基于综采工作面上隅角瓦斯治理的相关技术措施研究

[摘 要] 上隅角是工作面瓦斯最高的地点，所以认清上隅角瓦斯聚集的原因，并且针对上隅角瓦斯大量聚集的事实采取一定的措施对于煤矿的安全、稳定生产具有重要的意义。文章主要阐述了上隅角高瓦斯产生的机理与上隅角瓦斯治理的方法，提出了治理上隅角瓦斯治理的具体措施。

[关键词] 上隅角； 瓦斯治理； 采煤工作面； 形成原因

前言

最近几年随着我国煤矿生产中矿井产量的逐年增大， 瓦斯绝对涌出量也相应增大，爆炸事故时有发生，给国家财产和人民生命安全造成巨大损失。因此如何控制瓦斯事故是煤矿管理的重中之重。瓦斯矿井综采工作面上隅角的瓦斯量忽高忽低，没有引起人们的足够重视，容易造成一定的事故。因此， 控制上隅角瓦斯含量对防止瓦斯事故， 确保工作面安全生产尤为重要。

阳泉煤业集团有限责任公司新景矿（以下简称新景矿）是由原阳泉三矿的一期改扩建新增井田部分（西部区）与三矿竖井重新组建的矿井。

1997年7月，三矿改扩建一期工程竣工投入生产，1998年阳煤集团命名为新景矿。为便于管理，2004年阳煤集团决定将三矿竖井划给新景矿，对三矿进行破产申请，同时对新景矿进行改扩建，矿井设计生产能力由3.2Mt/a增至7.5Mt/a。新景矿现设计生产能力为3.2Mt/a，改扩建后设计生产能力为7.5Mt/a，即：竖井分区为1.0Mt/a，芦湖南分区为1.0Mt/a，佛洼分区为2.4Mt/a，芦湖北分区为3.1Mt/a。

新景矿准备采区为佛洼分区3号煤和芦湖南分区8号煤。3号煤和8号煤都是单一煤层，均为瓦斯突出工作面。2114工作面是8号煤，7204工作面是3号煤，两工作面绝对瓦斯涌出量为4.5 m3/min，上隅角瓦斯浓度时常达到临界值，严重制约安全生产。工作而采用全风压通风，配风量2500 m3/min。如何治理该工作而的瓦斯是保证安全生产、提高生产能力的关键所在，只靠风排瓦斯很难使采而上隅角瓦斯浓度降到规程允许的界限以下，为此采用风排瓦斯、配合瓦斯高位抽放的综合治理方法，使日产量维持在4600 t以上，保证了安全生产。

一 瓦斯在上隅角聚集的原因解析

（1）我国的一些采煤工作面采用U 形通风系统， 进入工作面的风流在下风口分别向两个方向流动，一部分沿着工作面流向回风巷，另一部分进入采空区沿着采空裂隙进入到工作面上隅角，其作为采空区漏风汇合处， 极易积聚瓦斯。

而对于新景矿8号煤2114工作面和3号煤7204工作面来讲，煤单体煤层是一条进风巷，一条回风巷，一条瓦斯专用尾巷，还有一个给尾巷配风的巷道，具体的通风系统图如下：

从系统图来看，正常通风条件下， 一源一汇的U 形回采工作面在进、回风巷压差作用下， 作为工作面的漏风汇的上隅角， 是采空区瓦斯涌出的必然通道，肯定会造成瓦斯积聚。若工作面后方与同一煤层未隔离的巷道相通或邻近煤层采空区相通，即在采空区里有漏风通道，则此漏风风流也会汇入工作面并进入上隅角。如图2所示。

