采煤工作面上隅角瓦斯超限幾種處理辦法

—采煤工作面上隅角瓦斯超限幾種處理辦法分析了采煤工作面上隅角瓦斯來源及瓦斯超限的種種原因，并提出了治理上隅角瓦斯超限的幾種方法，具體介紹了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展方向。工作面；上隅角；瓦斯；處理瓦斯管理是礦井安全系統(tǒng)工程和“一通三防”管理中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，但同時(shí)也是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，而防治瓦斯超限又是瓦斯管理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。生產(chǎn)礦井的瓦斯超限是威逼礦井安全的主要因素，伴著礦井采掘機(jī)械化程度的提高、技術(shù)的進(jìn)步、生產(chǎn)水平的延長和采掘強(qiáng)度的加大，使礦井瓦斯涌出量急驟增大、瓦斯超限現(xiàn)象更為頻繁發(fā)生，瓦斯超限的發(fā)生地點(diǎn)絕大多數(shù)是在采掘工作面（占礦井瓦斯超限次數(shù)的80以上），其中采煤工作面的上隅角尤為突出，不但嚴(yán)峻制約了采煤工作面的正常生產(chǎn)，給其安全也帶來很大的不確定因素，并且也嚴(yán)峻威逼整個(gè)礦井安全。因此，分析采煤工作面上隅角的瓦斯來源、超限原因，找出解決問題的詳細(xì)方法和措施，主動(dòng)探究新的瓦斯治理技術(shù)、創(chuàng)新瓦斯管理方法，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)有非常重要的意義。1.上隅角瓦斯來源上隅角瓦斯超限的原因是多方面的，就其瓦斯的來源主要有以下幾個(gè)方面：①本煤層，本煤層存在著大量的裂隙，處于開放狀態(tài)，有利于瓦斯向上隅角的空間內(nèi)涌出。②鄰近煤層，受采動(dòng)的影響鄰近層會(huì)產(chǎn)生較多較大的裂隙，另外上隅角處于負(fù)壓狀態(tài)，瓦斯會(huì)由鄰近煤層通過裂隙向上隅角涌出。③采空區(qū)，如今大多數(shù)礦井采煤工作面的機(jī)風(fēng)巷根本上都采納了煤巷錨桿支護(hù)，這種主動(dòng)的支護(hù)方式使得巷道上方的直接頂和老頂結(jié)合成為一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的整體，在采煤工作面對(duì)前推動(dòng)的過程中，頂板不易跨落，產(chǎn)生懸頂現(xiàn)象，使機(jī)巷的下隅角和風(fēng)巷的上隅角形成了肯定的空間（為上隅角的瓦斯積聚提供了空間），因此進(jìn)一步使：機(jī)巷下隅角采空區(qū)一風(fēng)巷上隅角三者構(gòu)成了一個(gè)風(fēng)流的通道（為采空區(qū)的瓦斯大量涌向上隅角提供了通道），使得部分風(fēng)流流向采空區(qū)，帶出采空區(qū)內(nèi)的大量瓦斯，為上隅角的瓦斯積聚提供了主要的瓦斯來源。2.采煤工作面上隅角瓦斯超限的原因分析2.1采煤工作面的通風(fēng)方式采煤工作面的通風(fēng)方法有：“U”型、“Z”型、“Y”型、“W”型、“H”型等多種，但我國絕大多數(shù)采煤工作面均采納“U”型通風(fēng)方式?！