低渗透率煤层采煤工作面上隅角瓦斯治理方法研究

徐景德，彭兴力，齐睿琛，杨鑫，韩春晶

(1.华北科技学院 研究生处，北京 东燕郊 101601； 2. 华北科技学院 电子信息工程学院，北京 东燕郊 101601)

0 引言

渗透率低，瓦斯涌出速度小、涌出时间长是我国煤矿瓦斯治理面临的普遍难题。由于现代煤矿开采呈现生产能力大、单一工作面日平均推进速度快、采空区冒落带空间大、采空区瓦斯积聚绝对量大的现象。煤岩层渗透率低、涌出时间长加剧了这一现象。大型工作面其风速普遍较高，在这种因素综合作用下，导致工作面上隅角经常出现瓦斯超限的现象，即使传统的低瓦斯导致矿井超限现象也很严重。

对于这一现象传统的研究是采用实验模型研究、数值模拟研究为主，现场实测为辅的方法。但由于实验模型难以完全模拟煤层状态，不能全面满足相似条件。日时，模型试验还存在尺度效应问题，影响了实验结果的准确性；数值模拟存在边界条件确定和采空区流场参数难以掌握的困难，因此现场观测是比较实用的研究方法。对于大型机械化工作面工作条件比较稳定，选取采煤工作面在割煤、放顶、回柱等工序及生产、准备、检修班次工作面上隅角瓦斯浓度及风速分布进行计算，通过上隅角瓦斯浓度的峰值最终确定采取相应的措施。因此本文通过现场实测分析了王家岭煤矿工作面上隅角瓦斯分布和来源并提出了解决措施。

王家岭煤矿是中煤华晋能源有限责任公司下属主要生产矿井，核定年生产能力为6Mt/a。现主要开采的2号煤层，其瓦斯含量为3.42 m3/t。主采煤20102工作面采用综采放顶煤开采方式，其相对瓦斯涌出量为2.43 m3/t。工作面采用“U”型通风方式，风量为1700 m3/min。2号煤层为低渗透率煤层，煤层瓦斯放散速度比较慢且释放时间长。在放顶煤和移架的期间瓦斯会大量集中涌出，采空区的瓦斯流出经常导致上隅角瓦斯超限，实测峰值浓度达到0.7%以上，对安全生产造成了威胁。为此，针对2号煤层瓦斯低渗透率采煤工作面上隅角瓦斯超限问题，与中煤华晋能源有限责任公司通风处及王家岭煤矿合作开展了综合治理方法研究。

1 低渗透率煤层瓦斯涌出特点及其对采煤工作面上隅角瓦斯分布的影响

1.1 低渗透率煤层瓦斯涌出及采煤工作面上隅角瓦斯分布特点

煤层瓦斯渗透率是反映煤层内瓦斯渗流难易程度的物性参数，我国大部分煤层均为低渗透率煤层[1]。释放时间长、释放速度均衡是低渗透率煤层涌出的特点，在开采初期释放的瓦斯量不会很多，经过时间的推移，一些遗煤在采空区或者运输途中会持续均匀释放大量瓦斯[2]。

低渗透率大型机械化工作面上隅角瓦斯分布呈现以下特点：(1)采空区瓦斯放散时间长，遗煤多，采空区面积大，采空区内集聚绝对量瓦斯比较多。(2)综合机械化放顶煤开采工作面，推进速度较快，日均采煤量较大，导致工作面放顶煤瞬间，工作面上隅角瓦斯涌出量大，造成局部地点经常超限。

1.2 王家岭矿20102工作面上隅角瓦斯的分布特征和来源

1.2.1 工作面上隅角瓦斯浓度分布特征及成因分析

经过现场瓦斯实测，发现在上隅角、采空区、顶煤放煤后等处瓦斯浓度比工作面新鲜风流经过处的瓦斯浓度高1～3倍。瓦斯浓度沿工作面下部进风到工作面上部逐渐变大，工作面下部至中部瓦斯浓度增大的幅度较小，中部至工作面上部增大的幅度较大。在工作面走向分布上，瓦斯浓度由煤壁侧至工作面采空区呈高、低、高的分布状态[3-4]。

