摘要：随着机械化采煤的高产增效和煤矿开采深度的增加，煤矿的灾害显现也特别明显，煤矿的“六大”灾害之中的瓦斯灾害是治理难度最大的灾害，尤其是工作面回采期间上隅角的瓦斯治理更是重中之重。瓦斯治理工作最基本的手段就是实时掌握煤层瓦斯基本参数和瓦斯涌出的规律，只有掌握这些基本数据和规律才可以对煤矿瓦斯进行动态治理，从而保障采煤工作面的安全、高效生产。
关键词：瓦斯治理；技术；安全生产
1、工作面动态瓦斯治理理念
瓦斯治理工作最基本的手段就是实时掌握煤层瓦斯基本参数和瓦斯涌出的规律，只有掌握这些基本数据和规律才可以对煤矿瓦斯进行动态治理，确保工作面的安全回采。根据现场测定的瓦斯含量参数，分析工作面沿回采方向的瓦斯赋存状态，结合通风量初步推算出回采过程中的瓦斯涌出规律，计算出工作面推进过程的瓦斯抽采量与风排瓦斯涌出量的关系，实现对工作面瓦斯动态治理。工作面瓦斯动态治理的技术主要有：顶板走向高位钻孔、顺层钻孔预抽、采空区埋管抽采、其它措施，而工作面动态瓦斯治理的思路就是将这些技术措施进行优化、组合形成多措并举，综合、动态治理的理念。小甘沟煤矿在11144综采工作面生产实际过程中采取以了“瓦斯抽采为主，以平衡风量和改变工作面伪斜角为辅”的综合瓦斯治理措施，其中瓦斯抽采优先选用了顶板走向高位钻孔抽采，辅助采空区埋管抽采措施，对瓦斯（特别是上隅角瓦斯）实施综合、动态治理，从而保障工作面的安全、高效生产。下面就以上措施加以浅析。
2、顶板走向高位钻孔抽采技术
顶板走向高位长钻孔抽采瓦斯是在工作面回风巷沿走向在煤层顶板往采空区上方施工钻孔，抽采采空区裂隙带或冒落空间内积存的高浓度瓦斯，这种抽采方法主要目的是通过切断上邻近层瓦斯涌向工作面的通道，同时对采空区下部的瓦斯起到引流作用，减少采空区瓦斯向工作面的涌入。邻近层、采空区浮煤和煤柱等都要向采空区涌出大量瓦斯，这些瓦斯向回采工作面扩散或被风流带出，往往造成采面、尤其是上隅角瓦斯超限。根据矿压理论和模拟试验发现，采空区随着顶板的冒落，中部逐渐被压实，而围绕中部的环形带透气性能较好，且为采空区瓦斯聚集区。如果将钻孔布置在该环形带内，瓦斯抽采量提高，且衰减速度较慢，这即所谓的“O 型圈”理论。工作面顶板走向钻孔抽采是工作面采空区抽采行之有效的方法。在进行顶板走向高位钻孔设计的过程主要参考相关标准计算顶板三带范围，首先分析工作面的冒落带和裂隙带高度，从而布置顶板走向钻孔，之后根据抽采效果进行参数的调整。（如图1）
图1 顶板走向高位抽采钻孔布置
2.1裂隙带分析
工作面裂隙带和冒落带高度，按照三下作业规程，冒落带及裂隙带高度经验为：
（1） 
（2）
式中，h1为冒落带高度，m；h2为裂隙带高度，m；Σm为煤层累计开采厚度根据上述公式小甘沟煤矿11144工作面，煤层厚度平均为9m，冒落带高度为12.28m～16.88m，裂隙带高度为44.40～55.60m。冒落高度取计算的均值为14.48m，裂隙带取计算均值为50.0m。
2.2压茬长度确定
由于冒落带的存在，高位钻孔抽采有一定的有效抽采范围，当岩石的垮落随采面的推进而推进到距这个钻场一定距离时，钻孔就会失去抽采作用。受钻孔角度和采空区顶板冒落形态的影响，钻场间存在抽采盲区。为了保证瓦斯抽采的连续性，在钻场与钻场之间就存在钻孔的压茬。虽然抽采钻孔的终孔位置处于顶板破断面以内，即终孔位置处于煤壁支撑影响区内，由于工作面支承压力的作用，支承压力的极限平衡区内岩层处于塑性状态，其微裂隙较为发育，钻孔能抽出高浓度的瓦斯，但此时不利于充分抽采采空区冒落岩层内积聚的瓦斯，不能有效解决工作面上隅角瓦斯问题。因此，瓦斯抽采钻场间钻孔的压茬设计应考虑顶板破断角和钻孔终孔位置至顶板破断面距离的影响。以往研究表明：钻场间钻孔的最小压茬长度确定方法如图2所示。图中a 表示本钻场的抽采盲区长度（按照经验取5m），b 表示钻孔的压茬长度，h 为表示钻孔终孔距离煤层顶板的高度，α为垮落角。要保证前一钻场报废时，下一钻场的钻孔进入顶板的裂隙区域内才能抽出瓦斯。
