屯留煤矿N2202综放面上隅角瓦斯治理技术研究

匡 帅 何 俊 郭魏魏

（河南理工大学安全科学与工程学院，河南省焦作市，454000）

放顶煤开采具有开采效率高、成本低等优点，但是由于本煤层瓦斯涌出量的增加，工作面上隅角等处经常出现瓦斯超限。余吾煤业屯留矿N2202综放工作面在正常割煤过程中瓦斯涌出正常，当移架放顶落煤时，瓦斯瞬间涌出造成采场和上隅角瓦斯预警频繁，严重影响安全生产。针对上述问题，提出在回风巷裂隙带布置钻孔高效抽采、回风巷顶板插管等措施解决上隅角瓦斯超限问题。

1 工作面概况

潞安集团余吾煤业屯留矿N2202 综放工作面主采山西组3＃煤层，属稳定煤层，无邻近层开采。煤层平均倾角为4°，开采条件良好，为贫煤，煤质变化程度小，厚度为5.00～7.25 m，平均厚度为5.99m，3＃煤层直接顶为泥岩、粉砂质泥岩，局部为细砂岩；底板为黑色泥岩、粉砂岩，含泥岩或炭质泥岩夹矸0～3 层。3＃煤层原煤瓦斯含量平均8.51m3／t。N2202工作面走向长度1200m，倾向长度285m，采用走向长壁一次采全高的综采放顶煤采煤方法，全部垮落法管理顶板，工作面布置见图1。3＃煤层透气性系数值域为0.524～1.7415 m2／MPa2·d，介于较难抽放到可以抽放类型之间，瓦斯抽采效率低，随着开采强度增大，工作面上隅角瓦斯经常超限，严重威胁着煤矿生产安全。

图1 N2202工作面布置图

2 上隅角瓦斯超限原因分析

N2202工作面采用两进两回的双U 型通风方式。双U 型通风系统是一种以分源治理综放开采采空区高瓦斯涌出的新型通风系统，其本质在于比常规的U 型通风系统增加了一个U 型通风系统，第一个U 型和第二个U 型巷道之间用横贯联系，主要适用于产量大、瓦斯涌出量大、需风量大、倾角较小的高产高效回采工作面。N2202工作面上隅角瓦斯超限的原因初步分析与横贯位置、采空区漏风和开采强度有关。

2.1 横贯位置的影响

N2202工作面高浓度瓦斯风流进入瓦斯排放巷的途径是通过回风巷和瓦斯排放巷之间的贯通联络巷，为了防止或降低采空区瓦斯大量涌入回风巷，在横贯中均设置了密闭，只打开距离采空区与工作面最近的一个横贯密闭，使工作面、上隅角的瓦斯被冲入瓦斯排放巷中。工作面距横贯不同距离时，风流在进入瓦斯排放巷的过程中遇到的阻力与距离成正比。考察工作面与25＃横贯距离对上隅角瓦斯浓度的影响如图2所示。

图2 工作面距横贯不同距离时上隅角瓦斯浓度

由图2 可知，横贯位置与工作面平行贯通时（即工作面推进到某一横贯处，风流直接进入横贯没有转弯），此时上隅角风流无突然变向，能量损失小，不会形成涡流，上隅角瓦斯浓度处在较低水平；横贯打开位置距工作面最远时，风流经尾巷至瓦斯排放巷期间多次变向，能量损失大，上隅角瓦斯浓度处在较高水平。

2.2 采空区瓦斯涌出

根据N2202工作面生产工艺，为了更好地沿空留巷，该工作面在支架第180架至端尾架并延伸至回风巷帮内0.5 m 范围内铺金属网。采煤时，此部分煤柱放顶煤，但是落煤不能被后刮板输送机运输 （后刮板输送机不能到达此位置），这部分煤体会对工作面靠近后刮板输送机处及采空区风流形成阻隔。现场实测数据显示，在第170架时后刮板输送机部分瓦斯浓度由0.87%升至1.29%，与工作面前面架次相比，此处有一个急剧跳跃的过程，说明在第170架处有瓦斯集中涌出现象，如图3所示。因此可以认为采空区漏风地点在第170架后刮板输送机位置，当班测试采空区漏风量为382m3／min，以携带的瓦斯浓度平均为0.85%初步计算，采空区漏风带入上隅角的瓦斯涌出量为2.55m3／min。因此防止采空区瓦斯经漏风带入上隅角对降低上隅角瓦斯浓度有重要作用。

图3 工作面不同支架处风量与瓦斯浓度

2.3 开采强度

采场风排绝对瓦斯涌出量是构成上隅角瓦斯来源的主要渠道，而采场风排绝对瓦斯涌出量与日产量的关系密切。随着开采强度的加大，风排绝对瓦斯涌出量也随之增大，涌入上隅角的瓦斯量相应增加。统计N2202工作面日产量与风排绝对瓦斯涌出量的关系，如图4 所示。实测N2202 工作面总进风量稳定在4250 m3／min，根据目前割煤速度和产量，风量已足以保证生产所需。在不增加进风量的情况下，治理上隅角瓦斯超限是实现工作面安全生产、高产高效的关键。

