浅析综采工作面的瓦斯治理方法

李勇

（云南省能源安全监测中心 云南昆明 650200）

1 概述

瓦斯管理是煤矿矿井安全的重要环节，也是薄弱环节。防治瓦斯超限是煤矿管理的重点工作，工作面瓦斯的超标是影响煤矿生产主要影响因素之一［1-5］。随着矿井开采机械化程度的不断提高，煤矿掘进速度大幅度加大。因此，在单位时间内从工作面涌出的瓦斯量急剧增大，瓦斯浓度超标现象频繁发生。特别是当采掘工作面采空区侧悬顶距离过大时，上隅角涌出的高浓度瓦斯气体无法快速扩散至风流，造成局部瓦斯浓度超标。在实际生产过程中，瓦斯浓度超标不但对开采人员的身体健康造成威胁，并容易引发重大安全事故，严重时给煤矿开采企业带来巨大经济损失［3-5］。

国内某煤矿属高瓦斯矿井，采用单一走向的长壁后退式综合机械化采煤方法，如图1 所示。通过采用全部垮落法管理顶板，在综采工作面布置1 台双滚筒采煤机，选用ZY3800/11/25 型掩护式液压支架进行护顶，机巷和回风巷分布采用锚喷支护。实际生产中，综采工作面超前支护的自煤壁不小于20 m，并采用“一梁三柱”方法进行支护。在机巷和回风巷处，采用DW25-250/100X 型单体液压支柱，并配合π 型钢梁进行支护。在综采工作面上、下端头附近，采用“四对八梁”支护，规格为DW25-250/100X 型单体柱，配备π 型钢梁进行联合支护。矿井内采用U 型通风的方式，风量满足正常生产需求。实际生产过程中，综采工作面上、下端头靠采空区侧部位，顶板悬顶距离普遍超过6 m。此外，为了降低工作面附近瓦斯浓度超标现象，在回风巷设置了2 趟瓦斯抽放管，抽放管直径为280 mm。

图1 综采工作面平面图

2 瓦斯分布特征

煤矿采用U 型通风方式，一部分风流沿着工作面流动，将新鲜空气送入工作面；另一部分沿采空区流动，将工作面中空气送入采空区，再流向外界。为了研究综采工作面内瓦斯浓度的分布情况，由下向上间每隔一定的距离，对瓦斯浓度检测，如图2 所示。检测点位置分别为P1、P2、P3、P4 处，通过实验检测，检测点瓦斯浓度分别为1.20%、0.62%、0.58%、0.28%。此外，在综采工作面附近，瓦斯呈现如下分布特征：

（1）工作面上隅角瓦斯积聚。相对于空气而言，瓦斯密度相对较低。当工作面具有一定高度时，易产生“瓦斯风压”，驱动采空区内高浓度瓦斯向上隅角方向运动，使此采空区成为瓦斯聚集地。此外，当悬顶区顶板不能及时快速垮落充填时，给瓦斯积聚创造了时间和空间，从而造成上部瓦斯浓度大于下部瓦斯浓度。

（2）高浓度瓦斯积聚范围大。在综采工作面上下出口处，主流风向发生改变，风流受U 型几何边界限制，在上隅角附近风流速度普遍相对较低，并呈现涡流分布，如图2 所示。由于风流涡流运动，使上隅角积聚的瓦斯难以进入回风巷的主风流中，这样造成瓦斯扩散速度缓慢。随着时间的推移，瓦斯气体不断在此区域内进行循环运动，高浓度瓦斯大范围内积聚，最终造成瓦斯超限。

图2 瓦斯积聚图

（3）风流驱散瓦斯作用小。在综采工作面上下端头两巷切顶线以内，靠采空区侧部附近，由于悬顶距离已超过6 m，风口距此该部位距离较大，主流风的脉动作用很小，无法充分促进瓦斯气体扩散风流中。此外，在上隅角处出现速度差，综采工作面风流对该部位的瓦斯驱散作用很小，容易造瓦斯积聚。

