下行通风综放工作面瓦斯异常涌出控制技术

2022-09-28牛文强李春强

陕西煤炭 2022年5期

牛文强，李春强

(1.陕西陕煤铜川矿业有限公司，陕西铜川 727000；2.陕西陕煤铜川矿业有限公司陈家山煤矿，陕西铜川 727102)

0 引言

瓦斯是煤的伴生气体，主要成分是甲烷，主要以吸附态赋存于煤体孔隙中[15]。在煤矿开采过程中，瓦斯灾害治理不当可能导致瓦斯爆炸、瓦斯窒息甚至煤与瓦斯突出事故，严重威胁煤矿工人的安全[69]。瓦斯异常涌出是瓦斯灾害预警指标之一，因此，对高瓦斯工作面开采过程中的瓦斯异常原因进行分析并提出具体的治理措施具有重要意义。

针对高瓦斯工作面瓦斯异常涌出现象，众多专家学者提出了一些有益的防治方法。向东[10]针对掘进工作面瓦斯异常涌出问题，提出增大供风量、保护煤柱宽度，加强支护强度等措施，有效降低了工作面及回风流瓦斯浓度。刘晓恒等[11]针对综放工作面推进至瓦斯异常区时，采空区瓦斯涌出量大、回风隅角和回风流瓦斯超限问题，提出设置隔离墙、导风帐、埋管抽放的采空区-上隅角瓦斯治理、均压通风和高位钻孔瓦斯抽采技术，有效防止了瓦斯超限和异常涌出事故。王帅等[12]研究了大气压力变化对瓦斯异常涌出的影响，提出采取顶板瓦斯抽采负压动态调整与上隅角明管抽采综合技术措施，降低了极端天气条件下采空区瓦斯异常涌出数量与强度，保障了工作面的安全生产。王春光[13]以塔山煤矿为例，研究了煤层注水抑制落煤瓦斯涌出和专用巷分期抽排采空区瓦斯联合防治技术来治理瓦斯异常灾害，结果表明该技术可以将回采期间的工作面瓦斯浓度控制在0.6%以下。郭翔[14]研究了矿井采空区“呼吸”导致的瓦斯异常涌出情况，提出了采空区瓦斯抽采、工作面均压通风和巷道喷涂堵漏风技术，有效抑制了大气参数变化引起的瓦斯异常涌出。李岗[15]从自然和非自然因素2个方面探讨了采空区瓦斯涌出量的影响，为瓦斯异常涌出原因分析提供了参考。虽然前人进行了大量的研究，但是仍需要进一步对采空区瓦斯异常涌出原因进行分析验证，然后提出合理的防治措施。

以陕西陕煤铜川矿业有限公司陈家山煤矿429工作面瓦斯异常涌出现象为例，分析下行通风方式、自然风压对工作面瓦斯异常涌出的影响，并对其进行分析验证，根据429工作面瓦斯异常涌出原因提出具体防治措施。

1 工程背景

1.1 429综放工作面概况

429工作面位于四采区东翼，东翼主系统右侧，切眼位置位于陈家山煤矿与下石节煤矿边界左侧，留有20 m边界保安煤柱，上侧为427工作面采空区，下侧为未开采区域。工作面可采走向长度1 544 m，倾斜宽度180 m。429工作面开采煤层为4-2煤层，该煤层底板起伏较大，底板标高为930～1 019 m，埋藏深度为473～576 m，最深处位于429运输巷50 m处；最浅处位于429运顺940 m处。4-2煤层厚度2.8～4.5 m，平均3.4 m。含夹矸1～3层，夹矸厚度一般为0.1～1.5 m，平均厚度1.0 m。煤层厚度变化规律明显，从停采线到开切眼方向，煤层总体由薄变厚。煤岩层运输巷倾角为0°30′～3°50′，平均2°30′；回风巷0°30′～6°00′，平均4°30′。运输巷高于回风顺槽5～18 m，煤岩层倾角为0°40′～5°42′，平均3°。

1.2 瓦斯赋存情况

陈家山煤矿煤、油、气共存，属于典型的高瓦斯矿井，瓦斯赋存形式为吸附游离兼有，含量随着矿井开采深度、煤层厚度、开采强度的增大而增大，尤其在裂隙发育，煤层受挤压后结构破碎部位，瓦斯聚集显现更为严重。依据“陈家山煤矿生产地质报告”，4-2煤层瓦斯含量为0.69～7.26 mL/g，平均为2.87 mL/g，瓦斯成分CH4占22.85%～79.24%，平均63.0%；N2占18.01%～69.07%，平均34.0%；其他主要为CO2及C2H6，约占3%。在掘进施工时瓦斯涌出量随施工进度逐渐变大。

