上隅角瓦斯积聚成因分析及治理方法

上隅角瓦斯积聚成因分析及治理方法[摘要]通过对回采工作面上隅角瓦斯积聚的成因、采空区瓦斯的来源及上隅角瓦斯浓度分布规律的研究，分析了影响回采工作面上隅角瓦斯涌出因素，提出了解决回采工作面上隅角瓦斯积聚处理的方法。[关键词]上隅角；采空区；瓦斯积聚；动态平衡1采煤工作面上隅角瓦斯积聚成因煤体内有回风巷的U型通风系统工作面的上隅角，容易积聚瓦斯，因为邻近层涌出的瓦斯大部分经过这里，而这里风速又比较小。另外，采空区漏风携带采空区瓦斯主要从工作面上隅角附近涌出，而上隅角附近又是风流出现涡旋的地点，工作面风流和采空区风流的传质过程较弱，从而导致回风流中瓦斯浓度较小、上隅角附近瓦斯浓度超限，如图1所示[1]。0.25%0.3%0.5%1%1.5%2%3%4%CH4图1U型通风系统工作面瓦斯浓度分布图2采空区瓦斯来源及分布规律[2]2.1采空区瓦斯来源分析(1)从采空区内部煤炭中释放出来。它可分为四方面:一是采空区内上、下两道煤壁受采动影响，表面的煤炭片帮垮落，露出深部的煤层；另外，煤壁的裂隙进一步向深部发展，形成新的瓦斯涌出通道，造成深部瓦斯涌入采空区；二是采空区的遗煤；三是分层开采，下分层的卸压煤层瓦斯涌出；四是放顶落煤过程中落煤的卸压瓦斯能涌出。(2)邻近煤层的瓦斯通过顶、底板裂隙涌入开采层工作面采空区，如图2所示。(3)采煤工作面的少部分瓦斯由经流入采空区的风流带入采空区。2.2采空区瓦斯分布规律采空区内的瓦斯分布取决于采空区内部的风流运动规律、瓦斯扩散运动规律及瓦斯上浮运动规律的综合作用。采空区内的风流运动可分为三个区域，即紊流区域、层流区域和静止区域。它们的分布，在走向方向，从切顶线往采空区深部分为紊流区、层流区，最后是静止区；从底板往顶部分布规律是紊流区、层流区，最高的是静止区。各区域的空间大小与流入采空区的风量大小、煤层倾角、顶板岩性、工作面长短等因素有关。紊流区的瓦斯运动规律主要决定于风流运动和瓦斯上浮运动；层流区的瓦斯由风流运动、瓦斯上浮运动和瓦斯分子扩散运动作用，静止区的瓦斯运动规律主要由分子扩散运动和瓦斯上浮运动作用。瓦斯浓度在采空区内形成一种相对稳定的动态平衡的浓度梯度，从切顶线往采空区深部方向及底板往顶部裂隙带方向瓦斯浓度渐渐变大，在采空区内存在一个等浓度的曲面梯度。3影响上隅角瓦斯涌出因素回采工作面上隅角瓦斯涌出大小决定于自然因素、开采技术因素和通风因素的综合作用。这里着重讨论煤层倾角、放炮、放顶煤、回料和风向对回采面上隅角瓦斯涌出影响。(1)煤层倾角煤层倾角对回采工作面上隅角瓦斯涌出影响主要有三个方面。一是煤层倾角不同采空区顶板活动规律不一样，导致采空区冒落范围、形状不同，随着煤层倾角变大，采空区内的风流静止区域变小，瓦斯储存量降低，造成采空区的瓦斯涌出量增加；另一方面，对瓦斯涌出量变化的缓冲能力降低，造成采空区瓦斯涌出浓度变化频繁。二是煤层倾角变大改变了采空区瓦斯储存方式，煤层倾角小时采空区内的矸石不发生下滑移动，较均匀地分布在采空区内，采空区内的瓦斯也均匀地储存在采空区矸石缝隙空间内，整个采空区的通风阻力均匀分布，采空区瓦斯涌入工作面的稳定性好；当煤层倾角变大时，采空区内的矸石稳定性变小，下滑移动趋势变大，当煤层倾角大于安息角时，采空区内的矸石滑移到采空区下部，上部形成空洞，瓦斯主要储存到采空区的空洞中，空洞内的瓦斯对放炮爆轰波、采空区顶板冒落的冲击波影响比较敏感，采空区瓦斯涌入工作面的稳定性变差。