综采放顶煤工作面瓦斯涌出影响因素及防治技术浅析
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[摘 要]通过介绍综采放顶煤工作面瓦斯涌出特点和来源，分析了影响综采放顶煤工作面瓦斯涌出的开采层瓦斯含量、工作面的开采强度、邻近层瓦斯涌出和地面大气压力的变化等因素，讨论了上隅角瓦斯治理、改变通风方式、顶板瓦斯排放巷、顶板瓦斯抽采钻孔、均压技术等技术措施在综放面瓦斯防治中的应用，并结合在老石旦煤矿16401工作面中的应用进行分析。
中图分类号：TD712 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）23-0278-02
1、概述
近年来，我国煤矿正向着生产集中化、矿井大型化、运输连续化、系统简单化方向发展，而综采放顶煤具有产量大、成本低、高产高效、巷道掘进率低等优点，所以在我国具有条件的煤矿生产中得到越来越多的应用和推广。同时综采放顶煤技术造成的安全问题也日益突出，特别是瓦斯问题已严重制约着工作面的正常生产。
综放面的瓦斯涌出与普通综采面等相比，具有以下特点：①在工作面相同条件下，综放面的绝对瓦斯涌出量比普通综采面大，即煤层瓦斯含量相同时，采用综采放顶煤的工作面绝对瓦斯涌出量大幅度增加。②综放面的采厚大，增大了工作面上部冒落带和裂隙带的高度，扩大了影响上邻近层的范围，加大了邻近层的瓦斯卸压排放程度，因此综放面的邻近层绝对瓦斯涌出量比普通综采面增大。③综放开采时，由于放煤工艺难以控制，采出率一般比普通综采低10%左右，采空区大量遗煤将使采空区瓦斯总量和涌出量显著增大。④综放面的瓦斯涌出在时间和空间上具有不均衡性，即采煤工序不同瓦斯涌出量差异较大，采场不同地点形成了低风速与高瓦斯量对应区。
根据上面的特点，我们分析综采放顶煤工作面的瓦斯涌出的影响因素，以便制定有针对性的防治技术，具有非常实际而又重要的意义。
2、综放面瓦斯涌出的影响因素
2.1 瓦斯涌出来源
综放面的瓦斯涌出来源同煤层赋存和开采条件有关系。与采用其他采煤方法的工作面相同，综放面的瓦斯来源主要是开采层、邻近层（包括围岩）和采空区瓦斯。
综放面瓦斯涌出来源主要有4部分组成：①工作面煤壁（包括支架上部煤壁）瓦斯涌出q1；②工作面采落煤炭瓦斯涌出q2；③支架放顶煤瓦斯涌出q3；④采空区遗煤和采空区周壁瓦斯涌出q4。另外，有上、下邻近层的煤层开采时，还应该考虑邻近层（包括围岩）的瓦斯涌出q5[1]。
2.2 瓦斯涌出量的影响因素
根据综放面的瓦斯涌出来源分析，综放面的瓦斯涌出量除主要取决于开采层瓦斯含量，还与工作面的开采强度、邻近层瓦斯涌出以及地面的大气压有关。
2.2.1 开采层瓦斯含量
采用综采放顶煤的工作面煤层厚度一般大于5m，所以开采层瓦斯含量是影响瓦斯涌出量的重要因素。一般情况下，工作面瓦斯涌出量与煤层瓦斯含量成正比，但是通过相关数据，相同采矿条件下，综放面相对瓦斯涌出量与煤层瓦斯含量的比值比用普通综采或其它开采方法时要小。这主要是由于在采煤机割煤、移架、放煤过程中，数倍于采高的顶煤应力状态和煤的结构发生改变，从而使煤体中大量瓦斯预先排放到采空区所致。综放面采空区冒落空间大，其上部大部分区域无有效风流，因此，若无邻近层或邻近层和围岩瓦斯涌出量比较小时，就可能造成大量高浓度瓦斯储存在该区域，使开采层相对瓦斯涌出量偏小[2]。
2.2.2 工作面的开采强度
