综采工作面上隅角瓦斯综合治理技术应用

张良飞

(西山煤电(集团)有限责任公司 官地矿， 山西 太原 030022)

瓦斯作为井工矿井安全生产的重大威胁因素，一直都是管理的重难点。随着矿井集约化程度的提高，开采规模越来越大，瓦斯涌出量也越来越大，特别是采空区瓦斯，极易造成U型通风工作面上隅角瓦斯积聚甚至超限，制约矿井安全生产。官地矿根据井下各工作面实际回采布局及瓦斯涌出情况，采取了合理的上隅角瓦斯治理技术，以控制瓦斯浓度，保证安全生产。

1 矿井概况

官地矿隶属于山西焦煤集团西山煤电有限责任公司，是一座大型现代化省属重点煤矿，核定生产能力390万t/年。矿井绝对瓦斯涌出量为92.88 m3/min，相对瓦斯涌出量为12.73 m3/t，属高瓦斯矿井。煤层透气性系数在0.57～2.13 m2/MPa2·d. 矿井现布置3个回采工作面，分别为23512综采工作面、36408综采工作面、29409综放工作面，皆根据工作面瓦斯涌出情况在本煤层瓦斯抽采的基础上采取了上隅角瓦斯治理“一面一策”模式，其中23512综采工作面绝对瓦斯涌出量为6.11 m3/min，上隅角采取悬空拖管瓦斯治理方式。36408综采工作面绝对瓦斯涌出量为8.62 m3/min，上隅角采取采空区埋管+高位钻孔瓦斯治理方式。29409综放工作面绝对瓦斯涌出量为10.13 m3/min，上隅角采取采空区埋管+高位钻孔+大孔径钻孔瓦斯治理方式，3个工作面瓦斯均得到了有效治理。因此，在分析采煤工作面瓦斯情况的基础上，采取上隅角相应的瓦斯治理组合模式，既经济又安全，确保了矿井高效回采。

2 上隅角瓦斯积聚机理

采煤工作面上隅角积聚瓦斯主要来自于支架后部采空区，而采空区的瓦斯主要来源于两部分：1) 受采动影响邻近层涌入的瓦斯。2) 回采遗浮煤自身解析积聚的瓦斯。在采空区近工作面区域，由于受漏风风流冲刷扰动明显，呈现出瓦斯流速大,瓦斯浓度梯度从回风侧至近风侧降幅明显、从支架切线至采空区方向增幅明显等特点，大部分瓦斯被携带至工作面上隅角区域。随着工作面的推进，采空区漏风逐渐减少直至深部区域没有漏风，瓦斯分布也趋于平衡，直至达到静止状态。根据上述采空区瓦斯浓度分布及流体运移规律，将采空区瓦斯分布划分为三带，即瓦斯涌出带、过渡带及滞留带，因此控制采空区回风侧涌出带瓦斯是上隅角瓦斯治理技术的关键。

3 上隅角瓦斯综合治理技术

3.1 悬空拖管抽放

悬空拖管具有操作方便、抽放点连续的特点，能够与工作面的推进进度吻合，而且管材可以回收，降低了碎石与遗管摩擦火花风险，既经济又安全。官地矿23511综采工作面绝对瓦斯涌出量为8.61 m3/min，相对较小，所以上隅角采取悬空拖管瓦斯治理模式，效果良好。

悬空拖管抽放示意图见图1，在23511综采工作面回风巷布置一趟d325 mm低浓抽放管路，一直延伸至工作面煤壁切线往推进方向5～20 m处，并且改换d200 mm波纹可伸缩摆动软管继续延接至1#支架前立柱向后200 mm处，在距煤壁150 mm、巷道高度2/3处固定进行瓦斯抽放。随着工作面的推进，在端头密集支护掩护下，人工根据实际情况随时挪移抽放波纹管，使抽放点一直保持在1#支架前立柱后200 mm处。当上隅角未随采随落，出现空顶时，在1#支架前立柱处跺袋子阻隔，并且使抽放点刚好位于阻隔采空区侧。

图1 悬空拖管抽放示意图

3.2 采空区埋管抽放

埋管抽放属于一种开放式的瓦斯抽采，通过抽采管路末端敞开式埋管在上隅角区域形成的负压区，直接将采空区高浓度瓦斯通过埋管系统抽出，36408综采工作面埋管抽放系统见图2. 该系统在回风巷布置一趟d325 mm低浓抽放管路，并且在末端通过弯头连接一趟d325 mm、高度1 800 mm、上部带窗的竖管，末端竖管延伸至工作面后部采空区进行瓦斯抽放。埋管抽放的关键在于末端竖管位置，其位于采空区后5～30 m的瓦斯涌出带时抽放效果良好，所以在竖管埋入采空区后一定长度时开启抽放，同时准备埋入第二趟管路，两趟管路竖管间距保持为20 m，当第二趟管路竖管埋入采空区后，与第一趟埋入管路对接更换，甩去第一趟管路开启第二趟管路抽放，如此循环交替，直至工作面回采结束。