3 瓦斯治理措施

目前，综采工作面上隅角瓦斯积聚的治理方法主要有：压风引射器引排法、“脉动通风”吹散法、钻孔及埋管抽放法、尾巷排放法、小型液压风机吹散法等。结合国内某矿井综采工作面上下端头两巷切顶线内，靠采空区侧部位的瓦斯分布情况，通过多次生产实践探索和应用，目前主要采用以下几种方法解决局部瓦斯浓度超限难题，实现矿井安全稳定生产。

（1）选择合理快速的移架方式。合理的移架方式不仅需考虑移架的速度，还需考虑顶板管理的影响。在选择移架方式时，要结合煤矿顶板岩层稳定性进行分析。合理的移架方式能够有效支撑顶板，使机道和采空区顶板悬顶时间最短，防止顶板事故的发生。在采空区内，顶板随工作面推进并及时垮落，直接影响综采工作面瓦斯涌出及瓦斯治理。

（2）卸下悬顶区域锚喷支护的锚杆螺帽及托盘。在靠采空区侧部位，锚喷支护强度较大是造成悬顶距离过大的主要原因。在实际生产中，该部位顶板不能随工作面的推移而及时垮落。在推移上下端头“四对八梁”支护时，及时卸下靠近采空区侧锚喷支护的锚杆螺帽及托盘，以减小锚托盘悬顶的托力，大幅度促进顶板快速垮落，并充填采空区，减少瓦斯积聚的空间范围。

（3）悬顶区密闭处理。根据某矿井综合面开采作业情况，主要采用两种方法对悬顶区域密闭处理：①靠近采空区侧悬顶距离过大时，采用矿用KSQN-30 快速气囊密闭悬顶区域。该方法是利用井下压风或气瓶让气囊膨胀，使气囊紧密贴合悬顶区域巷道空间，对该部位瓦斯气体排挤，迫使积聚瓦斯逸散到工作面风流中。②在端头支架后切顶线悬顶区域，可采用沙袋或砖墙进行临时密闭。该方法能够有效地隔离悬顶区域积聚的瓦斯，并配合瓦斯抽放管进行综合治理。然而，在实际操作过程中，该方法工程量较大，当密封不严实时，瓦斯气体容易溢出，造成上隅角瓦斯超标，实际应用效果较差。

（4）风障法。当综采工作面上隅角瓦斯浓度超过1%时，将直径800 mm 的风筒拆开作为风障，引导风流至上隅角处吹散积聚瓦斯。实际操作过程中，该方法能够经济、快捷、有效的处理上隅角瓦斯积聚，但往往存在引风量小、占据工作面空间大、工作面通风阻力大、人员视线差、安全度较低、稳定性较差等缺点，对安全生产仍存在一定的隐患。

（5）后退式预埋竖管抽放。采用后退式预埋竖管法，抽放上隅角及悬顶区域内的瓦斯。在每间隔一定距离，将直径280 mm的瓦斯抽放管上安装不同孔洞的支管，对采空区顶板区域瓦斯进行抽放。在煤炭开采生产过程中，抽放管路布置随着工作面后退及时安装，并根据实际情况及时抽放综采工作面附近瓦斯气体。

（6）引排（抽排）法。在综采工作面上隅角处，设置一趟铁风筒或骨架风筒，并将风筒直接布置到回风巷口外的安全地点。利用风筒两端的压差，对上隅角及其悬顶区域瓦斯进行排放，以降低瓦斯浓度。在实际操作中，此方法存在一定缺陷，如风筒布置距离长、设备管理困难，可靠性较差。

4 结语

根据国内某高瓦斯矿井的实际生产情况，采用实验方法测定综采工作面附近瓦斯浓度，获得综采工作面附近瓦斯分布特征，分析了上隅角瓦斯积聚的原因，探索实践了不同瓦斯治理方法，并采取合理的瓦斯抽放措施，有效地治理了悬顶区瓦斯积聚难题，确保煤矿安全稳定生产。