对开采层而言，随着工作面推进速度增大，单位时间内采落的煤炭增加，从落煤中涌出的瓦斯量也会增加；同时，工作面和支架上部煤壁暴露时间间隔缩短了，这样煤壁暴露时间内的瓦斯涌出强度就增加了，这些因素会使工作面绝对瓦斯涌出量增加。同样，工作面的长度和推进长度越长，也会造成工作面的瓦斯涌出量增加。
2.2.3 邻近层瓦斯涌出
邻近层的瓦斯一般首先涌入开采层的采空区，瓦斯自采空区涌入工作面空间的主要原因在于采空区内存在漏风，大部分瓦斯通过漏风进入工作面，另有部分瓦斯随着顶煤一起从放煤窗口涌入工作面空间。在采空区中的靠近工作面空间的区域，由于顶板冒落时间较短，冒落的岩块呈松散堆积，孔隙大，漏风强度大，使该区域的瓦斯基本上全部通过漏风带进入工作面空间；由该区域再向内部延伸，由于冒落岩石逐渐压实，孔隙率降低，风阻增大，漏风强度减弱，使风流呈过渡流态，该区域的瓦斯部分被漏风带入工作面空间；自该区域再往里延伸，冒落岩石进一步压实，漏风基本消失，所以该区域及以后区域瓦斯基本不进入工作面空间[3]。
由此可见，虽然综放面采空区影响范围很大，但是并非所有煤层涌出的瓦斯都对工作面瓦斯涌出有影响，只有煤层的瓦斯涌入漏风带时，才对工作面瓦斯涌出有影响。
2.2.4 地面大气压力的变化
地面大气压力在一年内的变化量可达5～8KPa，一天内的最大变化量也达到2～4KPa。但与煤层瓦斯压力相比，地面大气压力的变化量是很小的。虽然地面大气压力的变化对煤层暴露面的瓦斯涌出量没有多大影响，但对采空区瓦斯涌出有较大影响。在生产规模较大的综放工作面，采空区瓦斯涌出量占很大比重。当大气压力下降时，采空区积存的瓦斯会更多的涌入风流中，使矿井瓦斯涌出量增大；当大气压力上升时，矿井瓦斯涌出量会明显减小。例如：某矿当大气压力由99.76KPa增至101.3KPa时，矿井瓦斯涌出量由11.61m3/min降至8.06m3/min。
3 综放面瓦斯防治技术
通过对综放面瓦斯来源及影响因素的分析，针对综放面的瓦斯涌出特点和瓦斯运移规律，综放面瓦斯治理应根据工作面瓦斯涌出量的大小和瓦斯来源构成并结合采区巷道布置采区相应的措施。单一技术措施无法使瓦斯浓度降至许可浓度时，应采取综合防治措施。
3.1 利用引风帘和局扇治理上隅角瓦斯积聚
上隅角瓦斯积聚是由“U”型通风方式的特点造成的，随着采空区范围的增大，采空区内积聚瓦斯的压力逐渐升高，加上采空区压差的存在，采空区内的瓦斯从上隅角涌出，造成上隅角局部瓦斯超限。利用在运输顺槽的局扇供风到上隅角，辅以上隅角设置引风帘使工作面风流大部分结果上隅角来稀释上隅角的瓦斯。对上隅角采取的瓦斯处理措施是在“U”型通风方式进行的分源治理，目的是防止上隅角或其附近因风流过小造成的瓦斯积聚。在瓦斯涌出量不大的情况下，这些方法是比较可靠有效而且简便易行的。
3.2 改变工作面的通风方式
由于综采放顶煤工作面容易造成采空区高浓度瓦斯积聚，使工作面瓦斯涌出量增加，成为影响工作面安全生产的主要因素。根据有关矿井的经验，在条件允许的情况下，改“U”型通风方式为“U+L”型通风方式，即普通工作面“U”型通风方式再加一条瓦斯尾巷。（图2）在采用这种技术时，综放工作面上隅角通过打木垛等方式沿空留巷，使风流带动上隅角瓦斯往采空区流动，有效解决上隅角瓦斯积聚问题，对处理采空区瓦斯习惯较明显[4]。
3.3 顶板瓦斯排放巷
瓦斯排放巷是沿煤层顶板内错工作面回风巷5～10m布置的一条与回风巷平行的小断面巷道（图3）。利用其负压作用，将采空区积存的瓦斯和支架顶煤破碎裂隙内的瓦斯排放出来，减少瓦斯向工作面或上隅角涌出。
3.4 顶板瓦斯抽采钻孔