癠型通風(fēng)條件下的采空區(qū)瓦斯流淌場的規(guī)律：沿工作面推動(dòng)方向，從工作面對(duì)采空區(qū)深部剖面看，采空區(qū)瓦斯呈現(xiàn)為一個(gè)拋物線狀，從進(jìn)風(fēng)巷向回風(fēng)巷剖面看，采空區(qū)瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)為一元一次方程直線狀（在上隅角處最大）。在“U型通風(fēng)方式下。進(jìn)入工作面的風(fēng)流分為兩部分，一部分沿工作面流淌；另一部分進(jìn)入采空區(qū)，在工作面風(fēng)流的前半部份在采空區(qū)內(nèi)部沿角度放大的方向流淌；在工作面的后半部分，進(jìn)入采空區(qū)的風(fēng)流因回風(fēng)巷負(fù)壓漸漸返回工作面。若工作面前方與鄰近煤層采空區(qū)或同一煤層未隔離的巷道相通，即采空區(qū)有漏風(fēng)通道，則此風(fēng)流會(huì)匯入工作面漏入采空區(qū)的風(fēng)流中而流向工作面?？梢姡M(jìn)入采空區(qū)的風(fēng)流通過采空區(qū)，風(fēng)流帶出瓦斯，漸漸返回工作面，最終匯合于采面上隅角，所以，工作面上隅角為采空區(qū)瓦斯流入工作面的集合處。2.2采面上隅角的風(fēng)流狀態(tài)是瓦斯超限的重要原因采面上隅角靠近煤壁和采空區(qū)側(cè)，風(fēng)流以90度角度突然調(diào)向，風(fēng)流速度很低，局部處于渦流狀態(tài)。這種渦流使采空區(qū)涌出的瓦斯難以進(jìn)入到主風(fēng)流中，從而使高濃度瓦斯在上隅角附近循環(huán)運(yùn)動(dòng)而聚集在渦流區(qū)中，形成了上隅角的瓦斯超限。若工作面上隅角回柱滯后，除上隅角存在的渦流區(qū)外，在靠近切頂排處會(huì)顯現(xiàn)微風(fēng)區(qū)，采空區(qū)漏出的瓦斯在此處積聚，更簡單形成上隅角的瓦斯超限。2.3采面上隅角處兩面壓差大小是瓦斯超限的另一種原因巷道風(fēng)流中任一斷面都具有靜壓、位壓、動(dòng)壓，三種壓力之和是全壓，全壓差的大小確定著風(fēng)流的方向和速度。由于上隅角處兩面的靜壓和位壓是一樣的，風(fēng)流速度不一樣，采煤工作面的風(fēng)流到此轉(zhuǎn)彎，造成上隅角處風(fēng)流速度變慢，上隅角兩面的風(fēng)流速度差降低，此處風(fēng)流速度大大削減，在上隅角處顯現(xiàn)無速度差，甚至風(fēng)流顯現(xiàn)紊流。3防治上隅角瓦斯超限的方法針對(duì)上隅角瓦斯超限的情況，通常的防治方法有10種，即：①設(shè)臵上隅角臨時(shí)擋風(fēng)簾；②增大回采工作面風(fēng)量；③設(shè)臵采空區(qū)風(fēng)幛；④采煤工作面安裝局部通風(fēng)機(jī)；⑤采煤工作面回風(fēng)巷安設(shè)風(fēng)、水引射器；⑥安設(shè)專用抽排風(fēng)機(jī)；⑦高位抽放瓦斯；⑧建立采煤工作面尾排系統(tǒng)；⑨三相泡沫擠上隅角瓦斯；⑩轉(zhuǎn)變通風(fēng)方式等?，F(xiàn)分別進(jìn)行分析。3.1設(shè)臵采面上隅角擋風(fēng)簾當(dāng)采煤工作面上隅角顯現(xiàn)瓦斯超限時(shí)，在靠近采煤工作面上隅角處掛一擋風(fēng)簾，使之將工作面的風(fēng)流一分為二，利用風(fēng)簾引導(dǎo)較多的風(fēng)流流經(jīng)上隅角，以稀釋高濃度瓦斯。風(fēng)幛可采納軟質(zhì)風(fēng)筒布制作，長度一般不小于10m。某礦2602采面在生產(chǎn)過程中，顯現(xiàn)了上隅角瓦斯異樣的現(xiàn)象，CH4濃度到達(dá)1.8%，于是在上隅角附近加設(shè)了一道擋風(fēng)簾。