淺談工作面上隅角瓦斯治理技術(shù)研究與應(yīng)用

瓦斯事故是煤礦面臨最嚴(yán)重的安全問(wèn)題之一，隨著我國(guó)礦井開(kāi)采深部逐漸加深，發(fā)生瓦斯事故的礦井和煤層越來(lái)越多，同時(shí)我國(guó)煤礦復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境和開(kāi)采條件也是導(dǎo)致煤礦災(zāi)害事故多發(fā)的重要因素。隨著煤礦機(jī)械化程度和生產(chǎn)能力的提高，大采高、長(zhǎng)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(huì)造成設(shè)備損害和人員傷亡，嚴(yán)重影響礦井的安全生產(chǎn)。對(duì)于上隅角瓦斯積聚濃度超限時(shí)，必須采用合理的措施進(jìn)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(guó)大多數(shù)礦井采用U型通風(fēng)。在這種通風(fēng)方式下，進(jìn)入工作面的大部分空氣沿工作面流動(dòng)，而進(jìn)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(dòng)。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(fēng)通道。當(dāng)進(jìn)入采空區(qū)的氣流通過(guò)采空區(qū)時(shí)，氣流將氣體排出并逐漸返回工作面。最后，角點(diǎn)在工作面上堆積。因此，工作面拐角處是采空區(qū)氣流進(jìn)入工作面的交匯處。上角靠近煤壁和采空區(qū)側(cè)面。風(fēng)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(fēng)玻璃布置在工作面拐角處。擋風(fēng)玻璃安裝在回流管旁邊。當(dāng)進(jìn)入道路的空氣通過(guò)工作面進(jìn)入擋風(fēng)玻璃時(shí)，擋風(fēng)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(yùn)輸、行人、支架、立柱等因素的影響，擋風(fēng)玻璃經(jīng)常被損壞，進(jìn)而失去其功能，導(dǎo)致上隅角氣體濃度迅速上升到過(guò)量濃度，使工作區(qū)氣體濃度達(dá)到F。ACE減少。

　　2.2 專用排風(fēng)機(jī)安裝

　　在工作面轉(zhuǎn)角處安裝礦井排風(fēng)機(jī)的主要原理是在進(jìn)水口處形成負(fù)壓區(qū)。由于兩側(cè)的壓力差，沿輸送通道通過(guò)工作面的主氣流將增大，以滿足風(fēng)機(jī)排氣量的需要。此時(shí)，當(dāng)上隅角積聚的有害氣體被稀釋后排入回風(fēng)巷時(shí)，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(kāi)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(kāi)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(duì)平衡。此時(shí)，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(dǎo)致上角瓦斯超標(biāo)。高水平鉆井技術(shù)是通過(guò)產(chǎn)生負(fù)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?gòu)脑ǖ老蚬ぷ髅嬗砍龅臍怏w。根據(jù)氣流的特點(diǎn)，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?yàn)楫?dāng)氣體在采空區(qū)流動(dòng)時(shí)，它在水平方向上呈“O”形分布。同時(shí)增加了上隅角埋管開(kāi)采方法，采用埋管開(kāi)采采煤工作面上隅角瓦斯。上角設(shè)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(fù)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(jìn)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(lái)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(duì)不同鉆孔高度和不同鉆孔數(shù)量瓦斯抽采結(jié)果進(jìn)行數(shù)值模擬。

　　3.2.1鉆孔高度對(duì)抽采效果的影響

　　在煤層頂板裂隙帶中，分別設(shè)定2～4.5倍采高頂板鉆孔，分析不同鉆孔高度對(duì)采空區(qū)瓦斯抽采效果。對(duì)通過(guò)鉆孔壁面的抽采瓦斯質(zhì)量流量分?jǐn)?shù)進(jìn)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(shí)，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(shì)。通過(guò)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(duì)抽采效果的影響

　　在鉆孔終孔高度一定時(shí)，分析鉆孔數(shù)量變化對(duì)抽采效果的影響。在工作面進(jìn)風(fēng)巷水平方向分別布置鉆孔組，通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)分析鉆孔數(shù)量對(duì)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(gè)開(kāi)始逐漸增，通過(guò)增加鉆孔數(shù)量來(lái)觀測(cè)上隅角瓦斯治理效果，當(dāng)治理效果最為明顯時(shí)在上隅角附近形成一定的低瓦斯區(qū)域，此時(shí)確定鉆孔數(shù)量。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　?、俸?jiǎn)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(shí)鉆孔高度為4倍采高，每組鉆場(chǎng)布置4個(gè)鉆孔時(shí)，抽采效果最優(yōu)；③對(duì)4201工作面上隅角瓦斯積聚問(wèn)題采用高位鉆孔抽采和上隅角埋管抽采的綜合措施進(jìn)行了抽采效果檢驗(yàn)，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。