淺談工作面上隅角瓦斯治理技術(shù)研究與應用

瓦斯事故是煤礦面臨最嚴重的安全問題之一，隨著我國礦井開采深部逐漸加深，發(fā)生瓦斯事故的礦井和煤層越來越多，同時我國煤礦復雜的地質(zhì)環(huán)境和開采條件也是導致煤礦災害事故多發(fā)的重要因素。隨著煤礦機械化程度和生產(chǎn)能力的提高，大采高、長走向工作面造成采空區(qū)面積增大。采空區(qū)面積增大容易造成瓦斯積聚，尤其在采空區(qū)上隅角。瓦斯事故會造成設備損害和人員傷亡，嚴重影響礦井的安全生產(chǎn)。對于上隅角瓦斯積聚濃度超限時，必須采用合理的措施進行治理，保證礦井的安全生產(chǎn)。

　　1 工作面上隅角瓦斯超限的原因分析

　　我國大多數(shù)礦井采用U型通風。在這種通風方式下，進入工作面的大部分空氣沿工作面流動，而進入采空區(qū)的一小部分空氣沿采空區(qū)內(nèi)的某一方向流動。如果工作面后部與鄰近煤層的采空區(qū)相連，或與同一煤層的巷道隔離，則采空區(qū)內(nèi)有漏風通道。當進入采空區(qū)的氣流通過采空區(qū)時，氣流將氣體排出并逐漸返回工作面。最后，角點在工作面上堆積。因此，工作面拐角處是采空區(qū)氣流進入工作面的交匯處。上角靠近煤壁和采空區(qū)側(cè)面。風速很低，部分處于渦流狀態(tài)。渦流使采空區(qū)排出的氣體難以進入主流，使高濃度氣體在上隅角渦流區(qū)循環(huán)聚集，形成上隅角超標準氣體。

　　2 工作面上隅角瓦斯超限的處理方法

　　2.1 采煤工作面角窗

　　擋風玻璃布置在工作面拐角處。擋風玻璃安裝在回流管旁邊。當進入道路的空氣通過工作面進入擋風玻璃時，擋風玻璃起到改變氣流方向的作用，將氣流引至工作面拐角處，然后從上拐角處排出氣體。但該方法存在一些不足之處：由于受物料運輸、行人、支架、立柱等因素的影響，擋風玻璃經(jīng)常被損壞，進而失去其功能，導致上隅角氣體濃度迅速上升到過量濃度，使工作區(qū)氣體濃度達到F。ACE減少。

　　2.2 專用排風機安裝

　　在工作面轉(zhuǎn)角處安裝礦井排風機的主要原理是在進水口處形成負壓區(qū)。由于兩側(cè)的壓力差，沿輸送通道通過工作面的主氣流將增大，以滿足風機排氣量的需要。此時，當上隅角積聚的有害氣體被稀釋后排入回風巷時，上隅角的氣體濃度保證在安全范圍內(nèi)。

　　3 上隅角瓦斯綜合治理措施

　　3.1 高位鉆孔抽采和上隅角埋管抽采的綜合措施

　　煤層開采后，采空區(qū)上方形成了垂直的“三帶”、“崩落帶”、“裂隙帶”和“彎曲沉陷帶”。在開采作用下，煤層地質(zhì)結(jié)構(gòu)將不斷變化，破壞了巖石壓力的相對平衡。此時，天然氣將從采空區(qū)流出，形成裂縫。根據(jù)研究表，高濃度氣體聚集在空間裂隙帶內(nèi)。由于存在壓差，這部分高濃度氣流沿通道從工作面角部噴出，導致上角瓦斯超標。高水平鉆井技術(shù)是通過產(chǎn)生負壓改變采空區(qū)斷裂帶氣流方向，使其流入采氣系統(tǒng)，減少從原通道向工作面涌出的氣體。根據(jù)氣流的特點，即氣流從高壓側(cè)流向低壓側(cè)的原理，上角埋管可降低工作面含氣量。因為當氣體在采空區(qū)流動時，它在水平方向上呈“O”形分布。同時增加了上隅角埋管開采方法，采用埋管開采采煤工作面上隅角瓦斯。上角設有用于低壓吸入的吸入管。吸入管與吸入管的集氣管相連，在上角形成負壓區(qū)，使氣體流向拐角處的吸入管。

　　3.2 高位鉆孔抽采鉆孔參數(shù)的確定

　　在工作面頂板進行鉆孔抽采瓦斯，利用工作面由于礦壓作用而產(chǎn)生的裂隙作為瓦斯排放通道來抽采采空區(qū)積聚的瓦斯。為了研究工作面采用高位鉆孔瓦斯抽采最優(yōu)的參數(shù)，采用FLUENT模擬軟件對不同鉆孔高度和不同鉆孔數(shù)量瓦斯抽采結(jié)果進行數(shù)值模擬。

　　3.2.1鉆孔高度對抽采效果的影響

　　在煤層頂板裂隙帶中，分別設定2～4.5倍采高頂板鉆孔，分析不同鉆孔高度對采空區(qū)瓦斯抽采效果。對通過鉆孔壁面的抽采瓦斯質(zhì)量流量分數(shù)進行加權(quán)平均，可以得出鉆孔抽采瓦斯?jié)舛?。在保證鉆孔數(shù)量一定時，隨著鉆孔終孔高度的逐漸增加，鉆孔抽采瓦斯?jié)舛缺憩F(xiàn)為拋物線形式，高位鉆孔抽采瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)出先升高后降低的趨勢。通過分析可以確定鉆孔最合適的高度，根據(jù)工作面的采高，就可以得出抽采效果最優(yōu)高度為工作面幾倍采高。因此，工作面高位鉆孔終孔最優(yōu)高度就可以確定。

　　3.2.2 鉆孔數(shù)量變化對抽采效果的影響

　　在鉆孔終孔高度一定時，分析鉆孔數(shù)量變化對抽采效果的影響。在工作面進風巷水平方向分別布置鉆孔組，通過數(shù)值模擬來分析鉆孔數(shù)量對瓦斯抽采效果。隨著鉆孔數(shù)量的增加，采空區(qū)內(nèi)高瓦斯?jié)舛葏^(qū)域逐漸減小，鉆孔數(shù)量由1個開始逐漸增，通過增加鉆孔數(shù)量來觀測上隅角瓦斯治理效果，當治理效果最為明顯時在上隅角附近形成一定的低瓦斯區(qū)域，此時確定鉆孔數(shù)量。

　　4 結(jié)語

　　①簡述了多種治理工作面上隅角瓦斯超限的處理方法；②確定4201工作面采用高位鉆孔抽采技術(shù)時鉆孔高度為4倍采高，每組鉆場布置4個鉆孔時，抽采效果最優(yōu)；③對4201工作面上隅角瓦斯積聚問題采用高位鉆孔抽采和上隅角埋管抽采的綜合措施進行了抽采效果檢驗，結(jié)果表明采用以上措施避免了工作面上隅角區(qū)域瓦斯積聚，取得了良好的治理效果。