依據(jù)現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，采納擋風(fēng)簾后，上隅角的CH4濃度很快降到1%以下；但是由于擋風(fēng)簾的存在，上隅角附近支、回柱，上出口行人、運(yùn)料、回料受到很大的影響，往往顯現(xiàn)擋風(fēng)簾被破壞而失去作用的現(xiàn)象，導(dǎo)致上隅角瓦斯?jié)舛扔趾芸焐仙匠逎舛纫陨?。這樣反復(fù)操作的結(jié)果，必定使上隅角瓦斯?jié)舛群龈吆龅?，極不穩(wěn)定，形成了安全生產(chǎn)的一大隱患。同時(shí)，擋風(fēng)簾的存在，增大了工作面的通風(fēng)阻力，使工作面的風(fēng)量降低。因此，這種方法主要是應(yīng)用在上隅角瓦斯不大的地點(diǎn)，并且只能作為臨時(shí)措施。這種方法事實(shí)上就是提高采面上隅角處兩面壓差，解決上隅角處渦流的問題。3.2增大回采工作面風(fēng)量工作面風(fēng)流對(duì)上隅角渦流區(qū)積聚瓦斯的驅(qū)散，主要靠工作面風(fēng)流與上隅角瓦斯積聚區(qū)間的空氣的對(duì)流和主風(fēng)流的擴(kuò)大作用。經(jīng)過長時(shí)間的現(xiàn)場觀看，發(fā)如今工作面正常供風(fēng)的情況下，靠有限速度的風(fēng)流來驅(qū)散上隅角渦流積聚區(qū)的高濃度瓦斯是不行能的。工作面采納增大風(fēng)量的方法，雖然可使上隅角積聚區(qū)風(fēng)流與工作面主風(fēng)流的對(duì)流作用加大，但是伴著風(fēng)量的提高，負(fù)壓增大，采空區(qū)的風(fēng)流速度加大，使采空區(qū)的瓦斯流線延深，強(qiáng)化了風(fēng)流與采空區(qū)內(nèi)的瓦斯的交換。若采空區(qū)內(nèi)存在其它漏風(fēng)通道，則會(huì)增大此漏風(fēng)量?？傊粼龃蟛擅骘L(fēng)量。會(huì)使風(fēng)流攜帶出的瓦斯量增大，同時(shí)，風(fēng)量過大又有以下缺點(diǎn)：①造成鄰近采掘工作面的供風(fēng)量下降，影響礦井通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定；②使采面風(fēng)流中的粉塵濃度增加，惡化工作面的工作環(huán)境，增大防塵工作的難度；③工作面風(fēng)量過大簡單使巷道內(nèi)的風(fēng)速超過《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定，影響礦井的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化達(dá)標(biāo)。3.3設(shè)臵采空區(qū)風(fēng)幛依據(jù)采面上隅角瓦斯超限的原因可知，若能削減進(jìn)入采空區(qū)的風(fēng)量，則可削減采空區(qū)的瓦斯涌出量，使上隅角防止顯現(xiàn)瓦斯超限。在工作面采空區(qū)一側(cè)，沿切頂排從工作面一出口到上隅角設(shè)臵風(fēng)幛，這樣就可最大限度地削減進(jìn)入采空區(qū)的漏風(fēng)量。尤其是在工作面出口處，由于風(fēng)流進(jìn)入工作面時(shí)在此處直射采空區(qū)。所以應(yīng)保證此區(qū)段的風(fēng)幛封堵嚴(yán)密?？