图2邻近层瓦斯运移示意图开采层邻近层工作面采空区瓦斯导通裂隙三是煤层倾角变大，改变了采空区内的瓦斯浓度梯度，使高浓度的瓦斯接近工作面的上隅角，加大了采空区内高浓度瓦斯向上隅角逸散速度。总之，煤层倾角变大，对回采工作面上隅角的瓦斯管理带来不利的影响。(2)放炮工序回采工作面放炮工序对上隅角瓦斯涌出影响主要有以下几方面。一是放炮作业产生的爆轰波冲击采空区，破坏采空区风流的紊流区、层流区及静止区的相对平衡，将静止区、层流区的瓦斯带入工作面上隅角，使上隅角瓦斯浓度变大。二是放炮落煤时要释放出大量瓦斯，造成上隅角瓦斯浓度变高。三是放炮落煤后，使工作面的通风有效断面变小，通风阻力增加，造成流经采空区的风量变大，扩大了采空区紊流区域，使上隅角瓦斯涌出增高。(3)放顶煤工序回采工作面放顶煤工序对上隅角瓦斯涌出影响主要有以下几方面。一是放顶煤过程使采空区内的瓦斯浓度升高，导致流经采空区风流带出的瓦斯含量变大，加快上隅角附近的高浓度瓦斯向上隅角逸散速度。二是放顶煤改变了采空区储存瓦斯空间，破坏了采空区风流三个区域的平衡，导致静止区和层流区的高浓度瓦斯进入紊流区被流经采空区的风流从上隅角带出。三是放顶煤造成采空区的空间增大，通风阻力降低，使流经采空区的风量比变大。(4)回料工序回采工作面回料工序对上隅角瓦斯涌出的影响与放顶煤相近，不同之处在于，一是不产生大量瓦斯，二是在采空区通风阻力降低的同时，工作面的通风断面变小，通风阻力增加，流经采空区的风量比比放顶煤时还要大。(5)工作面风流方向首先来分析风流大小、方向对采空区风流“三带”的影响。流经采空区的风流方向先向里、再转向、最后向外，形成弧状的路线，它的风速变化是采空区上、下两端的风速较大，中部风速小，这样就造成沿倾向方向采空区两端紊流范围大，中部小的规律，瓦斯浓度变化规律是进风侧低、回风侧高。瓦斯上浮运动到顶板后沿顶板正倾斜方向向上浮，大部分到顶部的裂隙带内，另一部分积聚到采空区上部。上行通风时，因上部紊流区变大，层流区变小，将层流区内的部分高瓦斯浓度变为紊流风带入工作面上隅角；下行通风时，因瓦斯上浮运动带到采空区上部的瓦斯由流经采空区的风流带到采空区的深部，随着风流流动又有一部分瓦斯上浮到顶板，再沿顶板正倾斜方向向上上浮，上浮到顶部的瓦斯又被流经采空区的风流带到采空区的更深部，这样形成循环运动，随着不断循环把大部分瓦斯带入采空区深部，因此下行通风工作面上隅角的瓦斯浓度小。如果工作面风量小或流经采空区的风流小，而工作面的瓦斯涌出又比较大时，也能在上隅角积聚瓦斯。总之，影响回采工作面上隅角瓦斯涌出的因素是多种多样的，造成上隅角瓦斯增大也是多种因素综合作用的结果，在处理时，必须根据情况，先找出影响上隅角瓦斯涌出变化的各种因素，再分析有那些因素发生了变化，确定影响上隅角瓦斯变化的主要因素，最后采取针对性措施。4回采工作面上隅角瓦斯处理措施(1)采前抽放，降低煤层瓦斯含量降低煤层瓦斯含量措施主要有本煤层瓦斯抽放、邻近煤层瓦斯抽放和保护层开采卸压强化抽放等技术措施。经瓦斯抽放后，煤层的瓦斯含量大幅度下降，回采时瓦斯涌出总量减少，相应的涌向采空区和上隅角的瓦斯就少。