綜放工作面瓦斯涌出特點及應對措施研究

陳 赟

（山西煤炭進出口集團蒲縣豹子溝煤業有限公司，山西 臨汾 041204）

關鍵字 瓦斯涌出；放頂煤開采；瓦斯積聚；采空區

0 引言

隨著我國煤炭開采量的不斷增加，以及采掘機械化的不斷推廣，煤炭開采的強度和深度急劇加大。尤其是在我國東部很多傳統開采區域，煤炭開采的深度正以平均每年20米左右的速度向地下深處延伸，伴隨這一過程的是瓦斯水平的不斷攀升。主要表現在煤層中的瓦斯壓力及涌出量日益增多，瓦斯突出現象的頻率及危害日益嚴重，許多傳統意義上的瓦斯礦井逐漸成為了高瓦斯礦井，安全生產的壓力逐漸加大。面對這一嚴峻形勢，在煤炭生產過程中，必須認真細致地對本礦井中的瓦斯來源特點、涌出特點進行測定及分析，并通過合理的技術及管理手段對這種危險因素進行管控，最終達到安全高效生產的目的。本文以保德煤礦81306工作面為例，對其瓦斯涌出特點及應對措施進行分析研究。

1 工作面瓦斯來源現狀

保德煤礦81306工作面屬于一次采全高的綜放開采工藝，該工藝的特點之一是會對周邊圍巖及上相近層造成不確定影響，如保德礦的工作面高度為7米，但冒落帶的高度最大可達30米，厚度相差十分懸殊，由冒落帶中放下的煤量也很巨大。因此，這種一次采全高式的綜放工作面在瓦斯問題上，往往是噸煤瓦斯涌出量較小，但瓦斯涌出的絕對量卻很大，由此產生的瓦斯突出事故危險性也很明顯。

當發生頂板垮落時，在回風巷道靠近液壓支架的位置容易發生小范圍的瓦斯積聚現象，其發生的位置主要是液壓支架和放煤口的各個縫隙中。尤其是在采用U型通風方式的工作面，一旦發生瓦斯涌出量大，并且未能及時采取補救措施，則這些縫隙中的瓦斯量會急劇升高，最大濃度可達10%以上。這將直接導致液壓支架無法在保證安全的情況下正常移動，嚴重影響生產進度。

同時，在周期來壓、頂板垮落的過程中，由于工作面頂板劇烈下沉，導致已有裂隙被壓縮，瓦斯的存儲空間在短時間內被劇烈壓縮，大量瓦斯就會噴出。這種狀況下發生的瓦斯涌出現象不僅速度快而且濃度高，此時如果礦井采用的仍是負壓通風方式，則極易造成支架等處局部瓦斯超限，對生產安全造成巨大壓力。

從目前的研究來看，當采用一次采全高式的放頂煤開采方式時，瓦斯的涌出規律性較差，難以摸索出固定的涌出模式。這其中，采煤的工藝順序對瓦斯涌出量影響較大。如當進行放頂煤工序時，瓦斯涌出量較大；而在正常工作面割煤時，瓦斯的涌出量一般較小。因此，總體來說，一次采全高式的放頂煤開采方式下，工作面的瓦斯涌出表現出較為明顯的非均衡性。

2 工作面瓦斯涌出特點

2.1 瓦斯涌出量計算方法

瓦斯涌出現象是在時間維度上講是伴隨整個煤炭生產過程的，在空間維度上講則廣泛出現于礦井中的各個主要區域，囊括了開采區和非開采區的大部分位置，大致的分布關系如圖1所示。

圖1 礦井瓦斯主要分布區域關系框圖

由圖1中可見，瓦斯在礦井中的分布主要是開采區和采空區兩大部分，其中開采區由于集中了生產過程中的主要機械及礦井結構部分，因此瓦斯的涌出位置較多，復雜程度較大。為了簡化問題，本文主要針對開采區和采空區這一層次進行瓦斯涌出現象分析。

開采區的瓦斯涌出量使用相對涌出量的概念，即以24小時為一個計算周期進行瓦斯涌出量的計算，如式（1）：

q采為回采面相對瓦斯涌出量，m3/min；q1為本煤層的相對瓦斯涌出量，m3/min；q2為本煤層周邊層的相對瓦斯涌出量，m3/min。

采空區的瓦斯涌出量實際測定較為困難，因此主要是對老頂垮落前后主回風巷中的瓦斯涌出量進行測定、統計，估算采空區瓦斯涌出量如式（2）：

M1為老頂未垮落時主回風巷中排出瓦斯量，m3/min；M2為老頂已垮落時主回風巷中排出瓦斯量，m3/min；M3為采空區瓦斯涌出量，m3/min；M4為采空區實測瓦斯抽排量，m3/min。

2.2 工作面瓦斯涌出量計算及分析

本文的研究對象是保德礦81306工作面，在該工作面周圍臨近的幾個工作面分別為88201、88202、88203、81304和81305工作面，這幾個工作面均已回采。其中，88201、88202和88203工作面均屬于一次采全高式的綜合機械化開采模式，而81304和81305工作面屬于一次采全高式的綜放工作面，主要是對上部煤層進行有效回收。對這些煤層采區及采空區的瓦斯涌出量進行統計，如表1所示。