依据《铜川矿业公司陈家山煤矿生产矿井地质报告》和427工作面在回采期间的瓦斯绝对涌出情况，结合429工作面4-2煤层瓦斯绝对涌出量等值线图和掘进期间边掘边抽和采前预抽情况，综合分析预测，429工作面回采期间的瓦斯绝对涌出量为21.5～29.5 m3/min。

2 瓦斯异常涌出

2.1 巷道状况

429工作面从2018年12月29日开始顶板出现瓦斯异常涌出，时间一直持续到2019年2月9日，异常涌出期间运输顺槽和回风顺槽之间的高差在17～20 m，且回风顺槽巷道受压变形严重，靠近工作面200 m范围巷道仅达到设计断面1/3，安排了两个专职掘进队伍进行维护起底，起底后巷道高度在1.7～1.8 m，断面4～6 m2，仅能满足工作面正常生产需要，达不到巷道通风要求。

2.2 异常涌出前通风、抽放及瓦斯情况

429工作面配风量为1 230 m3/min，回风顺槽回风量910 m3/min，工作面瓦斯抽采主要采取“上隅角一趟埋管抽放+高抽巷抽放”治理工作面瓦斯。上隅角埋管采用第3套SKA-670泵进行抽放，高抽巷采用第5套2BEC72泵进行抽放，工作面绝对瓦斯涌出量在28.31 m3/min左右。其中，风排瓦斯量在3.64 m3/min左右，抽放瓦斯量在24.67 m3/min左右(上隅角埋管抽放量1 m3/min，高抽巷抽放量23.67 m3/min)，上隅角瓦斯浓度为0.4%～0.6%，风流瓦斯浓度为0.3%～0.5%，回风瓦斯浓度为0.3%～0.54%。

2.3 瓦斯异常涌出情况

顶板瓦斯异常涌出分别于2019年1月7日12—13时及1月14日9时30分、12时45分左右造成工作面多处瓦斯接近报警临界值，经检查，造成瓦斯偏大的主要原因是工作面前端头、1#～40#支架顶板均有瓦斯异常涌出，瓦斯浓度最大在0.95%以上；顶板瓦斯异常涌出期间，工作面绝对瓦斯涌出量在20～32 m3/min，平均17 m3/min。其中风排瓦斯量在5～17 m3/min，平均7 m3/min，抽放瓦斯量平均15 m3/min。

429工作面出现顶板瓦斯异常涌出前至1月4日，井下采用多功能抽采参数仪测定429高抽巷流量在200 m3/min左右，1月5日429高抽巷流量开始下降，1月24日429高抽巷流量降至36 m3/min，从1月27日开始直到顶板瓦斯异常消除期间，429高抽巷流量均不足1 m3/min。

为了减少429工作面顶板瓦斯异常涌出现象，配风量相比以往工作面大500～800 m3/min，加之429高抽巷抽放流量不断降低等不利因素，造成采空区漏风大，对上隅角瓦斯治理不利。又因上隅角仅有一趟埋管进行抽采，不能满足上隅角瓦斯治理需要，从1月24日开始利用回风巷预抽系统再次向上隅角安装了二趟埋管进行治理，治理后上隅角瓦斯浓度在1%以下，满足了工作面正常生产需要。

3 瓦斯异常涌出原因分析

3.1 下行通风

429工作面为上山推采，运输巷布置高于回风巷，为下行通风，当工作面推采至429运输巷4#～7#钻场之间时，工作面前端头及1#～40#支架顶板出现了瓦斯异常涌出现象。如图1所示，工作面从里段向外推采时，运回巷高差逐渐变大，当推采至429运输巷4#～7#钻场中间时高差最大，达到20 m，继续向外推采时，运回巷高差逐渐减小。分析瓦斯异常涌出区段，可得出结论,在工作面采用下行通风条件下回采，运回巷高差超过17 m时，会出现采空区瓦斯风流方向逆转现象，导致工作面靠近运输巷侧采空区大量瓦斯积聚，由于工作面为上山推采，受瓦斯气体密度影响，采空区积聚的大量瓦斯沿工作面支架顶板裂隙溢出，造成工作面瓦斯异常。

图1 429工作面顶板瓦斯异常涌出期间巷道布置剖面Fig.1 Layout section of roadway during abnormal gas emission from the roof of 429 working face

3.2 自然风压

图2为自然风压使风流反向示意，根据自然风压计算公式

HN=Hs-RcQ2

(1)