（2）采面上隅角的风流状态因素

根据长期现场观测得知，采面上隅角靠近煤壁和采空区侧风速很低，局部处于涡流状态，这种涡流使采空区涌出的瓦斯难以进入到主风流中，从而使高浓度瓦斯在隅角附近循环运动而聚集在涡流区中，形成了上隅角瓦斯超限。若工作面隅角出现滞后回柱，除隅角存在的涡流区外，在靠近切顶线处会出现微风区，采空区漏出的瓦斯在此处积聚，更容易形成上隅角的瓦斯超限。使用抽出式风机后，风筒吸风可将上隅角处积聚的瓦斯带走，但由于抽出风机的吸风作用，在风筒吸风口上方的涡流区，形成了微小的负压区，成为瓦斯集中区域。按照常规抽出风筒的吸风口布置在上隅角处距离切顶排0.2～0.6m范围内。当上隅角瓦斯浓度在1.0～2.0%的情况下，使用抽出风机，可降低上隅角瓦斯浓度，此时风筒吸风口上方的瓦斯浓度为0.7～0.8%，当上隅角瓦斯浓度达到3.0%，使用抽出风机时，风筒吸风口上方的瓦斯浓度为2.1%。风筒吸风口上方的负压区瓦斯浓度随着上隅角的瓦斯浓度升高而升高。使上隅角处瓦斯继续积聚，如图3所示。

（3）在上隅角处存在两面压差。通风系统任一断面的全压差大小决定着风流的速度和方向。上隅角两端面的静压和位压相同，风流速度不等，工作面的风流流经此处会转弯，导致上隅角风流速度降低，两端的风流速度差减小，甚至出现无速度差，从而导致瓦斯浓度超限。

（4）在上机窝处打挡风障时，虽然可以使工作面风流到达上隅角，但也增加了工作面的阻力，减少了工作面的风量，造成风力减少使工作面风流中的瓦斯浓度增加，导致上隅角瓦斯浓度达到2.7% ，同时也会恶化工作面工作环境。

（5）机组割煤到达端头进行超前移架、移溜时，会使尾梁后部形成空顶，以及支架上方出现悬空，在靠近端头支架处和尾溜处会出现微风区，导致通风不畅，并且从采空区漏出的瓦斯在上隅角及尾溜积聚，都会使瓦斯积聚在尾溜里侧及支架尾梁附近形成尾溜处的瓦斯超限。

（6）在上隅角回撤过程中，悬顶、掉顶以及回撤排距过大时，瓦斯积聚在上隅角及支架尾梁附近，易造成上隅角和尾溜瓦斯超限。

（7）不同型号的支架衔接的错岔间距过大容易形成其中一个支架上方附近出现瓦斯超限。

（8）局部通风机和瓦斯抽放系统出现故障时也会出现上隅角瓦斯超限。

（9）在上隅角超前回柱时，采取上隅角切顶排始终提前回一排柱子的措施，虽然减小了上隅角面积使上隅角瓦斯浓度降到了2.3%，但仍超过《规程》规定。这是因为抽出风筒的吸风口向外放置，抽出风筒的吸风会造成上隅角积聚，瓦斯向外流动，从而会增加上隅角瓦斯的超限面积。

二 上隅角瓦斯治理原则探究

（1）分源治理。通过预测、规划、数理分析采空区和上隅角瓦斯聚集量和涌出量，不同煤矿瓦斯涌出量来源不同，调查过后应因地制宜，依据来源和数据制定有效的解决方案。

（2）综合治理。由于各煤层地质构造不同，瓦斯存赋地层也表现出多样性，因此测量瓦斯具置有一定复杂性，这也导致没有一种治理瓦斯的方法是适用于所有煤矿的，因此，我们只能采取测试将瓦斯含量降到最低，却无法使其彻底消除。鉴于此，我们应该采用多种治理瓦斯的方法，互用互补，综合治理。

（3）治理措施与回采工艺相适应。由于综采工作面采空区和上隅角瓦斯的涌出量具有明显的差异性特点，在治理过程中我们要根据回采工艺的不同制定不同的瓦斯治理措施，同时要符合瓦斯涌出规律。

