采空区埋管抽放技术在U型通风系统工作面上隅角瓦斯治理应用研究

莫达彪，张景钢

(1.晋煤集团凤凰山矿通风区，山西晋城 048007;2.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 100083;3.华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601)

0 引言

在高瓦斯矿井中，U型通风系统工作面上隅角容易出现瓦斯积聚，造成工作面上隅角瓦斯超限事故。而U型通风系统特有的通风方式，导致采空区内的瓦斯容易通过工作面上隅角外溢出来，并进入回风巷，引起回风巷瓦斯超限。这严重制约工作面回采产量的提升，对安全生产构成严重威胁。因此，有效地处理U型通风系统工作面上隅角的瓦斯积聚，对工作面回采的安全生产和单产的提高具有十分重要的作用。

岳城矿作为高瓦斯矿井，虽然其上分层工作面在回采前及回采过程中已抽放煤层中的大部分瓦斯，但在其上分层工作面采空区中仍积存着大量瓦斯，其下分层综采工作面采用U型通风系统，工作面在回采过程中因受采动影响，上分层采空区的大量瓦斯必然会涌入下分层，极易造成上隅角瓦斯积聚或超限。

针对以上情况，本文以岳城矿1302(下)工作面为例，探讨了U型通风系统工作面采空区上隅角瓦斯处理技术，并主要分析研究采空区埋管抽放技术在U型通风系统工作面上隅角瓦斯治理中的问题及注意事项。

1 工作面概况

岳城矿1302(下)综采工作面为岳城矿东翼的第二个下层采煤工作面，该工作面共布置两条顺槽巷道，1203(下)为进风巷兼作皮带巷，1204(下)回风巷兼作轨道巷，如图1所示，巷道均采用架棚支护，工作面采用综合机械化开采方法，采空区顶板为自然垮落法管理，工作面倾斜长为144.6 m，走向长1044m，煤层不易自燃。1302(下)工作面为U型通风系统，即1203(下)巷进风，1204(下)巷回风，风量为1220m3/min。

图1 1302(下)综采工作面巷道布置示意图

2 U型通风系统工作面采空区瓦斯涌出规律及其治理原则

采空区一般是由受开采影响的本煤层、有瓦斯解吸和流动性的上下邻近煤层以及空隙所组成的空间区域。该区域内的最大特点是存在两种特性相差很大的空隙，即采动裂隙和原有裂隙。

由于采空区内两种空隙并存，因而瓦斯在采空区内的运动表现为煤块内的解吸、扩散和煤岩采动空隙系统的层流渗透、紊流，尽管大量的采动空隙与原有隙构成了采空区内极为复杂的气体流动网络，但从整体上来看，采动空隙是瓦斯流动的主要通道，在一般U型通风系统的工作面，风流从进风巷进入回采工作面，携带着工作面瓦斯等气体和粉尘后汇入工作面回风巷，其中部分风流将漏入采空区形成漏风流。进入采空区的风流由于上隅角及回风巷负压作用，又将通过上隅角外溢出来，夹带大量采空区瓦斯等有害气体，导致上隅角和回风巷瓦斯浓度增加。同时由于工作面与采空区之间存在压力差，采空区瓦斯还会涌入工作面，进一步增加工作面瓦斯浓度。如图2所示。

图2 U型通风系统工作面风流流动示意图

从稳定流角度考虑，可认为采空区内瓦斯流动服从松散介质内达西(Darcy)定律，即

式中，q为单位时间内单位面积采空区向工作面涌入的瓦斯量，m3/min;K为采空区内透气性系数;p1，p2为工作面、采空区内空气压力，MPa;ΔL为p1，p2两点间距离，m.

实际上，应当引起注意的是采空区上隅角处不仅瓦斯浓度高，而且大量涌入工作面或上隅角，引起回风巷风流中瓦斯浓度超限，影响工作面的安全生产。为了解决这一问题，现场采取的措施绝大多数是增加工作面的供风量;而这往往容易引起工作面漏风量增大，采空区与工作面之间气压差增大，从而导致采空区瓦斯涌出量增大，因此盲目地增大工作面供风量，其实对降低回风巷风流中的瓦斯浓度是不利的。另外，工作面供风量过大不仅使沉积粉尘飞扬，致使风流中粉尘浓度增大，恶化工作面作业环境，还因风量过大容易使工作面或巷道内的风速超过《煤矿安全规程》规定。

通过增加漏风汇是治理上隅角瓦斯的一种有效措施，即采用一源多汇的通风方式。这样的话，上隅角瓦斯就可从漏风汇中排出。如果漏风汇的强度较小，而上隅角积聚的瓦斯量较大，则上隅角瓦斯就可能超限并涌入工作面。另外，漏风汇的位置对采空区上隅角瓦斯的排放也具有重要影响。如图3所示。

图3 通过增加漏风汇方法治理上隅角瓦斯示意图

3 U型通风系统工作面采空区瓦斯涌出治理技术

3.1 利用风障导风法治理上隅角瓦斯

为解决工作面上隅角瓦斯涌出问题，综合分析上隅角瓦斯来源等因素，发现上隅角瓦斯主要来自采空区以及邻近层。因此，在工作面上隅角处设置一道风障，改变风流风向，引导风流流经上隅角后再进入回风流，以此稀释上隅角高浓度瓦斯。但是由于风障的存在，使采煤机割煤、上隅角附近支回柱、安全出口行人、运料等均受到较大影响。同时，风障的存在增大了工作面的通风阻力，必然导致工作面的风量降低。