式中，HN为自然风压，Pa；Hs为风机静压，Pa；Rc为风阻，N·s2/m8；Q为风量，m3/s。

图2 自然风压使风流反向示意Fig.2 The natural wind pressure reverses the wind flow

当风阻Rc降低时，自然风压上升。

通过分析429工作面瓦斯异常涌出期间采空区瓦斯赋存及通风系统，如图3～5所示，可得出：采用降低进风风阻措施后，可增加采空区自然风压，以减少采空区风流反向。

图3 429工作面顶板瓦斯异常涌出期间降阻后采空区瓦斯赋存Fig.3 Gas occurrence in goaf after resistance reduction during abnormal gas emission from the roof of 429 working face

图4 429工作面顶板瓦斯异常涌出期间降阻后通风系统Fig.4 Ventilation system after resistance reduction during abnormal gas emission from the roof of 429 working face

图5 429工作面顶板瓦斯异常涌出期间采空区瓦斯赋存剖面Fig.5 Gas occurrence profile in goaf during abnormal gas emission from the roof of 429 working face

另根据自然风压计算公式

HN=Zg(ρ1-ρ2)

(2)

式中，Zg为至最低水平间的距离，m；ρ1为进风空气密度，kg/m3；ρ2为回风空气密度，kg/m3。

空气密度计算公式

ρ=3.484(P-0.377 9φPs)/(273.15+t)

(3)

式中，ρ为湿空气平均密度，kg/m3；P为湿空气绝对静压，kPa；φ为湿空气相对湿度，%；Ps为湿空气中饱和水蒸气绝对分压，kPa；t为湿空气温度，℃。

通过式(2)、式(3)可知，当气温升高时，空气密度降低，相应自然风压减小。

由此可得，受气温变化，地面温度回升期间，采空区自然风压不断降低，导致采空区瓦斯风流反向程度加大，因此顶板瓦斯异常涌出严重时间段应出现在地面气温最高时间段，从429工作面出现的2次超限可以得到很好验证。

3.3 分析验证

429工作面末采及运输巷回撤设备期间同样为下行通风，工作面处于末采及回撤阶段于每天10—15时之间工作面前端头以及1#～10#顶板出现瓦斯异常涌出现象，局部瓦斯浓度在10%以上，其间运回巷道高差在9 m左右，末采期间工作面进风1 050 m3/min左右，回风保持在750 m3/min左右，高抽巷抽放配气打开一半，瓦斯异常涌出期间未采取增加工作面风量、降低风阻及恢复高抽巷抽放等措施，仅在出瓦斯区域施工顶板短孔进行治理，治理后效果并不明显，因此也有效论证了429工作面顶板瓦斯异常规律分析结果。

4 现场措施及效果

2019年1月7日出现瓦斯异常涌出时，经检查，主要原因是工作面前端头、1～10#支架顶板瓦斯异常涌出。现场采取的措施：①工作面增加风量370 m3/min后，运输顺槽进风1 566 m3/min，回风顺槽回风1 261 m3/min；②在工作面前端头瓦斯异常涌出段施工2组8个顶板抽采短孔。经过治理后，15时工作面瓦斯有所降低，异常涌出点瓦斯降至0.8%以下，满足正常生产条件，工作面正常开机生产。

2019年1月14日出现瓦斯异常涌出时，经检查，主要原因是工作面1#～40#支架顶板瓦斯异常涌出。现场采取的措施：9时30分出现瓦斯异常涌出时，采取了系统减风，工作面风量在原有基础上增加310 m3/min后，运输巷进风1 920 m3/min，回风巷回风1 573 m3/min，工作面瓦斯未出现明显好转，仍处于0.6%～0.8%。由于东翼系统无富余风量，采取将429材料巷风门打开降低进风风压措施后，运输巷进风2 060 m3/min，回风巷回风1 664 m3/min，工作面瓦斯浓度直线下降，无异常涌出点，瓦斯浓度降至0.3%以下。12时42分由于特殊情况，将429材料巷风门关闭后，工作面瓦斯变化明显，出现瞬间上升，再次造成了工作面瓦斯接近报警临界值，经检查，瓦斯异常原因仍然是1#～40#支架顶板瓦斯异常涌出，分析瓦斯异常涌出与风压有直接关系，再次通过将429材料巷风门打开后，工作面瓦斯转为正常，其后一直采取打开429材料巷风门的降阻措施减少顶板瓦斯异常涌出，工作面进风保持在1 700～2 000 m3/min，回风保持在1 400～1 700 m3/min；其余时间段虽然未造成工作面瓦斯超限，但一直伴随有顶板瓦斯异常涌出。