（4）坚持瓦斯抽放。

作为综采工作面的基本治理措施之一，瓦斯抽放不仅可以将采空区卸压带积聚的瓦斯抽放到采空区，还能通过抽放将瓦斯控制在采空区稳压区。这样可以有效减少采空区顶板跨罗的影响，促使高浓度瓦斯涌出工作面和上隅角，将瓦斯浓度控制在标准浓度范围内。

（5）选用合理的通风方式是治理的基本原则。

通风对于稀释瓦斯浓度有着重要作用，因此采用哪种通风方式对于上隅角瓦斯的治理具有很关键的作用，选用正确的通风方式不仅能从根本上稀释瓦斯浓度，改善上隅角的通风环境，还能有效构建本质安全型通风矿井。

三 上隅角瓦斯治理相关办法研究

（1） 调整通风系统。改变采空区的漏风汇方向，可根治采空区瓦斯从上隅角涌出的情况， 但对于自燃发火严重的工作面不适用。

（2）使用防爆无火花型矿用局部通风机抽排上隅角瓦斯。此引射排放系统由局部通风机、风流引射口和风筒所组成， 排放上隅角积聚的瓦斯， 但该系统所需风筒较长并且需要独立运行的风机提供引射风量。

其方法是在采面回风顺槽设置风卡用来减少采面两端压差，同时利用局部通风机向上隅角供新鲜风以吹淡上隅角高浓度瓦斯，如图4所示。

此方法由于局部通风机距供风地点距离远，其出口风量有限，只能在上隅角瓦斯浓度较低时才能起到作用。

风筒正吹上隅角，当瓦斯涌出量较大时，常出现上隅角上风侧采场内风流瓦斯浓度超限的情况。要兼顾上隅角、采场两处的瓦斯均不超限，就要对风筒出口位置、风量大小提出较高要求。但由于采面生产的动态性和采空区瓦斯涌出的不均衡性，实际生产中很难做到。

（3）采用下行通风可以提高上隅角风压，使采空区瓦斯涌出量减少，其适用于倾角小于12°的煤层。

（4） 采用脉动通风方式。此技术是根据风流的紊流扩散系数与风流脉动特性直接相关的理论， 在瓦斯局部积聚位置处安设脉动风机， 在正常通风风流中产生脉动风流增加了瓦斯积聚区风流的紊流扩散系数， 进而提高风流驱散局部积聚瓦斯的能力。

（5）设置上隅角临时挡风帘。进行导风稀释瓦斯，上隅角的瓦斯浓度会有所下降，此方法简单易行，效果明显。但由于挡风帘的存在，采煤机割煤、上出口行人、上隅角附近的支、回柱、运料都会受到很大影响，往往挡风帘被破坏从而失去作用，导致上隅角瓦斯浓度又很快升高，因此需特别注意观测瓦斯浓度。这样反复操作，必然使上隅角瓦斯浓度忽高忽低，成为安全生产的一大隐患。挡风帘的存在也会增大工作面的通风阻力，使工作面风量降低。因此，这种防治方法效果不理想，只能作为临时性应急措施。并且此方法要注意是使用的风障和吊挂风障的材料必须是阻燃、抗静电的材料。当采面上隅角较长时间超限时，这种方法并不可靠。

（6）提高采面的供风量。工作面增大风量，虽然可使上隅角积聚区风流与工作面主风流的对流作用加大，但随着风量的增加，负压会增大，采空区的风流速度也会加大，从而使采空区的瓦斯流线延深，加快了风流与采空区内的瓦斯的交换。若采空区内存在其它漏风通道，也会增大此漏风量。

总之，增大采面风量，会使风流携带出的瓦斯量增大。风量过大又具有以下缺点：一是增加采面风流中的粉尘浓度，恶化工作面工作环境，增大防尘工作难度；二是降低了邻近采掘工作面的供风量，影响全矿井通风系统的稳定；三是容易使巷道内的风速超过《煤矿安全规程》规定，不利于质量标准化达标。

