浅析煤矿上隅角瓦斯积聚原因及治理技术
浅析煤矿上隅角瓦斯积聚原因及治理技术
摘要：分析了煤矿上隅角瓦斯分布规律和积聚原因及影响积聚的因素，并对治理煤矿上隅角瓦斯积聚方法进行了归纳总结，为上隅角瓦斯积聚的治理工作积累的基础。
关键词：上隅角；瓦斯积聚；原因；治理技术
1 前言
回采工作面上隅角是井下局部瓦斯积聚最为严重的部位。但是，由于目前瓦斯治理技术上的缺陷，上隅角瓦斯积聚问题始终不能得到彻底的根除，对井下安全生产状况构成极大威胁。随着采煤机械化程度的提高，回采工作面产量不断提高，回采工作面上隅角瓦斯积聚问题显得更加突出，并且已经成为煤矿安全生产的重大隐患。在近些年里，国内发生的瓦斯爆炸恶性事故，其中上隅角瓦斯积聚引起的事故已经占了相当大的比重。因此，为了实现煤矿生产高产高效，采取安全、经济、可靠和高效的技术措施来治理上隅角瓦斯积聚问题己经变得迫在眉睫。如何采取有效措施防止上隅角瓦斯的积聚，对于工作面安全生产和增加工作面产量有重大意义。
2 原因分析
2.1 上隅角瓦斯分布规律[1-4]
上隅角属于瓦斯高浓度区域。瓦斯在上隅角处仍然受到浮升力的作用，相对集中在上隅角的上部，上部瓦斯的浓度大于下部瓦斯的浓度。
目前，我国煤矿回采工作面大多采用U型和Y型通风方式。下面结合简图，在U型和Y 型通风方式下，对上隅角瓦斯的分布规律进行分析。
图 2-1 U型通风上隅角瓦斯分布图
图 2-2 U型通风上隅角瓦斯分布局部放大图
对于采用U型通风方式的系统，采空区中瓦斯的分布情况如图2-1所示，图2-1显示了U型通风方式的系统中上隅角瓦斯分布代表性。由于采空区中的漏风以及瓦斯分子的扩散作
用，使得上隅角处的瓦斯浓度急剧增加。上隅角处瓦斯的分布情况如图2-2所示。对于采用Y型通风方式的系统，采空区中的瓦斯的分布情况如图2-3所示。Y型通风系统的特征是由两个进风巷进风，一个出风巷排风。采用这种通风方式的系统。上隅角瓦斯的分布情况如图2-4所示。从图中，我们可以看出，采用Y型通风方式，上隅角的瓦斯被新鲜风流带走，瓦斯在上隅角处无法积聚，有效地消除了上隅角瓦斯积聚问题。
图 2-3 Y型通风上隅角瓦斯分布图
图 2-4 Y型通风上隅角瓦斯分布局部放大图
2.2 上隅角瓦斯积聚原因分析
在正常主风流作用下，U形工作面上隅角瓦斯积聚是三个方面因素综合作用引起的[5-7]。
(1)漏风
对工作面采取U型通风方式时，在工作面进风巷和回风巷的风流压差作用下，进风流会有部分风流漏入采空区中，漏入的风流会将采空区内高浓度瓦斯带走，上隅角作为工作面的漏风汇，是采空区瓦斯涌出的必经之道，必然造成上隅角瓦斯积聚，且含瓦斯空气密度较小，采空区内含高浓度瓦斯的空气向上隅角运移，使上隅角成为采空区高浓度瓦斯集中涌出的地点，带入到回风巷中，引起瓦斯浓度积聚。采空区中的瓦斯浓度越高，被漏风流带出的瓦斯量就越大，引起上隅角瓦斯积聚的可能性也越大。
(2)涡流
由于主风流方向的改变和边界几何条件的限制，上隅角风流速度很低，并出现涡流区，涡流运动使采空区涌出的大量高浓度瓦斯难以进入主风流中，使得瓦斯不能及时向外扩散，从而造成高浓度瓦斯在上隅角附近做循环运动，形成上隅角瓦斯积聚。统计资料显示：当回采工作面绝对瓦斯涌出量大于2-3m3/min时，则可能发生上隅角瓦斯积聚。
(3)瓦斯扩散运移
主风流对上隅角仅通过风流速度梯度引起的横向脉动和对流运移作用，在一般的定常主风流中，其风流脉动值很小，横向脉动比纵向脉动更小，故对瓦斯的驱散作用很小。
2.3 上隅角瓦斯积聚影响因素
影响上隅角瓦斯积聚的主要因素有自然因素、开采因素和通风因素。具体的说，对上隅角影响最为明显的是：煤层倾角、放炮、放顶煤、回料和风向[8-10]。
(1)煤层倾角
