上隅角瓦斯積聚成因分析及治理方法

1、上隅角瓦斯積聚成因分析及治理方法摘 要通過對(duì)回采工作面上隅角瓦斯積聚的成因、采空區(qū)瓦斯的來源及上隅 角瓦斯?jié)舛确植家?guī)律的研究，分析了影響回采工作面上隅角瓦斯涌出因素， 提出 了解決回采工作面上隅角瓦斯積聚處理的方法。關(guān)鍵詞上隅角；采空區(qū)；瓦斯積聚；動(dòng)態(tài)平衡1采煤工作面上隅角瓦斯積聚成因煤體內(nèi)有回風(fēng)巷的 U型通風(fēng)系統(tǒng)工作面的上隅角，容易積聚瓦斯，因?yàn)猷徑鼘佑砍龅?瓦斯大部分經(jīng)過這里， 而這里風(fēng)速又比較小。 另外，采空區(qū)漏風(fēng)攜帶采空區(qū)瓦斯主要從工作 面上隅角附近涌出，而上隅角附近又是風(fēng)流出現(xiàn)渦旋的地點(diǎn)，工作面風(fēng)流和采空區(qū)風(fēng)流的傳質(zhì)過程較弱，從而導(dǎo)致回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛容^小、上隅角附近瓦斯?jié)舛瘸蓿鐖D

2、1所示。圖1 U型通風(fēng)系統(tǒng)工作面瓦斯?jié)舛确植紙D2采空區(qū)瓦斯來源及分布規(guī)律22.1采空區(qū)瓦斯來源分析(1) 從采空區(qū)內(nèi)部煤炭中釋放出來。它可分為四方面 ：一是采空區(qū)內(nèi)上、下兩 道煤壁受采動(dòng)影響，表面的煤炭片幫垮落，露出深部的煤層；另外，煤壁的裂隙 進(jìn)一步向深部發(fā)展，形成新的瓦斯涌出通道，造成深部瓦斯涌入采空區(qū)；二是采 空區(qū)的遺煤；三是分層開采，下分層的卸壓煤層瓦斯涌出；四是放頂落煤過程中 落煤的卸壓瓦斯能涌出。(2) 鄰近煤層的瓦斯通過頂、底板裂隙涌入開采層工作面采空區(qū)，如圖2所示。圖2鄰近層瓦斯運(yùn)移示意圖(3) 采煤工作面的少部分瓦斯由經(jīng)流入采空區(qū)的風(fēng)流帶入采空區(qū)。2.2 采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律采

3、空區(qū)內(nèi)的瓦斯分布取決于采空區(qū)內(nèi)部的風(fēng)流運(yùn)動(dòng)規(guī)律、瓦斯擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)規(guī)律及瓦斯上浮運(yùn)動(dòng)規(guī)律的綜合作用。 采空區(qū)內(nèi)的風(fēng)流運(yùn)動(dòng)可分為三個(gè)區(qū)域， 即紊流 區(qū)域、層流區(qū)域和靜止區(qū)域。它們的分布，在走向方向，從切頂線往采空區(qū)深部 分為紊流區(qū)、層流區(qū)，最后是靜止區(qū)；從底板往頂部分布規(guī)律是紊流區(qū)、 層流區(qū)， 最高的是靜止區(qū)。各區(qū)域的空間大小與流入采空區(qū)的風(fēng)量大小、 煤層傾角、頂板 巖性、工作面長短等因素有關(guān)。紊流區(qū)的瓦斯運(yùn)動(dòng)規(guī)律主要決定于風(fēng)流運(yùn)動(dòng)和瓦 斯上浮運(yùn)動(dòng)；層流區(qū)的瓦斯由風(fēng)流運(yùn)動(dòng)、瓦斯上浮運(yùn)動(dòng)和瓦斯分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)作用， 靜止區(qū)的瓦斯運(yùn)動(dòng)規(guī)律主要由分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和瓦斯上浮運(yùn)動(dòng)作用。瓦斯?jié)舛仍诓煽諈^(qū)內(nèi)形成一種相對(duì)穩(wěn)定