表1 不同工作面瓦斯涌出量

由表1可見，在81306臨近的幾個工作面中，瓦斯涌出均以采空區為主，其瓦斯涌出量一般占到了瓦斯總量的55%-70%。開采過程中的工作面割煤及原煤運輸帶來的瓦斯涌出量一般占到20%左右；另有少部分瓦斯來源于浮煤和巷道煤壁，以及外界送風過程中帶入的少量瓦斯。這些均包含在了工作面瓦斯涌出量中。

對于開采過程中的瓦斯涌出現象，治理方案一般是抑制瓦斯涌出或者減小回采工作面的瓦斯涌出。本文研究的81306工作面屬于一次采全高式的綜合機械化放頂煤開采，并且采空區的瓦斯涌出量相對較大，這種情況下治理瓦斯涌出一般采用的是減小工作面的瓦斯涌出。具體方法一般是在尾巷或者采空區埋管；在頂板的走向方向上打孔；或者預先對煤層中瓦斯進行抽采。在以往的生產過程中，由于地面瓦斯抽采泵尚未建成，81306在生產過程中主要是通過井下集中抽采系統進行瓦斯預抽排；泵站投入使用后，則使用地面高負壓抽采系統進行瓦斯抽排。

3 工作面瓦斯安全管理措施

3.1 工作面采空區抽采方案

由前述分析可知，工作面涌出的瓦斯基本上60%以上都是來自采空區。因此在工作面的回采過程中，結合工作面的實際結構情況，應當使用埋管方案進行瓦斯治理。抽采過程中使用地面瓦斯抽采泵站的低負壓抽采系統進行抽采活動。

根據81306工作面至今為止的統計數據可知，工作面的預抽瓦斯量一般在0.76-3.58m3/min。隨著回采工作的持續進行，工作面的預抽采量也會逐漸減少。為便于說明，工作面的瓦斯預抽采量可估計為2m3/min。此外，工作面回采期間的風排瓦斯量設計為10m3/min。

根據以往數據，工作面的額瓦斯涌出量峰值為29.8m3/min，因此在工作面回采期間，采空區的瓦斯抽排能力應保證在21m3/min以上才可保證安全。

3.2 防止上隅角瓦斯積聚

根據礦井工作面實際情況，可在回采面上隅角位置設置擋風簾，其主要起到分割工作面風流的作用，使得上隅角位置獲得更多風流，最終達到稀釋上隅角瓦斯濃度的目的。擋風簾材料可選用風筒布，其質地較為柔軟，長度一般應大于10m。如圖2所示。

圖2 81306工作面上隅角擋風簾安裝位置示意圖

值得注意的是，由于回采面的上隅角與煤壁和采空區相對靠近，導致送風流速較低，從而引起局部風流的渦流現象，這種現象會對瓦斯的抽排產生嚴重負面作用，嚴重時使得上隅角處瓦斯積聚。因此可考慮在上隅角位置處安裝瓦斯稀釋器，如圖3所示。

圖3 81306工作面上隅角瓦斯稀釋器安裝位置示意圖

結合保德煤礦81306工作面的實際情況，建議使用GD-80型瓦斯稀釋器，具體技術指標如表2所示。

表2 GD-80型瓦斯稀釋器主要技術指標

3.3 防止工作面瓦斯超限

由于81306工作面的綜放開采工藝存在瓦斯涌出量不均衡的特點，因此在送風過程中，除了要保證送風系統的工作可靠性外，還要保證在傳統經驗送風量的基礎上適當加大送風量。嚴格按照礦井的設計進行配風，并在每個月對工作面實際風量進行測定，當出現風量不穩現象時應及時采取補救措施。

此外，工作面還應設置專門的瓦斯檢測員，對重點區域進行定點監測。檢查地點可定在機尾后25架、工作面風流、后溜風流以及回風隅角位置處，利用自動監控系統中的探頭結合人工手便攜式的瓦斯檢測儀器對生產過程中的瓦斯情況進行實施準確的監測。其中，工作面的瓦斯檢測次數不得少于每班三次，兩次檢查的時間間隔應大于2.5小時，不得虛報、假檢、漏檢；瓦斯監測員的交接班必須在井下完成，交接班行為應在工作面的上隅角位置進行。

4 結論

1）采用一次采全高式的綜合機械化放頂煤開采工藝時，工作面的瓦斯涌出現象存在噸煤瓦斯涌出量小，但瓦斯涌出絕對量大的特點；

2）保德煤礦81306工作面及其臨近工作面的瓦斯以采空區為主，瓦斯涌出量基本占到瓦斯總量的60%以上；

3）81306工作面進行瓦斯抽排時，應在經驗送風量基礎上加大送風量，以防止頂板垮落時瓦斯短時間內大量涌出造成瓦斯超限；

4）可采用設置上隅角擋風簾或設置瓦斯稀釋器的方式對重點區域進行瓦斯含量控制，并強化瓦斯巡查、檢測力度，防止工作面瓦斯超限。