煤层倾角对上隅角瓦斯涌出的影响主要表现在：第一，倾角直接影响到顶板的活动，倾角的增大将减少采空区内瓦斯的存储量，使得采空区涌出的瓦斯量增加，也降低了采空区对瓦斯涌出量变化的缓冲能力；第二，倾斜角度的大小影响到采空区内瓦斯的存储方式，倾斜角较小，采空区内阻力分布均匀，采空区瓦斯向工作面的涌出稳定，倾斜角较大，岩石具有下滑运动，就会在采空区内产生空洞，采空区内的瓦斯就会存储于这些空洞中，当发生放炮或顶板冒落时，空洞中的瓦斯就会向工作面上涌出，造成瓦斯涌出的不稳定性；第三，煤层倾角过大，将改变采空区内的瓦斯的浓度梯度，使高浓度的瓦斯更接近上隅角，增加了采空区内的瓦斯向上隅角的扩散。
(2)放炮工序
放炮对上隅角瓦斯的影响主要表现在以下几个方面。放炮落煤时，煤层会释放出大量的瓦斯气体，放炮产生的炮轰冲击波会干扰采空区内的瓦斯静止区，影响采空区内的瓦斯分布，会将部分瓦斯气体带入上隅角，另外，放炮落煤后，将会加大工作面上通风风阻，致使向采空区中的漏风量的增加，扩大了采空区中紊流区域，将更多的瓦斯气体带入到工作面上隅角。
(3)放顶煤工序
放顶煤过程中采空区内瓦斯的浓度会升高，使得漏风流带出的瓦斯也会相应的增加，也就加快了上隅角瓦斯的积聚，放顶煤工序也改变了采空区内瓦斯存储的空间布局，使得静止区和层流区内高浓度瓦斯进入紊流区，从而被漏风流经上隅角带出采空区，另外，放顶煤使得采空区的空间加大，采空区内的通风阻力减小，这样流经采空区的风量也会相应的增加，呆滞采空区内更多的瓦斯气体被带至上隅角。
(4)回料工序
最主要的影响是回料使得采空区通风阻力降低的同时，工作面的通风断面减小，通风阻力增加，流经采空区的风量比放顶煤时还要大，势必会将采空区内更多的瓦斯气体带出至上隅角。
(5)工作面风流方向
流经采空区内的风流是呈弧形的，采空区上、下两端风速较大，中部风速较小，瓦斯的浓度变化规律是进风侧低，回风侧高。上行通风时，上部紊流区变大，层流区变小，将层流区内的瓦斯气体带入工作面上隅角；采用下行通风时，因瓦斯上浮运动带到采空区上部的瓦斯流经采空区的风流带到采空区的深部，随着风流流动又有一部分瓦斯上浮到顶板，再沿顶板正倾斜方向向上上浮，上浮到顶部的瓦斯又被流经采空区的风流带到采空区的更深部，这样就形成循环运动，随着不断循环把大部分瓦斯带入采空区深部，因此下行通风工作面上隅角的瓦斯浓度较小。
3上隅角瓦斯积聚治理方法
目前国内外治理工作面上隅角瓦斯积聚的主要方法有：风障法、无火花风机引排法、压风引射器引排法、小型液压风机吹散法、“脉动通风”吹散法、钻孔及埋管抽放法、改变通风系统法、尾巷排放法、直管高压水射流风机吹散法等，这些方法概括起来大致可分为两类：通风治理法和瓦斯抽放治理法。
3.1 通风治理[11-14]
（1）风流稀释、带走
引导风流稀释的实质是把新鲜风引入到回采工作面的上隅角，将该处积聚的瓦斯稀释并带走。采用此种方法应根据瓦斯来源、涌出量大小、巷道布置和通风方式等具体情况布置。引导风流方法有：风障法、尾巷法。
①风障法
当回采工作面上隅角瓦斯涌出浓度不大（3%左右）的情况下应用。
风障材料多为帆布。该方法的优点是安设简单、经济；缺点是引入的风量较小，风障受支架的限制很难斜向伸至上隅角，尚需随工作面的推进而前移，另外风障占据人行道，遮挡工作人员视线，会使作业环境变窄和增加通风阻力。
②尾巷法
图3-1 尾巷排除上隅角瓦斯
国内外均有应用，常用于瓦斯涌出量较大、积聚较严重的场所。尾巷排除积聚瓦斯布置方式见图3-1，在工作面的回风有两条巷道，一条为回风巷，另一条为回风副巷，也就是尾巷。
在上图的巷道布置中，通常是将工作面后方(采空区)回风巷与尾巷间联络眼的密闭打开一个窗口，如图中1号联络眼，窗口大小视上隅角瓦斯涌出量大小而决定，这样一来，工作面的风流一部分经工作面上隅角进入回风巷，另一部分风流则经联络眼进入尾巷，能有效地控制采空区的瓦斯的流向，不仅排除了上隅角瓦斯，同时亦会降低回风巷的瓦斯浓度。该法的优点是排瓦斯效果好，也易于实施；缺点是当1号联络眼由于工作面的推进而被置于采空区后方时，上隅角很接近2号联络眼，但还不到2号联络眼时(见图3-2)。
