莫達(dá)彪，張景鋼

(1.晉煤集團(tuán)鳳凰山礦通風(fēng)區(qū)，山西晉城 048007;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京 100083;3.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京東燕郊 101601)

0 引言

在高瓦斯礦井中，U型通風(fēng)系統(tǒng)工作面上隅角容易出現(xiàn)瓦斯積聚，造成工作面上隅角瓦斯超限事故。而U型通風(fēng)系統(tǒng)特有的通風(fēng)方式，導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)的瓦斯容易通過(guò)工作面上隅角外溢出來(lái)，并進(jìn)入回風(fēng)巷，引起回風(fēng)巷瓦斯超限。這嚴(yán)重制約工作面回采產(chǎn)量的提升，對(duì)安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，有效地處理U型通風(fēng)系統(tǒng)工作面上隅角的瓦斯積聚，對(duì)工作面回采的安全生產(chǎn)和單產(chǎn)的提高具有十分重要的作用。

岳城礦作為高瓦斯礦井，雖然其上分層工作面在回采前及回采過(guò)程中已抽放煤層中的大部分瓦斯，但在其上分層工作面采空區(qū)中仍積存著大量瓦斯，其下分層綜采工作面采用U型通風(fēng)系統(tǒng)，工作面在回采過(guò)程中因受采動(dòng)影響，上分層采空區(qū)的大量瓦斯必然會(huì)涌入下分層，極易造成上隅角瓦斯積聚或超限。

針對(duì)以上情況，本文以岳城礦1302(下)工作面為例，探討了U型通風(fēng)系統(tǒng)工作面采空區(qū)上隅角瓦斯處理技術(shù)，并主要分析研究采空區(qū)埋管抽放技術(shù)在U型通風(fēng)系統(tǒng)工作面上隅角瓦斯治理中的問(wèn)題及注意事項(xiàng)。

1 工作面概況

岳城礦1302(下)綜采工作面為岳城礦東翼的第二個(gè)下層采煤工作面，該工作面共布置兩條順槽巷道，1203(下)為進(jìn)風(fēng)巷兼作皮帶巷，1204(下)回風(fēng)巷兼作軌道巷，如圖1所示，巷道均采用架棚支護(hù)，工作面采用綜合機(jī)械化開(kāi)采方法，采空區(qū)頂板為自然垮落法管理，工作面傾斜長(zhǎng)為144.6 m，走向長(zhǎng)1044m，煤層不易自燃。1302(下)工作面為U型通風(fēng)系統(tǒng)，即1203(下)巷進(jìn)風(fēng)，1204(下)巷回風(fēng)，風(fēng)量為1220m3/min。

圖1 1302(下)綜采工作面巷道布置示意圖

2 U型通風(fēng)系統(tǒng)工作面采空區(qū)瓦斯涌出規(guī)律及其治理原則

采空區(qū)一般是由受開(kāi)采影響的本煤層、有瓦斯解吸和流動(dòng)性的上下鄰近煤層以及空隙所組成的空間區(qū)域。該區(qū)域內(nèi)的最大特點(diǎn)是存在兩種特性相差很大的空隙，即采動(dòng)裂隙和原有裂隙。

由于采空區(qū)內(nèi)兩種空隙并存，因而瓦斯在采空區(qū)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為煤塊內(nèi)的解吸、擴(kuò)散和煤巖采動(dòng)空隙系統(tǒng)的層流滲透、紊流，盡管大量的采動(dòng)空隙與原有隙構(gòu)成了采空區(qū)內(nèi)極為復(fù)雜的氣體流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，但從整體上來(lái)看，采動(dòng)空隙是瓦斯流動(dòng)的主要通道，在一般U型通風(fēng)系統(tǒng)的工作面，風(fēng)流從進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)入回采工作面，攜帶著工作面瓦斯等氣體和粉塵后匯入工作面回風(fēng)巷，其中部分風(fēng)流將漏入采空區(qū)形成漏風(fēng)流。進(jìn)入采空區(qū)的風(fēng)流由于上隅角及回風(fēng)巷負(fù)壓作用，又將通過(guò)上隅角外溢出來(lái)，夾帶大量采空區(qū)瓦斯等有害氣體，導(dǎo)致上隅角和回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛仍黾?。同時(shí)由于工作面與采空區(qū)之間存在壓力差，采空區(qū)瓦斯還會(huì)涌入工作面，進(jìn)一步增加工作面瓦斯?jié)舛?。如圖2所示。

圖2 U型通風(fēng)系統(tǒng)工作面風(fēng)流流動(dòng)示意圖

從穩(wěn)定流角度考慮，可認(rèn)為采空區(qū)內(nèi)瓦斯流動(dòng)服從松散介質(zhì)內(nèi)達(dá)西(Darcy)定律，即

式中，q為單位時(shí)間內(nèi)單位面積采空區(qū)向工作面涌入的瓦斯量，m3/min;K為采空區(qū)內(nèi)透氣性系數(shù);p1，p2為工作面、采空區(qū)內(nèi)空氣壓力，MPa;ΔL為p1，p2兩點(diǎn)間距離，m.