梢姡@種處理方法可從根本上削減采空區(qū)的瓦斯涌出量，但是由于風(fēng)幛位于采空區(qū)邊緣，采空區(qū)落下的矸石極易將風(fēng)幛破壞。造成風(fēng)幛漏風(fēng)增大；同時(shí)由于風(fēng)幛伴著工作面對(duì)前推動(dòng)而漸漸前行，所以增大了工人的操作難度和工作量。因此這種方法受多種條件的制約，運(yùn)用效果不太理想。只有當(dāng)回采工作面上隅角積聚瓦斯速度不大（2～3m3/min）和瓦斯?jié)舛炔惶撸?%左右）的情況下應(yīng)用效果才明顯。3.4安設(shè)局部通風(fēng)機(jī)在工作面內(nèi)，距采煤工作面上隅角10～15m的位臵，安裝1臺(tái)5.5kw的小局部通風(fēng)機(jī)，用膠質(zhì)風(fēng)筒將風(fēng)引到回風(fēng)上隅角，在采煤工作面上隅角位臵形成正壓區(qū)，通過局扇引入新奇風(fēng)流稀釋采煤工作面上隅角瓦斯，使該處瓦斯?jié)舛冉档揭?guī)定以下，該局部通風(fēng)機(jī)伴著工作面的前移而移動(dòng)。這種處理方式具有以下長處：①采煤工作面上隅角的瓦斯可盡快地進(jìn)入風(fēng)筒內(nèi)部，排入回風(fēng)巷；②可增大采煤工作面上隅角的風(fēng)量，按時(shí)沖淡此處的高濃度瓦斯；③由于風(fēng)筒體積小，占用空間小，可大大地削減工作面施工造成的影響；④在風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，此種方式抽排采煤工作面上隅角瓦斯是一個(gè)安全牢靠的治理過程。3.5安設(shè)引射器當(dāng)采煤工作面上隅角顯現(xiàn)瓦斯超限時(shí)，安設(shè)一臺(tái)引射器，利用高壓水、風(fēng)聯(lián)合作為動(dòng)力，也可用高壓水或風(fēng)分別作為動(dòng)力，形成一較大的負(fù)壓區(qū)，工作面的主風(fēng)流由于壓差的作用會(huì)增大流經(jīng)上隅角的風(fēng)量，以滿意風(fēng)機(jī)的要求。這樣，上隅角的高濃度瓦斯經(jīng)流過此處的工作面風(fēng)流的稀釋后進(jìn)入風(fēng)筒內(nèi)部，排入回風(fēng)巷。這種方法具有以下長處：①利用高壓水、風(fēng)作為動(dòng)力，風(fēng)、水引射器本身無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，沒有產(chǎn)生火花的隱患；②轉(zhuǎn)變風(fēng)、水壓即可調(diào)整風(fēng)量；③結(jié)構(gòu)簡潔，安裝移動(dòng)便利。但需要強(qiáng)化管理，防止動(dòng)力源（水、風(fēng)）突然停止，造成采煤工作面上隅角瓦斯突然積聚。風(fēng)、水引射器在采煤工作面上隅角可實(shí)行以下幾種布臵方式：①風(fēng)、水引射器在采煤工作面布臵，出風(fēng)口對(duì)準(zhǔn)采煤工作面上隅角吹散瓦斯，見圖1（a）；②風(fēng)、水引射器在采煤工作面回風(fēng)巷布臵，吸風(fēng)口對(duì)準(zhǔn)采煤工作面上隅角引排瓦斯，吸風(fēng)段裝一段骨架風(fēng)筒，排風(fēng)口避開采煤工作面回風(fēng)巷電器裝備，見圖1（b）；③風(fēng)、水引射器在采煤工作面回風(fēng)巷布臵，出風(fēng)口對(duì)準(zhǔn)采煤工作面上隅角吹散瓦斯。3.6安設(shè)專用抽排風(fēng)機(jī)（1）脈動(dòng)通風(fēng)技術(shù)。