治理采煤工作面上隅角瓦斯超限的研究与实践

张乂木

摘 要：该文介绍了采用“U”型通风方式的采煤工作面的通风及风流状态，对采煤工作面上隅角瓦斯超限的各种原因进行了分析，提出了处理采煤工作面上隅角瓦斯超限的几种方法，并对其进行了优缺点分析，其中对瓦斯抽放方法治理瓦斯超限实践做了重点说明。

关键词：“U”型通风 上隅角 瓦斯超限 瓦斯抽放

中图分类号：TD712 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（c）-0039-02

1 采煤工作面上隅角瓦斯超限原因分析

1.1 “U”型通风方式

“U”型通风方式是采煤工作面诸多通风方法中的最常用的一种通风方式，我国绝大多数采煤工作面均采用此种通风方法。

在采用上行风的“U”型通风工作面，在没有其它漏风出口的前提下，工作面形成一源一汇流动，则风流除沿工作面流动外，还有一部分风流进入采空区，沿流线方向流动，积存在采空区内瓦斯以对流扩散的形式与工作面风流进行质量交换，并从工作面上部涌出，致使采空区瓦斯浓度分布沿走向靠近采空区内部较高，进而形成了采空区上隅角瓦斯积聚区。

在这种通风方式下，进入工作面的风流分为两部分，一部分沿工作面流动，一部分进入采空区，在采空区内部沿一定的流线的方向流动，在工作面的后半部分，进入采空区的风流逐渐返回工作面。

可见，进入采空区的风流通过采空区，风流带出瓦斯，逐渐返回工作面，最后汇集于采面上隅角，所以，工作面上隅角为采空区瓦斯流入工作面的汇合处。

1.2 采面上隅角瓦斯超限原因分析

（1）漏风流致使上隅角瓦斯增大。

在一般“U”型通风工作面，风流从进风巷进入采煤工作面，经过工作面后经回风巷流出，从流体力学的角度而言，进入工作面的风流端称为源，而流出工作面的风流端称为汇，所以“U”型通风工作面又称为一源一汇工作面。实际上在风流进入工作面时，其中有一部分风流将会漏入采空区中，把采空区中的瓦斯从上隅角带出，使采面上隅角瓦斯增大。

（2）上隅角紊流致使瓦斯增大。

巷道风流中任一断面都具有静压、位压、动压，三种压力之和是全压，全压差的大小决定着风流的方向和速度。由于上隅角处两面的静压和位压是一样的，风流速度不一样，采煤工作面的风流到此转弯，造成上隅角处风流速度变慢，上隅角两面的风流速度差降低，在上隅角处出现无速度差，甚至风流出现紊流。这种涡流使采空区涌出的瓦斯难以进入到主风流中，从而使高浓度瓦斯在上隅角附近循环运动而聚集在涡流区中，形成了上隅角的瓦斯超限。

（3）采空区与工作面的气压差使采空区瓦斯向工作面涌入。

采煤工作面通风期间，采空区与工作面之间存在气压差，造成了采空区瓦斯向工作面涌入。从稳定流角度考虑，一般认为采空区内瓦斯是服从松散介质内达西（Darcy）渗流定律，即：q=-K（p12-p22）/△L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/（m2·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；△L为p1、p2两点间的距离，m。可以看出，p12-p22越大，则采空区瓦斯向工作面涌入的量就越大。

2 防治上隅角瓦斯超限的方法

2.1 采面上隅角设置挡风障

当采煤工作面上隅角出现瓦斯增大时，在靠近采煤工作面上隅角处挂一道挡风障，使之将工作面的风流一分为二，利用风障引导较多的风流流经上隅角，以稀释高浓度瓦斯。风障可采用软质风筒布制作，长度一般不小于10 m。但是由于挡风障的存在，使采煤机割煤，上隅角附近支、回柱，上出口行人、运料受到很大的影响，往往出现挡风障被破坏而失去作用的现象，导致上隅角瓦斯浓度忽高忽低，极不稳定，形成了安全生产的一大隐患。同时，挡风障的存在，增大了工作面的通风阻力，使工作面的风量降低。因此，这种方法主要是作为临时措施应用在上隅角瓦斯不大的地点，可以解决上隅角处涡流的问题。

2.2 上隅角安装风动风机和压风管

在工作面上部第一组架子处安装一台风动风机，风动风机由压风驱动，吸入工作面风流通过风筒导入上角，吹散上隅角瓦斯。同时在采面第一组架子及上隅角附近有一些不规则的冒落空间，可以利用压风管进行吹散。

这种方法是一种有效的处理上隅角瓦斯和局部瓦斯超限地点的措施，简单实用，灵活性比较大，使用安全，但不能从根本上解决问题，只能作为一种辅助手段。

2.3 增大采煤工作面风量

工作面风流对上隅角涡流区积聚瓦斯的驱散，主要靠工作面风流与上隅角瓦斯积聚区间的空气的对流和主风流的扩散作用。但在工作面正常供风的情况下，靠有限速度的风流来驱散上隅角涡流积聚区的高浓度瓦斯是不可能的。工作面采用增大风量的办法，虽然可使上隅角积聚区风流与工作面主风流的对流作用加大，但是随着风量的提高，负压增大，采空区的风流速度加大，使采空区的瓦斯流线延深，加强了风流与采空区内的瓦斯的交换。若采空区内存在其它漏风通道，则会增大此漏风量。因此，盲目的增大工作面供风量，对降低回风巷风流中的瓦斯浓度是不利的。