图2 钻孔最小压茬长度确定
2.3顶板钻孔在工作面倾向的控制范围
顶板钻孔在工作面倾向的控制范围根据采动裂隙的“O 型圈”理论，顶板钻孔在倾向上的有效控制范围与风巷的距离最大值一般为工作面长度的1/3，因此钻孔的终孔位置与风巷的平距需小于33m。而另一方面工作面的顶板在倾向方向上也存在垮落角β，近似取其与工作面走向顶板的跨落脚一致，考虑到煤层的倾角和厚度1#钻孔（与风巷平距最小）与风巷的平距c的确定方法如图3所示。计算公式（3）。
（3）
图3 1#钻孔与风巷平均距离的确定
由于钻孔施工考虑在煤层顶板中布置钻场，因此上述公式中d=0值，按照钻孔控制高度40m设计时，平距值计算为24.1m，按照钻孔控制高度为20m设计时，其平距计算为11.90m，是依据工作面煤层走向两侧为实体煤时顶板的侧向垮落角确定的，沿工作面倾向因巷道上方覆岩裂隙的存在，实际顶板的倾向垮落角要大56°。小甘沟煤矿11144综采工作面沿回风巷走向每隔80m沿煤层顶板布置一个钻场。第一个钻场内布置10个钻孔，分两排呈扇形布置，后续根据实际抽采效果钻孔角度和长度做了适当的调整。各个矿井由于煤层的赋存条件及瓦斯涌出量的不同可做相应的调整。
3、采空区埋管抽采技术
回采工作面后方为半封闭采空区，采用埋管的方法抽采瓦斯。在工作面回风巷沿巷道底部铺设一趟瓦斯抽采管道，在距工作面切眼40m左右处设一弯管将抽采管道抬高至巷道顶部，并在巷道顶部分叉，分为2趟钢管，2趟抽采管道的管口依次相距10～15m，用筛网对抽采管口进行保护，设沙袋墙对抽采管道进行保护，以此形成埋管口。在分叉处对2趟钢管分别安装一个阀门，并在分叉处的前段安装一个总阀门，在工作面推进过程中，将1、2号抽采管道的埋管口保留在工作面的采空区的深度依次为10m、15m 处，通过抽采系统对采空区瓦斯进行抽采，当工作面推进至2号抽采管道管口附近时，关闭1号管道的阀门，并在上隅角袋子墙处卸掉1号管道。在采空区内的管子，亦即2、1号抽采管道的埋管口保留在工作面的采空区的深度依次为10m、15m，用于下一循环抽采，依次类推，以此达到利用埋管不断抽采采空区及上隅角瓦斯的目的。现场可根据实际抽采情况再确定最佳的循环间距。（如图4）
图4 采空区埋管和插管联合布置方式
依据上述采空区埋管抽采方式，主要对合理参数进行考察，主要是埋管深度、抽采负压调节进行试验，第一步在确定埋管深度一定（建议15m为宜）先选取抽采负压 3kPa、5kPa、6kPa、7kPa、8kPa、9kPa、10kPa，统计抽采效果和观测上隅角瓦斯浓度分布，获得合理的抽采负压；如果采取调节负压不能解决上隅角瓦斯超限时，那么采取第二步实施，即确定最优的抽采负压下，埋管深度分别采用埋9m、12m、15m、18m、21m、24m，同样统计分析抽采量及工作面上隅角瓦斯浓度分布。在进行采空区埋管抽采试验及抽采过程中加强对自然发火标志性气体的监测，如CO和 C2H4气体的检测。
4、工作面瓦斯平衡和风量平衡治理瓦斯技术
在生产实际过程中，限制生产能力和调整工作面风量也可改变工作面回采过程中回风及上隅角瓦斯浓度。增加风量降低瓦斯浓度的措施理论上可行，而根据众多的研究和现场实践表明，工作面风量过大，工作面漏风将会把采空区的高浓度瓦斯带出至工作面，从而影响工作面安全生产。另外，为了保障工作面安全生产，降低工作面生产能力，会造成矿井人力、物力的浪费，不利矿井生产效率的提高。因此，利用瓦斯平衡方程、风量平衡方程，计算每个单元的采空区漏风量、采空区瓦斯涌出量、煤壁及采落煤炭的瓦斯涌出量。使瓦斯涌出和风量大小达到一个相对的平衡，从而降低工作面尤其是上隅角瓦斯的积聚。小甘煤矿11144综采工作面根据瓦斯平衡方程、风量平衡方程计算，工作面配风量运输巷配风830m3/min，中间措施巷配风180m3/min，总风量1010m3/min即为一个合理的平衡风量，不同矿井计算结果不同。（如图5）