脈動(dòng)通風(fēng)技術(shù)是利用風(fēng)流的紊流擴(kuò)大系數(shù)與風(fēng)流脈動(dòng)特性相關(guān)的理論，研制的一套技術(shù)牢靠、經(jīng)濟(jì)合理且適用的脈動(dòng)風(fēng)機(jī)運(yùn)用技術(shù)。在正常通風(fēng)風(fēng)流中疊加脈動(dòng)風(fēng)流，從而增加風(fēng)流的紊流擴(kuò)大系數(shù)，提高風(fēng)流驅(qū)散局部積聚瓦斯的力量，從根本上解決回采工作面上隅角瓦斯積聚的問題。（2）GDS-1型瓦斯自動(dòng)排放系統(tǒng)。由煤科總院重慶分院研制的GDS-1型瓦斯自動(dòng)排放系統(tǒng)，由抽出式無火花風(fēng)機(jī)、瓦斯傳感器、掌握裝臵、調(diào)整風(fēng)門、吸風(fēng)器和若干風(fēng)筒組成。主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。上隅角瓦斯高濃度瓦斯經(jīng)吸風(fēng)器X進(jìn)入硬質(zhì)風(fēng)筒Y，雙級(jí)傳感器檢測調(diào)整風(fēng)門K前后端風(fēng)筒內(nèi)的瓦斯?jié)舛?，由掌握裝臵內(nèi)的單片機(jī)依據(jù)瓦斯?jié)舛戎祦泶_定調(diào)整風(fēng)門開或關(guān)，以及開關(guān)角度的大小，從而轉(zhuǎn)變摻入“新風(fēng)”的風(fēng)量，使排放瓦斯風(fēng)筒內(nèi)瓦斯?jié)舛炔怀?。圖2GDS-1型瓦斯自動(dòng)排放系統(tǒng)排放上隅角積聚瓦斯表示圖（3）小型液壓風(fēng)扇。液壓風(fēng)扇分為監(jiān)控裝臵和執(zhí)行裝臵，監(jiān)控裝臵包括掌握處理器和瓦斯傳感器，執(zhí)行裝臵包括小型液壓風(fēng)扇和液壓動(dòng)力系統(tǒng)。監(jiān)控裝臵的工作原理，是由放臵在工作面上隅角的瓦斯?jié)舛葌鞲衅鲗?shí)時(shí)檢測瓦斯?jié)舛?，并將檢測的瓦斯?jié)舛刃盘?hào)轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)，傳到掌握處理器，經(jīng)過中心處理單元對(duì)檢測到的模擬信號(hào)進(jìn)行處理推斷，發(fā)出指令掌握繼電器的開啟與閉合，實(shí)時(shí)掌握液壓風(fēng)扇。當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸迺r(shí)，風(fēng)扇啟動(dòng)，吹散上隅角積聚的瓦斯；待瓦斯?jié)舛冉档桨踩缦迺r(shí)，風(fēng)扇即活潑停止。（4）安設(shè)壓風(fēng)風(fēng)機(jī)抽排瓦斯。本方法具有風(fēng)、水引射器與瓦斯移動(dòng)泵抽放瓦斯的特點(diǎn)，沿工作面回風(fēng)巷鋪一趟剛性風(fēng)筒，風(fēng)筒吸口在距上隅角0.5m位臵，排風(fēng)口安在風(fēng)眼內(nèi)或區(qū)城回風(fēng)巷內(nèi)，風(fēng)機(jī)安裝在回風(fēng)巷內(nèi)，每200～300m一組，用壓風(fēng)作為動(dòng)力。（5）安設(shè)移動(dòng)式抽放泵抽放上隅角瓦斯。