因此，利用风障导风法治理上隅角瓦斯这种方法可靠性较差，只能作为临时性的应急措施。当工作面上隅角瓦斯出现较长时间超限时，这种方法不能有效解决问题，可靠性差。

3.2 上隅角插管抽放技术治理上隅角瓦斯

为保障上隅角瓦斯不致引起瓦斯超限事故，在1302(下)工作面回风巷铺设一趟φ400 mm抽放管路，并在上隅角处接出一趟φ159 mm蛇形抽放管路，φ159 mm蛇形抽放管末端留159*50的四通，通过连接3～5根φ50 mm蛇形管延伸至上隅角采空区处，利用负压将高浓度瓦斯抽放出去，杜绝上隅角高浓度瓦斯引起超限事故。另外，为保证抽放效果，形成封闭式抽放，通过使用装有煤泥的编织袋在紧靠切顶线以里处堆砌。将φ50 mm管路埋设在上隅角老塘上部，并超出煤泥编织袋约300～500 mm。抽放示意图如图4所示，插管抽放效果见图5、图6。

由图4、图5可知，抽放负压控制在5～12 kPa之间时抽放效果为最佳状态。通过以上方法对1302(下)工作面上隅角瓦斯治理，从工作面开始回采至工作面回采至距停采线约130 m处这段时间，未发生瓦斯超限事故，同时有效确保了工作面及上隅角瓦斯浓度始终控制在0.2%～0.4%之间，上隅角煤泥袋码放处瓦斯浓度最大为1%。

3.3 采空区埋管抽放技术治理上隅角瓦斯

在1302(下)工作面回采至距距停采线约130 m处时，上隅角瓦斯涌出出现异常情况，上隅角煤泥袋码放处瓦斯浓度最大达到2%以上，一度造成工作面停产。经初步分析，此次瓦斯涌出异常是由于顶板垮落后，顶板来压将1301采空区闭墙压垮，致使大量瓦斯涌入1302(下)采空区，从而导致1302(下)工作面上隅角瓦斯涌出异常。

图4 上隅角插管抽放治理上隅角瓦斯示意图

图5 上隅角插管抽放负压与抽放浓度对比图

图6 上隅角插管抽放负压与抽放纯量对比图

经分析异常涌出瓦斯的来源后，采取的治理措施有:1)开启位于1302工作面的地面采空区抽放钻井，但经抽放钻井抽出的瓦斯浓度不大，上隅角瓦斯浓度无明显变化，此措施无效故关闭抽放钻井;2)开启尾巷闭墙，为采空区瓦斯增加释放通道，以缓解上隅角瓦斯压力。虽然这一措施对于释放采空区瓦斯、缓解上隅角瓦斯压力确有一定效果，但并非立竿见影，不能彻底解决问题，上隅角煤泥码放处瓦斯浓度仍在1%以上。如图7所示。

图7 采取的措施及工作面示意图

以上措施均不能解决上隅角瓦斯积聚的问题，经技术人员研究决定，在回风巷铺设的φ400 mm抽放管路再另接出一趟φ159 mm蛇形抽放管路，并将其接至上隅角埋入采空区至切顶线以里约5 m处，同时在管路末端连接一根上端封闭的竖管(竖管规格为:长约2 m，直径约100 mm，管身上部1/3处均匀布置20个左右10 mm的筛孔)，在φ159 mm蛇形抽放管路上每隔10 m用三通开关连接一根竖管。竖管埋入采空区(煤泥码放处)前处于关闭状态。抽放示意图如图8所示。埋管抽放效果见图9、图10。

图8 采空区埋管抽放技术治理上隅角瓦斯示意图

由图8、图9可知，抽放负压控制在7～14kPa之间时埋管抽放效果为最佳状态。通过采取采空区埋管抽放技术后，工作面上隅角瓦斯得到了有效的处理，直至工作面回采完毕，未发生瓦斯超限事故，同时有效确保了工作面及上隅角瓦斯浓度始终控制在0.3%以下，上隅角煤泥袋码放处瓦斯浓度最大为0.4%。

4 采空区埋管抽放技术在U型通风系统工作面应用的几个注意事项

1)利用风障导风法处理上隅角瓦斯时，要尽量避免风障阻挡巷道断面，增加通风阻力，甚至给割煤、支回柱等作业带来安全隐患。

2)及时放顶，当上隅角采空区顶板冒落不彻底时，及时进行强制放顶，避免出现上隅角采空区悬顶时间过长，以减少瓦斯积聚空间。

3)堆砌煤泥袋时尽量压实，垒严，保障封闭的严密性，在堆砌煤泥袋时，避免将50mm蛇形管压扁、压坏，以确保抽放效果。

4)抽放竖管进入采空区后方可开启，避免抽放空气，浪费抽放负压。在摆放竖管时要使其立于煤壁侧，并在竖管下部用煤泥背牢，防止管路跌倒。

图9 上隅角埋管抽放负压与抽放浓度对比图

图10 上隅角埋管抽放负压与抽放纯量对比图

5)控制管口负压，将插管抽放负压尽量控制在5～12 kPa之间，埋管抽放负压尽量控制在7～14 kPa之间，避免负压过大或过小。

5 结论

通过在1302(下)工作面使用采空区埋管抽放技术并配合上隅角插管抽放技术治理上隅角瓦斯后，工作面回采产量由原来的每天8个循环提高至每天10个循环。在高瓦斯矿井或采空区瓦斯涌出量大的U型通风系统工作面中，应用采空区埋管抽放技术并配合上隅角插管抽放技术，是治理工作面上隅角瓦斯积聚的有效手段。

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