图5 瓦斯平衡和风量平衡的计算示意图
5、调整工作面伪斜治理瓦斯技术
采煤工作面伪斜回采管理是综采技术管理的关键，伪斜调整不当，不仅会使刮板运输及上窜下滑，造成上下出口难以管理，而且容易导致支架歪架、倒架，造成通风不良，瓦斯积聚。通常情况在工作面回采过程中一般采用仰伪斜回采，也称之正伪斜回采，即工作面下顺槽超前于上顺槽，工作面形成一个正的伪斜角，伪斜的角度要根据煤层的倾角进行计算得出结果，煤层倾角不同伪斜角也随之改变，如果采取正伪斜回采方式不能消除工作面及上隅角瓦斯的问题时，可以采用将工作面调整为俯伪斜开采方式也称之为反伪斜回采，即工作面回风巷超前于工作面运输巷，工作面形成一个反的伪斜角，伪斜的角度要根据煤层的倾角进行计算得出结果，煤层倾角不同伪斜角也随之改变，以往采用正伪斜布置，上隅角滞后于下隅角，上隅角容易形成一个微分三角区域，而瓦斯通常容易积聚于上隅角，不利于瓦斯的排放。工作面采用反伪斜布置方式回采，使得工作面上隅角超前于下隅角，规避了微风三角区域，同时改善了上隅角的通风情况，减少了瓦斯的积聚空间，使得瓦斯通过工作面风流稀释，降低了上隅角的瓦斯浓度。小甘沟煤矿采用反伪斜布置回采方式，有效解决了工作面上隅角瓦斯积聚浓度居高不下的难题。（如图6）
图6 正、反伪斜布置回采工作面
6、瓦斯动态治理效果分析对比
小甘沟煤矿在11144综采工作面生产实际过程中采取以了“瓦斯抽采为主，以平衡风量和改变工作面伪斜角为辅”的综合瓦斯治理措施后效果进行对比分析，采区动态治理瓦斯后工作面瓦斯治理工作起到了一定的效果。从11144 工作面回风和上隅角瓦斯浓度对工作面的推进变化情况可以明显看出。
图7 工作面回风瓦斯浓度
图8 工作面上隅角瓦斯浓度
如图7和图8分别是11144综采工作面回采期间回风巷和上隅角瓦斯浓度变化曲线图。为了提高数据的准确性，分析时候去掉标校当天的瓦斯浓度数据。工作面推进至249m左右时候进行采空区埋管和插管抽采，工作面回风巷最大瓦斯浓度和平均瓦斯浓度比之前有明显降低，最大瓦斯浓度从0.88%降低至0.73%。上隅角最大瓦斯浓度从之前的1.4%降低至1.1%，降幅达到21.4%。推进至345m 时进行高位钻孔抽采，由于抽采泵能力有限暂停埋管和插管。同时将工作面的伪斜调整为反伪斜角开采，调整后的伪斜角为8°，期间工作面回风巷最大瓦斯浓度从之前的0.88%降低至0.68%，相比之前未抽采时降低22.7%；上隅角最大瓦斯浓度从之前的1.4%降低至0.86%，降幅达到38.6%。综合以上分析，通过对工作面采区综合动态治理的措施后，对回采范围内瓦斯情况实时跟踪发发现，很大程度上降低了上隅角和回风巷瓦斯浓度，保证了工作面安全回采，并且对1#钻场高位钻孔抽采分析发现，当高位钻孔高度布置在9.7m~21m 之间时效果明显。
7、结束语
通过采用工作面瓦斯含量精准测定、工作面瓦斯动态治理技术，在工作面回采前掌握了剩余工作面瓦斯赋存状态，在工作面回采中实时跟踪并调整优化瓦斯治理措施，将小甘沟煤矿11144综采工作面在回采期间风巷最大瓦斯浓度从0.88%降低至0.2%-0.3%之间，上隅角最大瓦斯浓度从1.4%降低至不超限，有效解决了工作面回采期间瓦斯超限问题，实现工作面动态瓦斯抽采技术研究，提高了工作面瓦斯精准防控。
参考文献：
[1] 孙和应，矿井瓦斯防治技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2009.
[2] 国家安全生产监督管理总局.煤矿瓦斯抽放规范，AQ1027-2007
论文作者:康小红
论文发表刊物:《基层建设》2019年第19期
论文发表时间:2019/9/21
标签：工作面论文; 瓦斯论文; 钻孔论文; 采空区论文; 顶板论文; 煤层论文; 浓度论文; 《基层建设》2019年第19期论文;