大采高综采工作面上隅角瓦斯治理研究

王园园

（山西煤炭运销集团阳城四侯煤业有限公司，山西 晋城 048108）

综采工作面上隅角瓦斯防治是井工矿井普遍面临的一个难题，上隅角瓦斯超限严重威胁着矿井的安全生产，同时也制约了工作面的生产能力。尽管采取了设置导风帘、放顶封堵上隅角等诸多措施，但由于煤层赋存条件、开采设备的全自动化改造以及上隅角存在的特殊位置和不断变化特性，上隅角瓦斯超限还未得到有效根除，亟待结合自身矿井实际情况，进一步深入研究和治理。

1 试验工作面概况

1.1 地质概况

3103综采工作面位于矿井北部一采区，东侧为3102工作面采空区，西侧为实体未开采煤层（3104设计准备工作面），北侧为矿井边界保护煤柱，南为一采区三条大巷。回风顺槽在距采区轨道大巷130m处有整合前山西阳城四侯煤业有限公司的回风立井（报废）和总回风巷。工作面进、回风顺槽掘进期间共揭露4个构造异常区，均存在顶板下落，煤层变薄。在470m处，揭露陷落柱（X-1），对工作面回采影响较大。根据3103进、回风顺槽掘进期间的地质情况，从360m至3103切眼区段，煤层倾角较大，最大32°，平均18°以上。大部分区域顶板较为破碎。

1.2 巷道和设备布置情况

3103综采工作面为一次采全高，采用“U”形布置方式，顺槽长度为600m，工作面切眼长度160m，平均采高4.5m。进、回风顺槽巷道顶板和回风顺槽非回采侧巷帮支护均采用金属锚杆+金属网+钢筋梯子梁，锚索补强。本工作面采用掩护式液压支架，两顺槽端头采用掩护式过渡支架进行支护，进、回风顺槽超前支护采用组合式液压超前支架。

2 3103工作面上隅角瓦斯超限原因

3103综采工作面采用MG400/930-GWD型交流无链电牵引采煤机，割煤速度较快，瓦斯涌出量因落煤煤量增加而增大，造成综采工作面整个回风流系统瓦斯浓度升高的同时，导致上隅角及采空区等通风不良地点瓦斯超限。

3103综采工作面切眼最大倾角32°，根据掘进时揭露情况分析有四个构造异常区，总体呈现顶板破碎。在遇到这种情况时，通常采用割顶留底的方法降低采高，确保支架的稳定性和初撑力。从而导致采空区留煤量增大，造成采空区和上隅角瓦斯超限。

3103综采工作面回风端头采用掩护式过渡支架进行支护时，由于架间间距较小，工作面风流不能吹到上隅角，造成上隅角瓦斯不能及时排出，导致上隅角瓦斯积聚和超限。

3103综采工作面回风顺槽西侧为实体煤帮，靠近煤帮处顶板不易垮落，上隅角悬顶不能及时垮落，造成采空区瓦斯积聚到上隅角。当顶板垮落时，将采空区和上隅角瓦斯吹出，瞬时造成工作面及其回风流瓦斯超限。

综采工作面上隅角瓦斯超限极易酿成瓦斯事故，巷道掘进支护采用锚网支护，当综采面回风端头出现顶板破碎，需带压移架时，支架与顶部锚索或锚杆摩擦火花极易造成上隅角瓦斯爆炸。

3 综采工作面上隅角瓦斯治理

在上隅角瓦斯治理方法方面，根据3103综采面支架布置、顶板岩性等实际情况，共采用三步走的策略对上隅角瓦斯进行防治和管理。前两步为主动式瓦斯防治，第三步为被动式瓦斯防治。第一步为退锚加顶板预爆裂，第二步为超前移架，第三步使用导风帘。

3.1 退锚加顶板预爆裂措施

利用超前支架对回风顺槽顶锚杆（索）超前退锚，退锚后采用深孔爆破的方法对顶板上部9～13m处粉砂岩层进行预裂，确保上隅角顶板能够随工作面推进及时垮落。

3.1.1 退锚施工方法

（1）退锚施工工序

采煤机割通进、回风顺槽三角煤上、下行割煤后，在超前移架范围内进行退锚，超前支架组即可分别降架前移，移架时应将顶梁离开顶板，然后再移架。

（2）退锚时间

在生产期间移超前支架作业前退锚，在检修过程中不予实施退锚。

（3）退锚范围

顶板完好时以超前支架顶梁前端为基准，退巷道回采帮及两顺槽顶板的锚杆索，每次退锚距离不得超过0.8m，防止因退锚距离大造成安全出口处顶板漏矸伤人。严禁超距离或随意退锚。

