处等个别地点局部积聚的瓦斯不易处理的情况，现场采用了压风、喷雾装置，利用风、水产生的压力来冲淡、稀释局部积聚的瓦斯，对于上隅角局部积聚的瓦斯处理起到了较好的补充作用。

1)高压风管:将与副巷风管相连的高压胶管，挂在局部瓦斯积聚处，由高压风管喷出的风喷射到局部积聚处，稀释积存瓦斯。

2)静压喷雾设施:将通过胶管与副巷水管相连的喷头(喷头的数量由现场确定)，挂在瓦斯局部积聚处上方或侧方，由喷头喷出的水雾喷射到局部积聚处，稀释积存瓦斯。

3)在隅角切顶柱靠采空区侧，贴切顶柱安设一道平行水幕，保持常开，喷雾朝向采空区侧，以冲淡、稀释切顶排柱靠采空区侧瓦斯。

4 治理效果

该工作面回采期间，瓦斯浓度基本在0.3% ～0.8%，未影响工作面正常生产，确保了工作面顺利采完。虽短时间曾达到1.5%以上，其主要原因是副尾处巷道超高，通风不畅，造成副巷局部瓦斯积聚，与上隅角治理综治措施的落实，关系不大。回风巷瓦斯由原来的0.5%降至0.15% ～0.20%，抽放量平均52 m3/min，抽放纯量平均为 2.3 m3/min。