4、的動(dòng)態(tài)平衡的濃度梯度，從切頂線往采空區(qū)深部方向及 底板往頂部裂隙帶方向瓦斯?jié)舛葷u漸變大， 在采空區(qū)內(nèi)存在一個(gè)等濃度的曲面梯 度。3影響上隅角瓦斯涌出因素回采工作面上隅角瓦斯涌出大小決定于自然因素、 開采技術(shù)因素和通風(fēng)因素 的綜合作用。這里著重討論煤層傾角、放炮、放頂煤、回料和風(fēng)向?qū)夭擅嫔嫌?角瓦斯涌出影響。(1)煤層傾角煤層傾角對(duì)回采工作面上隅角瓦斯涌出影響主要有三個(gè)方面。一是煤層傾角不同采空區(qū)頂板活動(dòng)規(guī)律不一樣， 導(dǎo)致采空區(qū)冒落范圍、形狀不同，隨著煤層傾 角變大，采空區(qū)內(nèi)的風(fēng)流靜止區(qū)域變小， 瓦斯儲(chǔ)存量降低，造成采空區(qū)的瓦斯涌 出量增加；另一方面，對(duì)瓦斯涌出量變化的緩沖能力降低， 造成采空

5、區(qū)瓦斯涌出 濃度變化頻繁。二是煤層傾角變大改變了采空區(qū)瓦斯儲(chǔ)存方式，煤層傾角小時(shí)采 空區(qū)內(nèi)的矸石不發(fā)生下滑移動(dòng)，較均勻地分布在采空區(qū)內(nèi)，采空區(qū)內(nèi)的瓦斯也均 勻地儲(chǔ)存在采空區(qū)矸石縫隙空間內(nèi)，整個(gè)采空區(qū)的通風(fēng)阻力均勻分布，采空區(qū)瓦 斯涌入工作面的穩(wěn)定性好；當(dāng)煤層傾角變大時(shí)，采空區(qū)內(nèi)的矸石穩(wěn)定性變小，下 滑移動(dòng)趨勢變大，當(dāng)煤層傾角大于安息角時(shí)，采空區(qū)內(nèi)的矸石滑移到采空區(qū)下部， 上部形成空洞，瓦斯主要儲(chǔ)存到采空區(qū)的空洞中，空洞內(nèi)的瓦斯對(duì)放炮爆轟波、 采空區(qū)頂板冒落的沖擊波影響比較敏感，采空區(qū)瓦斯涌入工作面的穩(wěn)定性變差。 三是煤層傾角變大， 改變了采空區(qū)內(nèi)的瓦斯?jié)舛忍荻龋?使高濃度的瓦斯接近工作 面的上

6、隅角， 加大了采空區(qū)內(nèi)高濃度瓦斯向上隅角逸散速度。 總之，煤層傾角變 大，對(duì)回采工作面上隅角的瓦斯管理帶來不利的影響。(2) 放炮工序回采工作面放炮工序?qū)ι嫌缃峭咚褂砍鲇绊懼饕幸韵聨追矫妗?一是放炮作 業(yè)產(chǎn)生的爆轟波沖擊采空區(qū)， 破壞采空區(qū)風(fēng)流的紊流區(qū)、 層流區(qū)及靜止區(qū)的相對(duì) 平衡，將靜止區(qū)、層流區(qū)的瓦斯帶入工作面上隅角，使上隅角瓦斯?jié)舛茸兇?。?是放炮落煤時(shí)要釋放出大量瓦斯，造成上隅角瓦斯?jié)舛茸兏摺Ｈ欠排诼涿汉螅?使工作面的通風(fēng)有效斷面變小， 通風(fēng)阻力增加， 造成流經(jīng)采空區(qū)的風(fēng)量變大， 擴(kuò) 大了采空區(qū)紊流區(qū)域，使上隅角瓦斯涌出增高。(3) 放頂煤工序回采工作面放頂煤工序?qū)ι嫌缃峭咚褂砍鲇?/p>