瓦斯抽采是瓦斯治理的治本措施，当邻近层瓦斯和采空区瓦斯较大时，只通过通风难以解决绝对瓦斯涌出量大的问题。采用顶板瓦斯抽采钻孔，具有成本低、效果好的优点（图4）。顶板瓦斯抽采钻孔，可以在掘进顺槽时就开始布置，如果邻近层瓦斯较大，可以选用长钻孔抽采。钻孔不仅可以在掘进时做到预抽煤层瓦斯，而且可以在回采时抽采采空区顶部的高浓度瓦斯，达到一孔多用的目的[5]。
3.5 利用均压技术减少采空区瓦斯涌出
均压技术适用于瓦斯涌出量在3m3/min以下，工作面机尾附近有明显瓦斯涌出异常点的情况（图5）。由于采用综放开采，回风顺槽压力大，巷道变形严重，造成回风断面较小，回风顺槽阻力增大，从而导致采空区两端压差较大，采空区内高浓度瓦斯从上隅角附近涌出，造成上隅角瓦斯局部超限。为降低回风顺槽的阻力，可以先刷大回风顺槽断面，然后在回风顺槽设调压风窗，减小采空区两端压差，进一步减小采空区涌入到工作面的瓦斯。
3.6 其他技术措施
（1）在煤层中进行高压注水，不但能软化煤体，减少粉尘产生，而且能把煤层节理裂隙中的部分瓦斯排出，减少煤尘瓦斯含量，同时起到降温、增加湿度的作用，不易引起发火，可以防止瓦斯事故。
（2）割煤、放煤不要同时作业，以防治瓦斯叠加涌出。
（3）控制放煤窗口，不要使一次放煤量过大、放煤时间过长，分多次放完，有限制的控制瓦斯涌出。
4、老石旦煤矿技术应用
老石旦煤矿16#煤层属于石炭系太原组，煤层平均厚度8.8m，煤层倾角8°～18°，平均倾角12°，普式系数=1.8，煤层层理、节理较发育，属稳定煤层，结构简单；煤层含4～5层炭质页岩夹矸，普式系数=4。
16401工作面倾向长度280m，剩余走向长度670m，工作面平均倾角12°，平均采高8.8m，工作面机采高度3m，放煤高度5.8m，采放比1：1.93，循环进度0.6m，采用“两采一放”作业方式，中部斜切进刀。
根据老石旦煤矿地质特征及16401工作面情况，在16401工作面上隅角安装2.2KW小风机和引风帘治理上隅角瓦斯积聚和在回风顺槽安设两堵调节风门通过均压技术减少采空区瓦斯涌出两种手段防治综放工作面瓦斯涌出，并辅助割煤、放煤不同时作业，严格控制放煤窗口等手段控制工作面瓦斯涌出量。
采用上述手段后，16401工作面绝对瓦斯涌出量稳定在0.68m3/min左右，相对瓦斯涌出量稳定在0.28m3/min左右。
5. 结束语
（1）16401工作面采取综合措施后，瓦斯涌出量控制在可控范围内，避免了瓦斯事故发生。
（2）在相同影响条件下，与其他采煤方法相比，综采放顶煤工作面绝对瓦斯涌出量显著增大，而相对瓦斯涌出量可能降低。
（3）不同矿井瓦斯涌出影响因素和涌出特点各有不同，矿井根据自己的实际情况，在采用单一瓦斯治理措施效果不大的时候，需要采用综合瓦斯治理措施。
（4）保持合理、稳定的通风系统，降低采空区漏风，可以显著减少采空区瓦斯向工作面涌出，降低工作面绝对瓦斯涌出量。
作者简介：李文庆（1978―）男，工程师，内蒙古阿拉善右旗人，内蒙古科技大学采矿工程本科毕业，现在读硕士研究生。
参考文献
[1] 于不凡.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册.煤炭工业出版社，2005.
[2] 石必明.放顶煤工作面瓦斯涌出影响因素浅析.煤矿安全，1996（11），35-38.
[3] 赵俊虎.综采放顶煤瓦斯涌出的特点及防治.科技情报开发与经济，2007（2），279-280.
[4] 刘宝兴.新集矿综采放顶煤瓦斯防治实践.矿业安全与环保，第27卷第3期，2000.6，25.
[5] 张海祥.南山煤矿综采放顶煤瓦斯综合治理技术.煤矿安全2009（5），19-20.