摘要：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，詳細(xì)介紹了各種方法的優(yōu)缺點及發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：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”管理中的一個重要環(huán)節(jié)，但同時也是一個薄弱環(huán)節(jié)，而防治瓦斯超限又是瓦斯管理的重點和難點。生產(chǎn)礦井的瓦斯超限是威脅礦井安全的主要因素，隨著礦井采掘機(jī)械化程度的提高、技術(shù)的進(jìn)步、生產(chǎn)水平的延伸和采掘強(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)重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) 重威脅整個礦井安全。因此，分析采煤工作面上隅角的瓦斯來源、超限原因，找出解決問題的具體方法和措施，積極探索新的瓦斯治理技術(shù)、創(chuàng)新瓦斯管理方法，對煤礦安全生產(chǎn)有十分重要的意義。
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，受采動的影響 鄰近層會產(chǎn)生較多較大的裂隙，另外上隅角處于負(fù)壓狀態(tài)，瓦斯會由
鄰近煤層通過裂隙向上隅角涌出。③ 采空區(qū)，現(xiàn)在大多數(shù)礦井采煤工作面的機(jī)風(fēng)巷基本上都采用了煤巷錨桿支護(hù)，這種主動的支
護(hù)方式使得巷道上方的直接頂和老頂結(jié)合成為一個相對穩(wěn)定的整體，在采煤工作面向前推進(jìn)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)巷的上隅角形成了一定的空間(為上隅角的瓦 斯積聚提供了空間)，因而進(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)采煤工作面均采用“U”型通風(fēng)方式。
“U型通風(fēng)條件下的采空區(qū)瓦斯流動場的規(guī)律：沿工作面推進(jìn)方向，從工作面向采空區(qū)深部剖面看，采空區(qū)瓦斯呈現(xiàn)為一個拋物線狀，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，一部分沿工作面流動;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動;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)壓逐漸返回工作面。若工作面后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)流會匯入工作面漏入采空區(qū)的風(fēng)流中而流向工作面。
可見，進(jìn)入采空區(qū)的風(fēng)流通過采空區(qū)，風(fēng)流帶出瓦斯，逐漸返回工作面，最后匯集于采面上隅角，所以，工作面上隅角為采空區(qū)瓦斯流入工作面的匯合處。
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，在靠近切頂排處會出現(xiàn)微風(fēng)區(qū)，采空區(qū)漏出的瓦斯在此處積聚，更容易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、動壓，三種壓力之和是全壓，全壓差的大小決定著風(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)流速度大大減少，在上隅角處出現(xiàn)無速度差，甚至風(fēng)流出現(xiàn)紊流。 3防治上隅角瓦斯超限的方法
針對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改變通風(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)采煤工作面上隅角出現(xiàn)瓦斯超限時，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)幛可采用軟質(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，出現(xiàn)了上隅角瓦斯異常的現(xiàn)象，CH4濃度達(dá)到1.8%，于是在上隅角附近加設(shè)了一道擋風(fēng)簾。根據(jù)現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，采用擋風(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，往往出現(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)舛扔趾芸焐叩匠逎舛纫陨?。這樣反復(fù)操作的結(jié)果，必然使上隅角瓦斯?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，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，并且只能作為臨時措施。這種方法實際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)間的空氣的對流和主風(fēng)流的擴(kuò)散作用。經(jīng)過長時間的現(xiàn)場觀察，發(fā)現(xiàn)在工作面正常供風(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)的高濃度瓦斯是不可能的。工作面采用增大風(fēng)量的辦法，雖然可使上隅角積聚區(qū)風(fēng)流與工作面主風(fēng)流的對流作用加大，但是隨著風(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，加強(qiáng)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，則會增大此漏風(fēng)量?？傊?，若增大采面風(fēng)量。會使風(fēng)流攜帶出的瓦斯量增大，同時，風(fēng)量過大又有以下缺點：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)量過大容易使巷道內(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
根據(jù)采面上隅角瓦斯超限的原因可知，若能減少進(jìn)入采空區(qū)的風(fēng)量，則可減少采空區(qū)的瓦斯涌出量，使上隅角避免出現(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減少進(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。
可見，這種處理方法可從根本上減少采空區(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;同時由于風(fēng)幛隨著工作面向前推進(jìn)而逐漸前行，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，使用效果不太理想。只有當(dāng)回采工作面上隅角積聚瓦斯速度不大(2～3 m3/min)和瓦斯?jié)舛炔惶?3%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
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)，通過局扇引入新鮮風(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)隨著工作面的前移而移動。這種處理方式具有以下優(yōu)點：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，及時沖淡此處的高濃度瓦斯;③由于風(fēng)筒體積小，占用空間小，可大大地減少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安全可靠的治理過程。