7、響主要有以下幾方面。 一是放頂 煤過程使采空區(qū)內(nèi)的瓦斯?jié)舛壬?，?dǎo)致流經(jīng)采空區(qū)風(fēng)流帶出的瓦斯含量變大， 加快上隅角附近的高濃度瓦斯向上隅角逸散速度。 二是放頂煤改變了采空區(qū)儲(chǔ)存 瓦斯空間， 破壞了采空區(qū)風(fēng)流三個(gè)區(qū)域的平衡， 導(dǎo)致靜止區(qū)和層流區(qū)的高濃度瓦 斯進(jìn)入紊流區(qū)被流經(jīng)采空區(qū)的風(fēng)流從上隅角帶出。 三是放頂煤造成采空區(qū)的空間 增大，通風(fēng)阻力降低，使流經(jīng)采空區(qū)的風(fēng)量比變大。(4) 回料工序 回采工作面回料工序?qū)ι嫌缃峭咚褂砍龅挠绊懪c放頂煤相近，不同之處在 于，一是不產(chǎn)生大量瓦斯， 二是在采空區(qū)通風(fēng)阻力降低的同時(shí)， 工作面的通風(fēng)斷 面變小，通風(fēng)阻力增加，流經(jīng)采空區(qū)的風(fēng)量比比放頂煤時(shí)還要大。(5)

8、工作面風(fēng)流方向 首先來分析風(fēng)流大小、方向?qū)Σ煽諈^(qū)風(fēng)流“三帶”的影響。流經(jīng)采空區(qū)的風(fēng) 流方向先向里、 再轉(zhuǎn)向、最后向外， 形成弧狀的路線， 它的風(fēng)速變化是采空區(qū)上、 下兩端的風(fēng)速較大，中部風(fēng)速小，這樣就造成沿傾向方向采空區(qū)兩端紊流范圍大， 中部小的規(guī)律， 瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律是進(jìn)風(fēng)側(cè)低、 回風(fēng)側(cè)高。 瓦斯上浮運(yùn)動(dòng)到頂板 后沿頂板正傾斜方向向上浮， 大部分到頂部的裂隙帶內(nèi)， 另一部分積聚到采空區(qū) 上部。上行通風(fēng)時(shí)，因上部紊流區(qū)變大，層流區(qū)變小，將層流區(qū)內(nèi)的部分高瓦斯 濃度變?yōu)槲闪黠L(fēng)帶入工作面上隅角； 下行通風(fēng)時(shí)， 因瓦斯上浮運(yùn)動(dòng)帶到采空區(qū)上 部的瓦斯由流經(jīng)采空區(qū)的風(fēng)流帶到采空區(qū)的深部， 隨著風(fēng)流流動(dòng)又

9、有一部分瓦斯 上浮到頂板， 再沿頂板正傾斜方向向上上浮， 上浮到頂部的瓦斯又被流經(jīng)采空區(qū) 的風(fēng)流帶到采空區(qū)的更深部， 這樣形成循環(huán)運(yùn)動(dòng)， 隨著不斷循環(huán)把大部分瓦斯帶 入采空區(qū)深部， 因此下行通風(fēng)工作面上隅角的瓦斯?jié)舛刃　?如果工作面風(fēng)量小或 流經(jīng)采空區(qū)的風(fēng)流小， 而工作面的瓦斯涌出又比較大時(shí)， 也能在上隅角積聚瓦斯。 總之，影響回采工作面上隅角瓦斯涌出的因素是多種多樣的， 造成上隅角瓦 斯增大也是多種因素綜合作用的結(jié)果， 在處理時(shí)，必須根據(jù)情況， 先找出影響上 隅角瓦斯涌出變化的各種因素， 再分析有那些因素發(fā)生了變化， 確定影響上隅角 瓦斯變化的主要因素，最后采取針對(duì)性措施。4回采工作面上隅角

10、瓦斯處理措施(1)采前抽放，降低煤層瓦斯含量降低煤層瓦斯含量措施主要有本煤層瓦斯抽放、鄰近煤層瓦斯抽放和保護(hù)層 開采卸壓強(qiáng)化抽放等技術(shù)措施。經(jīng)瓦斯抽放后，煤層的瓦斯含量大幅度下降，回 采時(shí)瓦斯涌出總量減少，相應(yīng)的涌向采空區(qū)和上隅角的瓦斯就少。煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)明確提出突出危險(xiǎn)煤層必須預(yù)抽煤層瓦斯，確保將煤層瓦斯含量降 至煤層的始突含量或始突瓦斯壓力，或?qū)⒚簩拥耐咚箟毫抵?.74MPa以下，瓦斯含量降至8m3/t以下，方可進(jìn)行采掘作業(yè)。改變通風(fēng)方式，消除上隅角瓦斯消除上隅角措施主要有改變工作面通風(fēng)系統(tǒng)，如采用“Z”、“丫”和“ W”型通風(fēng)，工作面留尾巷，下行通風(fēng)。這些方法一般適用于煤層瓦斯含