王家岭矿20102工作面上隅角瓦斯浓度分布现场监测结果有以下特征：(1)工作面从进风巷至回风巷沿工作面倾斜方向，瓦斯浓度逐渐递增，在工作面进风测瓦斯浓度较低，上隅角是采空区瓦斯漏向工作面的主要出口，靠近采空区一侧风流瓦斯浓度较高，为瓦斯易于积聚部位；工作面漏风带涌出大量采空区瓦斯是上隅角瓦斯积聚的补给源；工作面上隅角处存在长4～6 m，宽1.6 m，厚0.5 m的瓦斯积聚带，不均匀地延伸到回风巷。(2)工作面上隅角直角拐弯，风流易形成涡流，且风流流速较低，瓦斯比重轻，使采空区涌出的大量高浓度瓦斯难以进入主风流中，在上隅角附近循环运动，形成局部积聚[5]。(3)上隅角附近顶板侧瓦斯浓度较高，底板侧较低。(4) 工作面上下两巷由于采取锚网和锚索支护，采空区顶板不易跨落，积存大量瓦斯；另外，顶板周期来压时，顶板大面积垮落挤压造成瓦斯突然集聚[6]；(5)采空区及上、下矸石带，由于充填不严实形成裂缝漏风，将采空区瓦斯带至上隅角。(6)上隅角瓦斯浓度随着产量的增加呈上升趋势，由于割煤强度的增加和工作面推进速度的加快导致工作面瓦斯涌出量大大增加，回风流瓦斯和采空区遗落煤放散瓦斯的增多导致上隅角瓦斯浓度上升。

1.2.2 王家岭工作面上隅角瓦斯超限的特点

大型机械化采煤矿井回采工艺的各个工序都是平行进行的，要测定各个工序的瓦斯浓度理论上不可行。那么，要了解各个工序对工作面上隅角瓦斯浓度的影响，通过检测一个工序循环的瓦斯浓度峰值来作为影响上隅角浓度变化的指标。采煤工作面上隅角在正常生产期间基本稳定在0.38～0.48%之间，但在放煤期间上隅角瓦斯浓度明显有波动及上升趋势，可以作为生产工艺中最影响工作面上隅角瓦斯浓度的指标。放顶煤时，上隅角瓦斯浓度峰值可以达到0.73%，如图1所示：

图1 各个生产工序与和上隅角瓦斯浓度的关系

从图1可以看出，上隅角瓦斯浓度超限与回采工艺有直接的关系，在割煤至放煤的期间上隅角瓦斯浓度一直在上升，已达超限边缘。但是瓦斯浓度没有大幅快速上升，这就是低渗透率煤层瓦斯释放的特点，对于刚刚超限的上隅角瓦斯浓度来说，采取一定措施后，上隅角瓦斯浓度是完全可控的。同样，在周期来压期间，上隅角瓦斯超限的情况通过采取措施也是可以控制的。

1.3.3 工作面上隅角瓦斯的主要来源以及向上隅角涌入的瓦斯浓度。

根据理论参考得知上隅角瓦斯来源大致有以下几类[7]，通过实测数据可大致计算出涌入王家岭20102工作面上隅角瓦斯的主要来源的浓度，如表1：

表1 上隅角瓦斯来源与向上隅角涌入瓦斯的浓度

2 工作面上隅角瓦斯超限治理措施

为了解决工作面上隅角瓦斯超限主要需要从两方面入手：一是需要减少采空区瓦斯的存储量，同时严格控制向采空区的漏风量，使得采空区的瓦斯尽可能少地涌向工作面上隅角；二是改变上隅角流场的分布特征，改变风流分布打破上隅角的回流区，使瓦斯随着回风流流向回风巷。

2.1 技术措施

1)合理挂设风帐

(1)分别在工作面上、下隅角挂设风帐，具体在工作面回风侧，工作面机尾处挂设导风帐，使通过工作面的大部分风流流经上隅角，稀释上隅角的瓦斯浓度[8-10]。

(2)在工作面进风侧，工作面端头靠近煤柱一侧，悬挂全断面挡风帐，当漏风较为严重时，采用挂双帐或多帐的方式，确保该段的风帐封堵严密，最大限度地减少漏入采空区风量，从而减少采空区瓦斯的涌出量，如图2所示：