實(shí)際上，應(yīng)當(dāng)引起注意的是采空區(qū)上隅角處不僅瓦斯?jié)舛雀撸掖罅坑咳牍ぷ髅婊蛏嫌缃?，引起回風(fēng)巷風(fēng)流中瓦斯?jié)舛瘸蓿绊懝ぷ髅娴陌踩a(chǎn)。為了解決這一問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)采取的措施絕大多數(shù)是增加工作面的供風(fēng)量;而這往往容易引起工作面漏風(fēng)量增大，采空區(qū)與工作面之間氣壓差增大，從而導(dǎo)致采空區(qū)瓦斯涌出量增大，因此盲目地增大工作面供風(fēng)量，其實(shí)對(duì)降低回風(fēng)巷風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛仁遣焕摹Ａ硗?，工作面供風(fēng)量過(guò)大不僅使沉積粉塵飛揚(yáng)，致使風(fēng)流中粉塵濃度增大，惡化工作面作業(yè)環(huán)境，還因風(fēng)量過(guò)大容易使工作面或巷道內(nèi)的風(fēng)速超過(guò)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定。

通過(guò)增加漏風(fēng)匯是治理上隅角瓦斯的一種有效措施，即采用一源多匯的通風(fēng)方式。這樣的話，上隅角瓦斯就可從漏風(fēng)匯中排出。如果漏風(fēng)匯的強(qiáng)度較小，而上隅角積聚的瓦斯量較大，則上隅角瓦斯就可能超限并涌入工作面。另外，漏風(fēng)匯的位置對(duì)采空區(qū)上隅角瓦斯的排放也具有重要影響。如圖3所示。

圖3 通過(guò)增加漏風(fēng)匯方法治理上隅角瓦斯示意圖

3 U型通風(fēng)系統(tǒng)工作面采空區(qū)瓦斯涌出治理技術(shù)

3.1 利用風(fēng)障導(dǎo)風(fēng)法治理上隅角瓦斯

為解決工作面上隅角瓦斯涌出問(wèn)題，綜合分析上隅角瓦斯來(lái)源等因素，發(fā)現(xiàn)上隅角瓦斯主要來(lái)自采空區(qū)以及鄰近層。因此，在工作面上隅角處設(shè)置一道風(fēng)障，改變風(fēng)流風(fēng)向，引導(dǎo)風(fēng)流流經(jīng)上隅角后再進(jìn)入回風(fēng)流，以此稀釋上隅角高濃度瓦斯。但是由于風(fēng)障的存在，使采煤機(jī)割煤、上隅角附近支回柱、安全出口行人、運(yùn)料等均受到較大影響。同時(shí)，風(fēng)障的存在增大了工作面的通風(fēng)阻力，必然導(dǎo)致工作面的風(fēng)量降低。

因此，利用風(fēng)障導(dǎo)風(fēng)法治理上隅角瓦斯這種方法可靠性較差，只能作為臨時(shí)性的應(yīng)急措施。當(dāng)工作面上隅角瓦斯出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間超限時(shí)，這種方法不能有效解決問(wèn)題，可靠性差。

3.2 上隅角插管抽放技術(shù)治理上隅角瓦斯

為保障上隅角瓦斯不致引起瓦斯超限事故，在1302(下)工作面回風(fēng)巷鋪設(shè)一趟φ400 mm抽放管路，并在上隅角處接出一趟φ159 mm蛇形抽放管路，φ159 mm蛇形抽放管末端留159*50的四通，通過(guò)連接3～5根φ50 mm蛇形管延伸至上隅角采空區(qū)處，利用負(fù)壓將高濃度瓦斯抽放出去，杜絕上隅角高濃度瓦斯引起超限事故。另外，為保證抽放效果，形成封閉式抽放，通過(guò)使用裝有煤泥的編織袋在緊靠切頂線以里處堆砌。將φ50 mm管路埋設(shè)在上隅角老塘上部，并超出煤泥編織袋約300～500 mm。抽放示意圖如圖4所示，插管抽放效果見(jiàn)圖5、圖6。

由圖4、圖5可知，抽放負(fù)壓控制在5～12 kPa之間時(shí)抽放效果為最佳狀態(tài)。通過(guò)以上方法對(duì)1302(下)工作面上隅角瓦斯治理，從工作面開(kāi)始回采至工作面回采至距停采線約130 m處這段時(shí)間，未發(fā)生瓦斯超限事故，同時(shí)有效確保了工作面及上隅角瓦斯?jié)舛仁冀K控制在0.2%～0.4%之間，上隅角煤泥袋碼放處瓦斯?jié)舛茸畲鬄?%。

3.3 采空區(qū)埋管抽放技術(shù)治理上隅角瓦斯

在1302(下)工作面回采至距距停采線約130 m處時(shí)，上隅角瓦斯涌出出現(xiàn)異常情況，上隅角煤泥袋碼放處瓦斯?jié)舛茸畲筮_(dá)到2%以上，一度造成工作面停產(chǎn)。經(jīng)初步分析，此次瓦斯涌出異常是由于頂板垮落后，頂板來(lái)壓將1301采空區(qū)閉墻壓垮，致使大量瓦斯涌入1302(下)采空區(qū)，從而導(dǎo)致1302(下)工作面上隅角瓦斯涌出異常。