11、量不高，回 采工作面瓦斯絕對(duì)涌出量在 5 m3/min以下時(shí)，通過與加大風(fēng)量配合使用效果比 較好。但對(duì)有煤層自燃發(fā)火的回采工作面對(duì)防治自燃發(fā)火不利。(3) 采空區(qū)、上隅角瓦斯抽放控制上隅角瓦斯措施主要是采空區(qū)瓦斯抽放、 上隅角抽放等。采空區(qū)抽放和 上隅角方法很多，通常情況下是利用頂板走向鉆孔和上隅角埋管聯(lián)合使用， 如圖 3所示。平頂山礦業(yè)集團(tuán)某礦采用頂板這種方法， 鉆場位于煤層頂板上約12m， 鉆場深度5.5m。鉆場間距7080m，長短、高低兩排孔，終孔位于煤層頂板10 20m、距風(fēng)巷的水平距離為 530m，鉆孔終孔間距510m，長孔110m，短孔 75m,鉆場間鉆孔壓茬長度 3040m。圖3

12、頂板走向鉆孔布置示意圖選擇合理的高位鉆孔終孔位置是這種抽采方式效果好壞的關(guān)鍵，受回采速度影響，工作面推進(jìn)過快，相對(duì)采空區(qū)頂板巖層移動(dòng)和變形較慢，若頂板鉆孔布置層位過高，靠近工作面?zhèn)炔煽諈^(qū)頂板巖層裂隙發(fā)育不充分， 降低了瓦斯抽采效果， 因此對(duì)于綜采工作面的頂板鉆孔層位布置應(yīng)根據(jù)工作面的推進(jìn)速度、老頂來壓步距、頂板巖性等綜合考慮來確定。實(shí)測某礦的工作面裂隙帶最大發(fā)育高度為采高 的7倍左右，鉆孔終孔布置在煤層頂板6倍左右的高度時(shí)，鉆孔抽放瓦斯?jié)舛瓤蛇_(dá) 60%以上，但抽放流量小、阻力大；抽放泵負(fù)壓達(dá)50kPa以上，抽放流量僅為為額 定流量的10%。通過對(duì)抽放效果的考察發(fā)現(xiàn)，鉆孔合適的位置在冒落拱的頂部

13、， 抽放濃度不高但抽放流量大。因此鉆孔終孔應(yīng)布置在 36倍的采高處，即距煤層 頂板1020m的位置。在采空區(qū)流場中瓦斯聚集區(qū)一般位于風(fēng)巷下 10m 左右，布置在這個(gè)區(qū)域內(nèi) 的鉆孔瓦斯?jié)舛却?，一般?550%,因此鉆孔在傾向上應(yīng)布置在該區(qū)域，對(duì)鄰近層瓦斯和采空區(qū)瓦斯進(jìn)行進(jìn)行攔截，減少上隅角瓦斯涌出。(4) 稀釋上隅角瓦斯?jié)舛却胧?。稀釋上隅角瓦斯?jié)舛却胧┏Ｓ玫挠芯稚取?dǎo) 風(fēng)簾等方法。 這種措施是迫使一部分風(fēng)流流經(jīng)工作面上隅角， 將上隅角瓦斯稀釋 并排出。此法多用于工作面瓦斯涌出量不大，上隅角瓦斯?jié)舛瘸薹炔淮髸r(shí)?？傊?，處理上隅角瓦斯的措施多種多樣， 各種措施都有優(yōu)缺點(diǎn)， 在選用時(shí)必 須正確選擇針對(duì)性措施或幾種措施聯(lián)合使用才能取得良好效果。5 結(jié)論3(1) 當(dāng)回采工作面瓦斯絕對(duì)涌出量大于 5 m3/min 時(shí)，僅采用通風(fēng)方法處理上 隅角瓦斯效果不顯著。應(yīng)采取預(yù)抽煤層瓦斯或上隅角埋管、 頂板走向鉆孔等措施， 或幾種措施根據(jù)實(shí)際情況聯(lián)合使用。(2) 當(dāng)回采工作面瓦斯絕