图4 N2202工作面风排绝对瓦斯涌出量与日产量线性回归

3 上隅角瓦斯治理技术

解决上隅角瓦斯积聚问题，瓦斯抽采是根本。顺层孔抽采时间长，从布孔联网到钻孔被破坏，抽采时间一年以上，对减少原始煤体中的瓦斯作用显著。N2202工作面带式输送机巷以及回风巷内圈顺层孔抽采应作为本煤层抽采的基础，2012 年前9个月回风巷顺层孔抽采纯量平均为3.802m3／min，带式输送机巷顺层孔抽采纯量为4.08m3／min，合计为7.882m3／min，但是由于煤层厚度较大，布置顺层钻孔不留空白带的难度很大，而且由于放顶煤工艺的特殊性，割煤、放煤时瓦斯异常涌出的可能性较大，因此应在顺层孔的基础上布置其他更加有利于瓦斯抽采钻孔补充空白区。

图5 N2202回风巷道钻场裂隙带抽采钻孔布置图

3.1 回风巷裂隙孔高效抽采

对高瓦斯矿井，利用顶板裂隙带治理瓦斯已经成为主要治理方式之一。实质就是利用钻场布置终孔位置在裂隙带内的钻孔抽放采空区冒落带及裂隙带的瓦斯，解决上隅角瓦斯大面积积聚和回风流瓦斯超限问题。裂隙带钻孔抽采时间较短，主要在回采时采动应力集中带发挥作用，对工作面回采期减少瓦斯涌出作用显著，还可以在采空区继续抽采。根据“三带”高度经验公式及屯留煤矿其他工作面实际，分析确定N2202工作面冒落带高度为18～25m，最大裂隙带高度为88m。

在N2202工作面回风巷巷帮每40m 开掘一个钻场 （3＃～22＃），钻场为内宽4m、外宽6m、深5.5m、高3.6m 的单边梯形钻场，每个钻场侧面向工作面方向布置两排共12个钻孔，呈三花眼布置，均为裂隙带钻孔，控制范围为距煤层顶板之上25～30 m。钻孔开口位置距底板分别为1.8 m、2.2 m，裂隙孔间距0.5 m，裂隙孔终孔点间距20m。N2202回风巷道钻场裂隙带抽采钻孔布置如图5所示。

跟踪观测钻场抽采数据，收集了自7月5日第 一个钻场至9月30日第八个钻场钻孔切入为止（第八个钻场内的钻孔开始起作用，即开始大量抽采裂隙带瓦斯）的数据，比较了1＃～3＃钻场全煤顺层钻孔和裂隙孔抽采的效果，数据汇总见表1。由表1可以看出，有裂隙孔的5＃～8＃钻场抽采的纯量最大达到5.56m3／min，单孔平均为0.46m3／min，经计算顺层孔的单孔平均纯抽采量为0.02m3／min，就单孔而论，回风巷裂隙带抽采钻孔是顺层孔的23倍之多，抽采浓度稳定在30%左右。

表1 N2202回风巷钻场抽采数据汇总一览表

图6 回风巷顶板插管图

3.2 回风巷顶板插管抽采上隅角瓦斯

为了解决上隅角因为微风区形成的涡流而造成的瓦斯积聚，在N2202 回风巷布置顶板钻孔，抽采煤层与直接顶冒落的离层区域内上隅角积聚的瓦斯。顶板插管钻孔抽采因顶板垮落积聚在离层区的高浓度瓦斯，达到减少涡流产生的可能性，对上隅角瓦斯的及时处理起到很好作用，顶板插管侧视图及俯视图如图6所示。顶板钻孔不同布置时抽采效果也有很大不同，试验对比抽采效果见图7。在回风巷施 工4 排方 位 角 分 别 为225°、225°、210°、180°、倾角50°～60°、孔深12m，垂直于回风巷帮偏向工作面方向的钻孔，此时抽采效果最好。由于顶板插管钻孔很好地深入到由于采空而形成的离层区中，确保采空区、上隅角瓦斯能得到及时抽采，回风巷顶板插管钻孔虽然抽采纯量比较小，但是对于及时避免上隅角瓦斯形成涡流效果显著，是上隅角瓦斯治理的一种新方法。

4 效果分析

收集2012年8月初至11月15日N2202工作面日产量及上隅角瓦斯浓度数据，如图8所示。由图8可以看出，在采取相应措施之后 （9 月11 日之后）上隅角瓦斯浓度随着相应措施的生效明显降低，统计600次数据中，预警次数由297次直接下降到50次。后期上隅角瓦斯浓度基本控制在预警值以下，在上隅角及采场瓦斯浓度平稳减小的情况下，产量在10月至11月份增加明显，实现了安全高效生产的目标。

图7 顶板插管不同布置抽采量对比图

图8 N2202工作面日产量及上隅角瓦斯浓度变化趋势

5 结论

在分析了N2202 工作面上隅角瓦斯超限原因的基础上，提出以回风巷裂隙带高效抽采为主，辅以上隅角顶板插孔的抽采方案解决上隅角瓦斯超限问题。回风巷裂隙带钻孔和本煤层钻孔抽采可大幅降低煤层瓦斯含量，从源头上减少涌入上隅角的瓦斯是上隅角瓦斯浓度降低的基础；上隅角顶板插管钻孔抽采上隅角高浓度瓦斯则是有针对性的进一步降低上隅角处瓦斯浓度。方案实施后效果明显，上隅角瓦斯浓度平稳减小，产量增加明显，实现了工作面的安全高产高效。

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