3.5 安設(shè)風(fēng)水引射器
當(dāng)采煤工作面上隅角出現(xiàn)瓦斯超限時，安設(shè)一臺風(fēng)水引射器，利用高壓水、風(fēng)聯(lián)合作為動力，也可用高壓水或風(fēng)分別作為動力，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增大流經(jīng)上隅角的風(fēng)量，以滿足風(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。這種方法具有以下優(yōu)點：①利用高壓水、風(fēng)作為動力，風(fēng)、水引射器本身無機(jī)械運(yùn)動部件，沒有產(chǎn)生火花的隱患;②改變風(fēng)、水壓即可調(diào)整風(fēng)量;③結(jié)構(gòu)簡單，安裝移動方便。但需要加強(qiáng)管理，防止動力源(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采取以下幾種布臵方式：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)巷電器設(shè)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)脈動通風(fēng)技術(shù)。脈動通風(fēng)技術(shù)是利用風(fēng)流的紊流擴(kuò)散系數(shù)與風(fēng)流脈動特性相關(guān)的理論，研制的一套技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理且實用的脈動風(fēng)機(jī)使用技術(shù)。在正常通風(fēng)風(fēng)流中疊加脈動風(fēng)流，從而增加風(fēng)流的紊流擴(kuò)散系數(shù)，提高風(fēng)流驅(qū)散局部積聚瓦斯的能力，從根本上解決回采工作面上隅角瓦斯積聚的問題。
(2)GDS-1型瓦斯自動排放系統(tǒng)。由煤科總院重慶分院研制的GDS-1型瓦斯自動排放系統(tǒng)，由抽出式無火花風(fēng)機(jī)、瓦斯傳感器、控制裝臵、調(diào)節(jié)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，雙級傳感器檢測調(diào)節(jié)風(fēng)門K前后端風(fēng)筒內(nèi)的瓦斯?jié)舛?，由控制裝臵內(nèi)的單片機(jī)根據(jù)瓦斯?jié)舛戎祦泶_定調(diào)節(jié)風(fēng)門開或關(guān)，以及開關(guān)角度的大小，從而改變摻入“新風(fēng)”的風(fēng)量，使排放瓦斯風(fēng)筒內(nèi)瓦斯?jié)舛炔怀蕖?/p>
圖2 GDS-1型瓦斯自動排放系統(tǒng)排放上隅角積聚瓦斯示意圖
(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)控裝臵包括控制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)舛葌鞲衅鲗崟r檢測瓦斯?jié)舛?，并將檢測的瓦斯?jié)舛刃盘栟D(zhuǎn)換為模擬電信號，傳到控制處理器，經(jīng)過中心處理單元對檢測到的模擬信號進(jìn)行處理判斷，發(fā)出指令控制繼電器的開啟與閉合，實時控制液壓風(fēng)扇。當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸迺r，風(fēng)扇啟動，吹散上隅角積聚的瓦斯;待瓦斯?jié)舛冉档桨踩缦迺r，風(fēng)扇即生動停止。
(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泵抽放瓦斯的特點，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200～300 m一組，用壓風(fēng)作為動力。
(5)安設(shè)移動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，要求采用低負(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負(fù)壓區(qū)，使隅角處瓦斯向抽放管子流動，最后排到采區(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。工作面推進(jìn)方向反向布臵鉆孔，鉆場間距15m，每個鉆場打3個鉆孔，利用工作面前方煤體保護(hù)鉆孔，工作面回采到位時撤出?；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負(fù)壓區(qū)，使采煤工作面上隅角處瓦斯向抽放管流動。
(2)布孔參數(shù)。鉆孔設(shè)計依據(jù)兩個原則，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。根據(jù)礦壓理論，煤層開采后其頂?shù)装鍘r層發(fā)生冒落移動，當(dāng)上覆巖層下沉穩(wěn)定后，上覆巖層采動裂隙區(qū)劃可分為“豎三帶”和“橫三區(qū)”，即采動區(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;沿工作面推進(jìn)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)和重新壓實區(qū)。隨著工作面不斷向前推進(jìn)，沿工作推進(jìn)方向上的“橫三區(qū)”隨之交替向前移動。
(3)頂板抽放口最佳位臵。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8～30m(8～17m)。具體礦井，要根據(jù)其實際綜合確定。其中鉆孔的終孔位臵，可以利用幾何知識，通過計算得到。
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，可以使用水泥體。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。采用三相泡沫技術(shù)，用三相泡沫擠占瓦斯占據(jù)的空間來降低瓦斯?jié)舛?，三相即水、灰、氮氣，灰可采用黃泥、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，這是發(fā)展的趨事。
(3)改變通風(fēng)方式。我國煤礦的通風(fēng)方式大部分采用上行風(fēng)，由于采煤工作面涌出的瓦斯比空氣輕，其自然流動的方向和上行風(fēng)的方向一致，在正常風(fēng)速(大于0.5～0.8m/s)下，瓦斯可能出現(xiàn)分層狀流動和局部的瓦斯積存，容易造成瓦斯上隅角積聚，下行風(fēng)的方向與瓦斯自然流動方向相反，二者易于混合且不易出現(xiàn)瓦斯層狀流動和局部積存的現(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)突出危險的采煤工作面不得采用下行通風(fēng)。所以在運(yùn)用下行通風(fēng)時，必須慎重。
4 結(jié)語
經(jīng)過以上分析，結(jié)合現(xiàn)場的實際情況，一旦采面上隅角出現(xiàn)瓦斯超限，立即在采面上隅角掛風(fēng)簾、安擋風(fēng)幛;增大工作面的進(jìn)風(fēng)量、調(diào)高工用面的壓差，檢查與該工作面相關(guān)的所有密閉是否漏風(fēng)，若漏風(fēng)及時進(jìn)行封堵。上述方法不能解決問題，要盡快安設(shè)專用抽出式風(fēng)
機(jī)(風(fēng)、水引射器)進(jìn)行抽排。
上述方法都是臨時性應(yīng)急的措施，治理上隅角瓦斯超限的根本方法是開采解放層，提前進(jìn)行巷道抽排或預(yù)抽，使煤層瓦斯含量降到8m3/t以下，其它的方法都具有不可確定性和不穩(wěn)定性;所以治理上隅角瓦斯應(yīng)提前考慮、提前施工，早投入，早見效。重點要實行區(qū)域防突措施,搞好瓦斯抽放工作。
作者:何雙林