图2 上隅角挂设风帐处理瓦斯积聚示意图

2)小型液压风扇处理上隅角瓦斯积聚

根据经验，风扇采用两种悬挂方式处理上隅角瓦斯[11-12]：①将小风扇悬挂在工作面靠回风巷第四排支架下方；②悬挂在距上隅角4～5 m远的回风巷的顶板上，如图3所示：

图3 小型液压风扇处理上隅角瓦斯积聚装置布置示意图1—工作面液压支架；2—甲烷传感器；3—导流柔性风筒；4—液压风扇5—中心控制处理器；6—液压泵站；7—磁力启动器；8—进回油管路

该矿区工作面开始通过设置风帐和小型液压风扇降低低渗透率煤层上隅角瓦斯浓度得到了良好的效果，具体实施措施后上隅角瓦斯浓度与未实施措施的上隅角瓦斯浓度实际对比数据如下表2：

表2 措施前后上隅角浓度对比

3)定向高位钻孔抽采瓦斯

在20102工作面回风巷370 m及停采线处布设1、2号钻场及A1、A2号钻孔，由理论计算得出的工作面三带参数，工作面顶板冒落理论以及矿方以往施工高位钻孔实践经验，提出瓦斯抽采最优层位，即冒落带上部、裂隙带下部距离煤层顶板20～40 m左右，平距靠近回风巷巷帮。因此，A1钻孔选择轨迹距离煤层顶板20～31 m，A2钻孔4轨迹距离煤层顶板31～40 m(A2孔剖面上的层位选择可根据A1孔的抽采效果进行适当调整)[13]。为了保证钻孔安全及后续瓦斯抽采时效性，选择在砂岩中施工定向长钻孔，如图4所示：

图4 20102工作面定向钻孔轨迹平面图

利用定向高位钻孔抽采等方式开展上隅角瓦斯治理工作，并获得了显著的抽放采效果，具体实施措施后抽采浓度与纯量对比如表3、表4所示：

表3 普通钻孔抽采瓦斯浓度

表4 高位钻孔抽采瓦斯浓度

通过上述几种治理方法的现场实测数据看来，前两种方法有效吹散上隅角瓦斯的浓度，有良好的效果；通过正确计算冒落裂隙带的距离，走向高位钻孔能有效得把上隅角上部的瓦斯大量抽排。上述治理技术的应用，能够有效地改善低渗透率煤层瓦斯抽采效果，极大地提升了煤矿工作价值。

2.2 管理措施

通过采用多种治理瓦斯上隅角的措施，在技术上，20102工作面上隅角瓦斯浓度已经基本得到有效的控制。但实际上，有时上隅角瓦斯浓度会有超限现象存在，原因是在日常管理中没有严格按照技术规程执行措施，因此同样需要强化管理方面的措施：

(1)加强瓦斯监测监控

瓦斯传感器设置位置一定按照要求设置在规定的地方，坚决杜绝施工队组人员拆卸传感器。每班由瓦斯检查员使用光学甲烷检测仪与甲烷传感器显示数据进行对照，并将结果汇报通风科，两者误差大于允许误差时，通风科对超过允许误差的监测设备必须在8小时之内更换完毕。同时可以安装无线网络快速传感器的瓦斯检测系统，实现对釆煤工作面瓦斯浓度超限的及时预警[14]。

(2)保证设备的有效性

指定通风科负责瓦斯传感器的安设、延长线路、牌板的管理、日常检查和修理工作，并且每10天对瓦斯传感器进行一次调试和校正，每7天进行一次瓦斯超限断电实验，保证瓦斯传感器的有效性，在采煤作业中，瓦斯传感器和风帐的移动由专人负责。

3 结论

(1)王家岭2号煤层瓦斯含量比较低且为低渗透率煤层，采空区的瓦斯涌出均衡且持续时间长是导致工作面上隅角瓦斯发生超限现象的主要原因。

(2)工作面上隅角瓦斯浓度大小与采煤作业工艺有很大关系。快速推进导致相对瓦斯涌出量变大，导致上隅角瓦斯经常超限，加强和改善通风是解决这一问题主要技术措施，具体包括挂设风帐、设置小型液压风扇和走向高位钻孔抽采等。

(3)“U”型工作面上隅角瓦斯超限治理需要技术措施和管理手段同步并进才能实现，在技术方面，设备的选型参数决定了治理效果，精细化管理是保证技术措施达到效果的保证。

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