2.4 瓦斯抽放

瓦斯抽放是解决采煤工作面上隅角瓦斯超限的最有效的途径，对治理瓦斯超限具有立竿见影的效果。在范各庄矿4171工作面回采的过程中，瓦斯绝对涌出量较大，靠增大风量的方法已经不能很好的解决问题，在瓦斯治理实践中，采取了瓦斯抽放的方法，成效明显。

（1）上隅角埋管抽放。

为了治理上隅角瓦斯大的问题，在4171工作面回采过程中，在工作面采空区上隅角埋设1趟4寸无缝钢管，埋管长度为9 m，其中迎头3 m在管路上布置成花管。提前在工作面上隅角打好木垛，确保抽放管路的末端放置在木垛中间，并保持与底板不小于500 mm的高度，防止煤堵塞管路。每隔2～4 m采用编织袋充填煤，再添充上隅角空间，以便形成瓦斯抽放空间。4寸无缝钢管与直径159 mm管路采用蛇形管连接。随着回采，向外逐步向外拉动无缝钢管。4171采煤工作面上隅角瓦斯抽放系统。

上隅角抽放系统投入使用后，最大抽放瓦斯浓度达到10%，流量达到20 m3/min。工作面回风瓦斯浓度由0.3%降至0.2%，上隅角取消了风障，瓦斯浓度由之前挂风障时的0.6%降至取消风幛后的0.4%，采面架间瓦斯浓度由之前的0.3%降至0.1%，取得了明显的效果。

（2）高位孔抽放。

①布孔方式。在工作面回风巷内直接布置钻场，从顶板开孔，往工作面上方裂隙带打钻孔。工作面推进方向反向布置钻孔，钻场间距47m，每个钻场打3个钻孔，利用工作面前方煤体保护钻孔，工作面回采到位时撤出。回风巷安设抽放瓦斯管。

②钻孔参数：a.裂隙带可抽高度（距煤层顶板法距）：按5～12倍采高计算3.4*（5～12）=17～41.4 m，由于7煤层与5煤层的间距在28～30 m，因此考虑抽放区间为3.4*（5～7）=17～23.8 m，取抽放区间为17～24 m，在此区间的孔段为有效抽放孔段。考虑钻场施工、顶板维护和工作面回采过钻场的困难，确定开孔沿下帮顶板，终孔高度按7倍采高24 m计算。b.钻孔直径： Φ127和Φ75 mm。c.每个钻场布置三个高位钻孔，分1#、2#、2#，两孔口间距不得小于0.4 m，保证有利于管路安装；钻孔直径75 mm。

1#孔以风道为基准面下偏8 °、仰角12 °，长度100 m；2#孔与巷道下偏10 °，仰角11 °，长度100 m；3#孔与巷道下偏13 °，仰角11 °，长度100 m。可根据实际煤层底板高度、煤层倾角变化适当确定其倾角、方位角等。

③封孔方式：封孔采用瑞米封孔袋封孔，封孔方法为：在已打好的钻孔内下θ108 mm的套管子母扣连接，在套管距最前端800 mm的位置处绑两袋瑞米封孔袋，以后每隔400 mm绑一袋马立散，封孔长度4m。在推进前先把瑞米封孔袋用手迅速揉匀，用人力推进套管（如果不能用人力推进套管的情况下，用钻机辅助推进），在揉瑞米封孔袋到整个套管进入钻孔时间小于2 min。最后一根套管外露300 mm，以便连接胶管，设法兰盘。高位孔与主抽放管路间用直径108 mm的铠装胶管连接。每个孔外都要加控制瓦路。

该抽放系统与上隅角埋管抽放进行配合抽放，增强了瓦斯抽放系统的可靠性，给工作面回采过程中的生产安全和瓦斯管理工作提供了安全保证。

3 结语

（1）工作面瓦斯不仅来自于煤壁和采落煤，同时又有相当一部分来自采空区，而且越靠近回风巷，采空区瓦斯涌出所占比例越大。（2）当工作面进风量增大时会引起采空区漏风量增大，工作面有效风量率降低，进而引起采空区瓦斯涌出量增大。因此，盲目的增大工作面风量对于工作面瓦斯排放是不利的。（3）解决采空区上隅角瓦斯的主要措施是在采空区上隅角处增加漏风汇。通过增加漏风汇来排除采空区上隅角瓦斯，其排放效果取决于漏风汇的风流强度和位置。（4）治理上隅角瓦斯超限应该多措并举，同时使用多种方法，增强瓦斯治理工作的可靠性。其中主要方法应该是瓦斯抽放，其它的方法都具有一定的局限性、不可确定性和不稳定性；所以治理上隅角瓦斯应提前考虑、提前施工，早投入，早见效。

参考文献

[1] 曲志明，王育德，周心权.采空垮落区的风流运动和瓦斯运移作用机理[J].煤矿安全，2013，44（3）：9-13.

[2] 周世宁，林柏泉.煤层瓦斯赋存与流动理论[M].北京：煤炭工业出版社，1999.