（7）对采面进行合理配风

由于采空区瓦斯涌出量占回采工作面瓦斯总涌出量的60%，对工作面合理配风，减少采空区瓦斯涌出量，从而降低上隅角瓦斯浓度。经长期实践表明，高档面配风550～600m3/rain，综采面配风750～800 m3/rain此配风标准效果良好。但对于高强度综采工艺，其应用有限。

（8）增加漏风汇，采用一源多汇的通风方式，使采空区上隅角瓦斯从漏风汇中排出。如果漏风汇强度较小，采空区上隅角瓦斯量又很大，这时采空区上隅角瓦斯依然会超限，并可能涌入工作面。因此，漏风汇的位置对采空区上隅角瓦斯排放具有重要影响。

（9）减少采空区漏风量来抑制上隅角瓦斯的涌出。要实现减少采空区漏风量来抑制上隅角瓦斯涌出的途径有三种：即密闭法充填法、充填法和均压法的措施。但对于串联通风工作面，采用均压法来降低进、回风巷两侧的气压很难实现。因此只有采用充填法和密闭法来减少采空区漏风以抑制上隅角瓦斯的涌出量。

（10）科学配风。在工作面快推进至高瓦斯区域时适当加大风量，相应增加流经上隅角的风量，使上隅角瓦斯降低到规定浓度以下，但也不能一味的增大风量。

（11）缩小上隅角范围。在回采过程中，由于上隅角位置顶板不易冒落，使上隅角内自由空间增大从而积聚瓦斯。为缩小上隅角范围，一是可以采取超前回柱措施，工作面上隅角必须超前回柱，提前将上隅角处的锚杆螺帽卸悼，使上隅角顶板及时冒落，以减少隅角内自由空间。另外在工作面推进时，使机尾超前于机头推进，成伪倾斜推进，从而使上隅角由原来的直角拐弯变成钝角拐弯，既可以缩小上隅角范围，又可以减少通风阻力，使风流更易通过上隅角，排出上隅角积聚的瓦斯。

（12）均衡生产。当回采至高瓦斯区域时，随着工作面产量的增加，瓦斯浓度呈正比增高，从而使上隅角瓦斯经常超限。因此必须按正规循环作业，防止生产过于集中，保证工作面通风，并及时清理工作面浮煤。若生产过程中出现瓦斯超限，应立即停止割煤，进行科学处理，直到上隅角瓦斯浓度降到规定范围，才可继续生产，严禁冒险作业来抢进度。

（13）采取均压通风措施。由于上隅角瓦斯主要是由采空区瓦斯在漏风的作风下涌入，因此可以在保证工作面风量的前提下，在工作面回风巷安设两道调节风门以降低工作面进回风侧两端的风压差，使采空区的瓦斯不易带出，从而达到控制上隅角瓦斯涌出的问题。但由于均压设施在回风巷开关频繁，由于压力的作用采空侧积聚了大量瓦斯，一旦均压设施受到破坏或通风系统发生变化，将会造成瓦斯大量涌出。

结语

针对上隅角瓦斯治理现状，加强综采工作面上隅角的瓦斯治理工作已成为当前治理煤矿事故的重中之重，由以上分析可见， 设置上隅角临时挡风帘、设置采空区风幛、提高采面供风量、安设专用抽出式风机等方法，只能作为处理上隅角瓦斯的辅助措施或临时性的应急措施。采用局部通风机治理上隅角瓦斯能够取得较为明显的效果，但工作面的不断推进，通风机需随综采支架进行动态移动，造成风流不稳定；因此该方式只适用于临时处理上隅角瓦斯的异常涌出，不能作为治理上隅角瓦斯的常态技术措施。

总之治理工作面上隅角瓦斯积聚的每一项措施， 均有其适用的具体条件， 在一定适应的条件下，均能取得较为满意的效果。

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