3.3 高位长钻孔裂隙带抽放

根据采场覆岩移动规律，采空区在矿山压力影响下在竖直方向上形成了冒落带、裂隙带、弯曲下沉带三带，在水平方向上形成了煤壁支撑区、离层区、后部压实区三区。高位长钻孔沿回风巷顶板走向布置在回风巷侧裂隙带内，通过采动影响下形成的裂隙通道，将采空区涌出及邻近层涌入的高浓度瓦斯带入抽采系统，同时在终孔位置离层裂隙带形成的负压区，也使得上隅角区域流场重新分布，相对减少了上隅角瓦斯积聚。

图2 采空区埋管抽放示意图

高位长钻孔裂隙带抽放关键在于终孔位置的选择，官地矿36408综采工作面高位长钻孔布置示意图见图3. 钻孔布置在回风顺槽斜向切眼方向，开孔位置在巷道顶帮交界处，在切眼外30 m处布置第一个钻场，钻场间距30 m，每个钻场施工4个钻孔，孔径113 mm. 1#钻孔终孔距煤壁水平投影取15 m，终孔垂高取煤层厚度6倍14.94 m；2#钻孔终孔距煤壁水平投影取25 m，终孔垂高取煤层厚度6倍14.94 m；3#钻孔终孔距煤壁水平投影取35 m，终孔垂高取煤层厚度8倍19.92 m；4#钻孔终孔距煤壁水平投影取45 m，终孔垂高取煤层厚度8倍19.92 m. 参数见表1.

图3 高位长钻孔布置示意图

表1 高位长钻孔参数表

3.4 超大直径钻孔瓦斯抽放

超大直径钻孔瓦斯抽放是在传统U+L巷道布置上演变来的。传统的U+L通风方式通过横贯将上隅角积聚瓦斯截流至瓦斯治理巷，治理效果良好，回采速度也大大提高，但其横贯施工封闭工程量大，维护成本高，且治理巷瓦斯大易超限，而超大直径钻孔抽采恰好弥补了这一缺陷，既减少了横贯的施工，又使用管路排放了瓦斯，更安全高效。

官地矿29409综放工作面超大直径钻孔抽放系统见图4，利用大孔径钻机从29409瓦斯治理巷向工作面回风顺槽垂直煤壁打d380 mm大孔径钻孔，终孔高度为距巷道底板2 m，孔间距为30 m，并且保持末端位于采空区瓦斯涌出带的两孔带抽，随工作面推进不断前移更替带抽孔，直至回采结束。

图4 超大孔径瓦斯抽放示意图

3.5 沿空留巷Y型通风瓦斯治理

Y型通风是指在工作面的上下两端各设一条进风巷，另在采空区一侧设回风道的通风方式，它与传统U行通风方式不同，上隅角不易积聚瓦斯，且回收了煤柱。官地矿12605工作面 Y型通风布置示意图见图5，工作面两顺槽均为进风，风流经工作面在上隅角汇合后由采空侧留巷经12607备用面流出，由于工作面所配风量全部用以稀释上隅角瓦斯，所以瓦斯治理效果良好，而且该布局在采掘接替、经济效益方面也很可观。

图5 12605工作面Y型通风示意图

4 瓦斯治理情况

各工作面上隅角瓦斯浓度随推进变化情况见图6. 由图6可以看出，各工作面上隅角瓦斯浓度均控制在0.5%以下，多数时间能够控制在0.3%上下，远低于《煤矿安全规程》要求的1.5%，瓦斯控制效果良好。工作面瓦斯风排及抽采量变化曲线见图7、8. 由图可以看出，各工作面瓦斯抽采量均比较稳定，23512和12605工作面由于采取的抽采方式单一，抽采量稳定在2 m3/min左右，而36408和29409工作面由于采用了多种瓦斯抽采组合方式，抽采量明显提升，能够稳定在6 m3/min左右，但无论是哪种抽采组合方式，工作面的风排瓦斯量虽小有波动，可均未超5 m3/min，表明根据工作面瓦斯赋存规律，采取合适的治理模式，作业空间瓦斯涌出得到了有效控制。

图6 上隅角瓦斯浓度变化曲线图

图7 风排瓦斯量变化曲线图

图8 抽采瓦斯量变化曲线图

5 结 论

1) 官地矿23512、36408、29409、12605工作面绝对瓦斯涌出量分别为6.11 m3/min、8.62 m3/min、10.13 m3/min、6.87 m3/min，根据瓦斯涌出量大小，针对上隅角瓦斯，矿井在瓦斯涌出量较小的工作面采取了悬空拖管抽放单一治理方式，在瓦斯涌出量较大的工作面采取了采空区埋管抽放结合高位长钻孔裂隙带抽放、超大孔径钻孔抽放的组合治理方式，而在条件允许的12605工作面采取了Y型通风瓦斯治理，上隅角在采取相应的瓦斯治理方式后，瓦斯涌出量大大减小，浓度也控制在了合理范围内，瓦斯得到了有效治理。

2) 上隅角悬空拖管抽放、采空区埋管抽放、高位长钻孔裂隙带抽放、超大孔径钻孔抽放及Y型通风瓦斯治理各有优劣，其瓦斯治理效果逐步增强，在分析工作面布局、瓦斯情况的基础上，综合考虑人力、经济等方面因素，选择合适的瓦斯治理组合模式，可以确保工作面安全高效回采。

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