圖4 上隅角插管抽放治理上隅角瓦斯示意圖

圖5 上隅角插管抽放負(fù)壓與抽放濃度對(duì)比圖

圖6 上隅角插管抽放負(fù)壓與抽放純量對(duì)比圖

經(jīng)分析異常涌出瓦斯的來(lái)源后，采取的治理措施有:1)開(kāi)啟位于1302工作面的地面采空區(qū)抽放鉆井，但經(jīng)抽放鉆井抽出的瓦斯?jié)舛炔淮?，上隅角瓦斯?jié)舛葻o(wú)明顯變化，此措施無(wú)效故關(guān)閉抽放鉆井;2)開(kāi)啟尾巷閉墻，為采空區(qū)瓦斯增加釋放通道，以緩解上隅角瓦斯壓力。雖然這一措施對(duì)于釋放采空區(qū)瓦斯、緩解上隅角瓦斯壓力確有一定效果，但并非立竿見(jiàn)影，不能徹底解決問(wèn)題，上隅角煤泥碼放處瓦斯?jié)舛热栽?%以上。如圖7所示。

圖7 采取的措施及工作面示意圖

以上措施均不能解決上隅角瓦斯積聚的問(wèn)題，經(jīng)技術(shù)人員研究決定，在回風(fēng)巷鋪設(shè)的φ400 mm抽放管路再另接出一趟φ159 mm蛇形抽放管路，并將其接至上隅角埋入采空區(qū)至切頂線以里約5 m處，同時(shí)在管路末端連接一根上端封閉的豎管(豎管規(guī)格為:長(zhǎng)約2 m，直徑約100 mm，管身上部1/3處均勻布置20個(gè)左右10 mm的篩孔)，在φ159 mm蛇形抽放管路上每隔10 m用三通開(kāi)關(guān)連接一根豎管。豎管埋入采空區(qū)(煤泥碼放處)前處于關(guān)閉狀態(tài)。抽放示意圖如圖8所示。埋管抽放效果見(jiàn)圖9、圖10。

圖8 采空區(qū)埋管抽放技術(shù)治理上隅角瓦斯示意圖

由圖8、圖9可知，抽放負(fù)壓控制在7～14kPa之間時(shí)埋管抽放效果為最佳狀態(tài)。通過(guò)采取采空區(qū)埋管抽放技術(shù)后，工作面上隅角瓦斯得到了有效的處理，直至工作面回采完畢，未發(fā)生瓦斯超限事故，同時(shí)有效確保了工作面及上隅角瓦斯?jié)舛仁冀K控制在0.3%以下，上隅角煤泥袋碼放處瓦斯?jié)舛茸畲鬄?.4%。

4 采空區(qū)埋管抽放技術(shù)在U型通風(fēng)系統(tǒng)工作面應(yīng)用的幾個(gè)注意事項(xiàng)

1)利用風(fēng)障導(dǎo)風(fēng)法處理上隅角瓦斯時(shí)，要盡量避免風(fēng)障阻擋巷道斷面，增加通風(fēng)阻力，甚至給割煤、支回柱等作業(yè)帶來(lái)安全隱患。

2)及時(shí)放頂，當(dāng)上隅角采空區(qū)頂板冒落不徹底時(shí)，及時(shí)進(jìn)行強(qiáng)制放頂，避免出現(xiàn)上隅角采空區(qū)懸頂時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，以減少瓦斯積聚空間。

3)堆砌煤泥袋時(shí)盡量壓實(shí)，壘嚴(yán)，保障封閉的嚴(yán)密性，在堆砌煤泥袋時(shí)，避免將50mm蛇形管壓扁、壓壞，以確保抽放效果。

4)抽放豎管進(jìn)入采空區(qū)后方可開(kāi)啟，避免抽放空氣，浪費(fèi)抽放負(fù)壓。在擺放豎管時(shí)要使其立于煤壁側(cè)，并在豎管下部用煤泥背牢，防止管路跌倒。

圖9 上隅角埋管抽放負(fù)壓與抽放濃度對(duì)比圖

圖10 上隅角埋管抽放負(fù)壓與抽放純量對(duì)比圖

5)控制管口負(fù)壓，將插管抽放負(fù)壓盡量控制在5～12 kPa之間，埋管抽放負(fù)壓盡量控制在7～14 kPa之間，避免負(fù)壓過(guò)大或過(guò)小。

5 結(jié)論

通過(guò)在1302(下)工作面使用采空區(qū)埋管抽放技術(shù)并配合上隅角插管抽放技術(shù)治理上隅角瓦斯后，工作面回采產(chǎn)量由原來(lái)的每天8個(gè)循環(huán)提高至每天10個(gè)循環(huán)。在高瓦斯礦井或采空區(qū)瓦斯涌出量大的U型通風(fēng)系統(tǒng)工作面中，應(yīng)用采空區(qū)埋管抽放技術(shù)并配合上隅角插管抽放技術(shù)，是治理工作面上隅角瓦斯積聚的有效手段。

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