（4）退锚注意事项

在顺槽顶板完好、超前压力不大情况下随推进情况进行退锚。顺槽片帮严重、顶板破碎、局部冒顶、局部下沉等状况下，不予实施退锚，但必须采取安全措施，加强顶板管理。末采期间距离停采线20m范围内不予退锚。超前支架移动采用带压移架方式进行移架。

3.1.2 顶板预爆裂施工

本施工方法通过采用预裂切缝爆破，在局部范围切断顶板应力传递，且预裂爆破能够很好地保护巷道顶板完整性。根据我矿地质资料，本设计K暂按1.5取值，在不考虑底鼓及顶板下沉的情况下，工作面采高取最大值4.8m时，H缝=9.6m。

预裂切缝深度（H缝）临界设计公式如下：

H缝=(H煤-ΔH1-ΔH2)/(K-1)

式中：

ΔH1-顶板下沉量，m；

ΔH2-底臌量，m；

K-碎胀系数，根据下表1所示，取1.3～1.5。

表1 不同岩石所对应的碎张系数表

根据该矿S-1钻孔柱状图显示，3#煤层顶板往上9～13m，有一层厚度4m的粉砂岩，为保证切顶效果，故将切顶深度修正为12m，切断关键层粉砂岩巷道垮落更充分，效果更好。

切缝范围为3103工作面回风顺槽，每次切缝长度60m，切缝深度选取10m，切缝孔布置在巷帮与顶板夹角处，与铅垂线夹角为15°（倾向采空区侧），切缝孔间距为1000mm，切缝孔距煤帮200mm。

每次施工前，技术人员指导进行单孔试验，确定合理的装药量和封泥长度，再进行连孔装药爆破，观察两相邻装药孔间空孔内裂纹情况。如两相邻装药孔间空孔裂纹未达到裂缝率要求标准，再进行一次连续爆破试验，最终确定一次爆破孔数以及爆破方式等。聚能爆破采用二级煤矿乳化炸药，采用炸药规格为直径Φ35×200mm/卷，双向聚能管采用BTC-1500型，爆破孔口采用炮泥封孔。最终装药参数需通过现场试验、窥视结果确定。顶板预裂爆破炮眼布置图如下图1所示。

图1 顶板预裂爆破炮眼布置图

3.2 超前拉架措施

采用超前移架的方法对回风端头两架过渡支架进行超前移架，超前拉架示意图如图2所示。将上隅角前移的同时又确保了工作面风流能够进入上隅角，加大上隅角风量，吹出上隅角的瓦斯。具体如下：

综采工作面生产过程中，必须安排专人对回风顺槽超前支架和过渡支架进行超前移架，始终保持过渡支架超前中间架一个循环架距。确保上隅角通风良好。

图2 超前拉架示意图

在综采工作面回采过程中，要注意工作面开切眼斜长变化情况，必须使回风端头超前进风端头。

3.3 设置导风帘进行导风措施

在采取前两种办法后设置导风帘导风可作为备用或临时性措施执行，适用于上隅角瓦斯排放或上隅角形成小三角区前采取的临时性措施，具体如下：

使用导风帘引排瓦斯适用于上隅角区域未形成小三角区前（小三角区即空顶区域位于过渡架与端头煤壁之间）。设置导风帘进行导风，具体如图3所示。

图3 导风帘设置示意图

吊挂导风帘时，风障长度不小于10m，与支架呈45°角挂设，且封堵高度不低于巷道的1/2，风障由未垮落顶板处架间接至工作面煤帮处。距煤帮处留有1～1.5m的通风孔，使风流通过上隅角未垮落区域，有效排出采空区瓦斯，从而减小上隅角瓦斯浓度。

导风帘的管理工作由综采面专职瓦斯员负责，严禁任何人员损毁或私自拆除风障。

使用导风帘引排瓦斯期间，综采面瓦斯员要注意观察上隅角甲烷传感器的数值变化情况，并经常检查瓦斯，出现异常及时调整。

风障随采煤工作面推进前移，当上隅角顶板完全垮落或形成小三角区域后，风障导风失去作用时，综采面瓦斯员方可拆除风障。并将风障整理后存放于安全地点备用。

4 结语

3103综采工作面回采过程中工作面风量在1650m³/min的情况下，风流中瓦斯浓度最大值为0.15%，但在未采取顶板预爆裂和超前移架两种方法时，上隅角瓦斯浓度最高时达到了3.5%，最低也经常在1.0%左右。经过多方学习和理论研究，并结合井下实际情况进行多次实践后，形成了一套低瓦斯矿井无抽放系统情况下上隅角瓦斯治理办法，自实施以来，综采工作面上隅角瓦斯浓度下降了80%，控制在0.1%～0.2%之间，遇到周期来压等特殊情况时，瓦斯浓度最高不会超过0.3%。采用这些措施后，综采面日循环进度由3.6m提高到了6m，日产量也增长了40%，在确保了安全生产的同时，也大大提高了矿井的经济效益。