沿工作面回風(fēng)巷鋪l趟剛性風(fēng)筒，風(fēng)筒前面鋪1根抽放花管（采空區(qū)內(nèi)），抽放花管長度15～20m左右，要求采納低負(fù)壓抽放，該管子與回風(fēng)系統(tǒng)的剛性風(fēng)筒相連，這樣在隅角處形成一個(gè)負(fù)壓區(qū)，使隅角處瓦斯向抽放管子流淌，最終排到采區(qū)回風(fēng)巷。3.7高位抽放瓦斯（1）布孔方式。在工作面回風(fēng)巷內(nèi)直接布臵鉆場，從頂板開孔，往工作面上方裂隙帶打鉆孔，抽放上鄰近層及其附近煤線中的瓦斯。工作面推動(dòng)方向反向布臵鉆孔，鉆場間距15m，每個(gè)鉆場打3個(gè)鉆孔，利用工作面前方煤體愛護(hù)鉆孔，工作面回采到位時(shí)撤出?；仫L(fēng)巷安抽放瓦斯管，抽采空區(qū)的瓦斯，在采煤工作面上隅角處形成一個(gè)負(fù)壓區(qū)，使采煤工作面上隅角處瓦斯向抽放管流淌。（2）布孔參數(shù)。鉆孔設(shè)計(jì)依據(jù)兩個(gè)原則，一是鉆孔的終孔層位位于裂隙帶上部界限，二是鉆孔進(jìn)入卸壓區(qū)的層位位于冒落帶頂部、裂隙帶下部界限以上。依據(jù)礦壓理論，煤層開采后其頂?shù)装鍘r層發(fā)生冒落移動(dòng)，當(dāng)上覆巖層下沉穩(wěn)定后，上覆巖層采動(dòng)裂隙區(qū)劃可分為“豎三帶”和“橫三區(qū)”，即采動(dòng)區(qū)沿垂直方向由下往上劃分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶；沿工作面推動(dòng)方向在工作面風(fēng)巷和機(jī)巷區(qū)域分為煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)和重新壓實(shí)區(qū)。伴著工作面不斷向前推動(dòng)，沿工作推動(dòng)方向上的“橫三區(qū)”隨之交替向前移動(dòng)。（3）頂板抽放口最正確位臵。法距位于垂直煤層頂板向上8～25m、（10～15m）（位于冒落帶頂部，裂隙帶下部），平距位于回風(fēng)巷內(nèi)錯(cuò)8～30m（8～17m）。詳細(xì)礦井，要依據(jù)其實(shí)際綜合確定。其中鉆孔的終孔位臵，可以利用幾何學(xué)問，通過計(jì)算得到。3.8其他方法（1）建立采面尾排系統(tǒng)。沿工作面回風(fēng)巷（采空區(qū)）鋪一趟非金屬的管子，可以運(yùn)用水泥體。該管子與回風(fēng)系統(tǒng)相連通（不是與采煤工作面的回風(fēng)巷），在采煤工作面上隅角處形成一個(gè)負(fù)壓區(qū)，使采煤工作面上隅角處瓦斯沿管子流向回風(fēng)流。（2）三相泡沫擠壓工作面上隅角瓦斯。采納三相泡沫技術(shù)，用三相泡沫擠占瓦斯占據(jù)的空間來降低瓦斯?jié)舛龋嗉此?、灰、氮?dú)?，灰可采納黃泥、煤碳發(fā)電的爐渣等材料，水灰比（質(zhì)量比）1：4：1。該法具有處理速度快，教果明顯的特點(diǎn)，這是發(fā)展的趨事。（3）轉(zhuǎn)變通風(fēng)方式。我國煤礦的通風(fēng)方式大部分采納上行風(fēng)，由于采煤工作面涌出的瓦斯比空氣輕，其自然流淌的方向和上行風(fēng)的方向全都，在正常風(fēng)速（大于0.5～0.8m/s）下，瓦斯可能顯現(xiàn)分層狀流淌和局部的瓦斯積存，簡單造成瓦斯上隅角積聚，下行風(fēng)的方向與瓦斯自然流淌方向相反，二者易于混合且不易顯現(xiàn)瓦斯層狀流淌和局部積存的現(xiàn)象，能防止上隅角瓦斯積聚，但《煤礦安全規(guī)程》第一百一十五條規(guī)定，有煤（巖）與瓦斯（二氧化碳）突出危險(xiǎn)的采煤工作面不得采納下行通風(fēng)