《煤矿瓦斯抽采基本指标》明确提出突出危险煤层必须预抽煤层瓦斯，确保将煤层瓦斯含量降至煤层的始突含量或始突瓦斯压力，或将煤层的瓦斯压力降至0.74MPa以下，瓦斯含量降至8m3/t以下，方可进行采掘作业。(2)改变通风方式，消除上隅角瓦斯消除上隅角措施主要有改变工作面通风系统，如采用“Z”、“Y”和“W”型通风，工作面留尾巷，下行通风。这些方法一般适用于煤层瓦斯含量不高，回采工作面瓦斯绝对涌出量在5m3/min以下时，通过与加大风量配合使用效果比较好。但对有煤层自燃发火的回采工作面对防治自燃发火不利。(3)采空区、上隅角瓦斯抽放控制上隅角瓦斯措施主要是采空区瓦斯抽放、上隅角抽放等。采空区抽放和上隅角方法很多，通常情况下是利用顶板走向钻孔和上隅角埋管联合使用，如图3所示。平顶山矿业集团某矿采用顶板这种方法，钻场位于煤层顶板上约1～2m，钻场深度5.5m。钻场间距70～80m，长短、高低两排孔，终孔位于煤层顶板10～20m、距风巷的水平距离为5～30m，钻孔终孔间距5～10m，长孔110m，短孔75m，钻场间钻孔压茬长度30～40m。选择合理的高位钻孔终孔位置是这种抽采方式效果好坏的关键，受回采速度影响，工作面推进过快，相对采空区顶板岩层移动和变形较慢，若顶板钻孔布置层位过高，靠近工作面侧采空区顶板岩层裂隙发育不充分，降低了瓦斯抽采效果，因此对于综采工作面的顶板钻孔层位布置应根据工作面的推进速度、老顶来压步距、顶板岩性等综合考虑来确定。实测某矿的工作面裂隙带最大发育高度为采高的7倍左右，钻孔终孔布置在煤层顶板6倍左右的高度时，钻孔抽放瓦斯浓度可达60%以上，但抽放流量小、阻力大；抽放泵负压达50kPa以上，抽放流量仅为为额定流量的10%。通过对抽放效果的考察发现，钻孔合适的位置在冒落拱的顶部，抽放浓度不高但抽放流量大。因此钻孔终孔应布置在3～6倍的采高处，即距煤层顶板10～20m的位置。图3顶板走向钻孔布置示意图工作面冒落带顶板钻孔顶板钻场在采空区流场中瓦斯聚集区一般位于风巷下10m左右，布置在这个区域内的钻孔瓦斯浓度大，一般为45～50%，因此钻孔在倾向上应布置在该区域，对邻近层瓦斯和采空区瓦斯进行进行拦截，减少上隅角瓦斯涌出。(4)稀释上隅角瓦斯浓度措施。稀释上隅角瓦斯浓度措施常用的有局扇、导风帘等方法。这种措施是迫使一部分风流流经工作面上隅角，将上隅角瓦斯稀释并排出。此法多用于工作面瓦斯涌出量不大，上隅角瓦斯浓度超限幅度不大时。总之，处理上隅角瓦斯的措施多种多样，各种措施都有优缺点，在选用时必须正确选择针对性措施或几种措施联合使用才能取得良好效果。5结论(1)当回采工作面瓦斯绝对涌出量大于5m3/min时，仅采用通风方法处理上隅角瓦斯效果不显著。应采取预抽煤层瓦斯或上隅角埋管、顶板走向钻孔等措施，或几种措施根据实际情况联合使用。(2)当回采工作面瓦斯绝对涌出量在3~5m3/min时，改变采区布置方式，回采工作面选用“Z”或“Y”型通风方法处理上隅角瓦斯效果好。(3)当回采工作面瓦斯绝对涌出3m3/min或瓦斯相对涌出量在5~10m3/t时，采用下行通风即可取得良好效果。[参考文献][1]王岩森，马立强，等.矿压显现对工作面瓦斯涌出规律影响分析[J]。煤矿安全，2004，(11)。[2]俞启香.矿井瓦斯防治[M]。徐州:中国矿业大学出版社，1992