图 3-2 尾巷排除上隅角瓦斯困难时期
由于采空区与1号联络眼连接的通道被压实，通风阻力增大，这时通风很困难，这就造成经采空区联络巷进入尾巷那部分风流会由上隅角吹出。所以上隅角瓦斯积聚还是难于解决；另外尾巷的瓦斯浓度需严格管理。所以这种方法对于上隅角瓦斯积聚难于彻底解决。
（2）均压治理上隅角瓦斯
采用均压措施，控制采空区瓦斯涌出均压措施的实质是均衡采空区两侧的压差，减少采空区漏风量，这一技术本是治理采空区自然发火的常用措施，近些年不少矿井用以控制采空区瓦斯涌出。
①用局部通风机均压法治理采空区上隅角瓦斯
该方法的主要目的是减少采空区漏风和采空区上隅角瓦斯涌出。根据采空区漏风和上隅角瓦斯的涌出取决于通风压差的原理，决定采用在中切眼风门位置安设一台局部通风机，用压入式通风，直接向采空区上隅角处供风的措施(图3-3)，此种方法在平煤一矿进行了应
用。
图 3-3 局部通风机均压法
其主要作用有：一是降低工作面A, B 两点间的压差，以采用28kW 局部通风机供风为例，A, B 两点间的压差可降低35%左右，故而有利于减少采空区漏风和采空区上隅角的瓦斯涌出；二是对采空区上隅角的瓦斯涌出具有直接阻碍和冲淡作用；同时，由于减少了采空区漏风，故而有利于提高采空区上隅角瓦斯抽放浓度和效果。
采用局部通风机压入式通风时，其具体参数要求：一是在中切眼风门位置布置一台局部通风机，以28kW 为宜，供风量要求在250～300m 3
/min ；二是风筒出风端距上隅角的距离应小于或等于5m ，并且，为了使风筒出风端能始终保持一定距离，风筒需随工作面的推进而逐步后移，故需设一段伸缩性风筒；三是实施中应注意综采工作面供风量与压风量的比例，其值应保持在1/4左右。否则，倘若供风量太大，而压风量又太小，则无法达到预定效果。
② 脉冲通风法治理工作面上隅角瓦斯
中国矿业大学杨胜强副教授等经过研究和实验提出了脉冲通风法治理“L ”型工作面上隅角瓦斯积聚的理论及技术。作用原理见下图3-4，杨胜强副教授等提出由于瓦斯密度比空气小，则瓦斯浓度高的微团其密度较小，瓦斯浓度低的微团其密度较大。
据相关资料表明：越靠近上隅角，瓦斯浓度越高，密度越小；距离上隅角越远，则瓦斯浓度越低，密度越大。因此，在脉冲风流作用下会出现以下效果：1.加速运动时，浓度较大而密度较小的含瓦斯微团，与相邻浓度较小而密度较大的含瓦斯微团相比较，就会出现一个速度差，从而在它的前面形成一个正压区，而在它后面则形成一个负压区；2.减速运动时，浓度较大而密度较小的含瓦斯微团，与相邻浓度较小而密度较大的含瓦斯微团相比较，也会出现一个速度差，但在它的前面形成的是一个负压区，后面则形成一个正压区。对于存在瓦斯浓度梯度的横断面，由于正压区和负压区的存在，必然引起含瓦斯浓度不同的相邻微团在垂直于风流速度方向的空间运动，而含瓦斯微团的这种空间运动必然导致瓦斯沿浓度降低的方向迁移。所以，旋转脉冲风流可以使二者强烈混合，消除瓦斯浓度分布不均匀及局部的瓦斯积聚。
上隅角
图 3-4 脉冲通风法治理工作面上隅角瓦斯
旋转脉冲风流的强力射流作用，使在脉冲风机周围的射流有效射程内，若存在局部瓦斯积聚，将受到强力的旋转射流作用。如图3-4所示，当旋转射流作用于上隅角时，旋转射流的强力横扫作用使涡流区积聚瓦斯沿着旋转方向被带走，同时受到射流边界的卷吸作用被射流所稀释；当旋转射流转动离开上隅角后，在射流的后部将形成涡流负压区，采空区涌出的高浓度瓦斯随之进到涡流负压区，当下一次射流作用上隅角时，进入涡流负压区的高浓度瓦斯又受到这次旋转射流的强力横扫作用而沿着旋转方向被带走，进入到主风流区中。如此往复循环，消除上隅角的瓦斯积聚。
（3）增加漏风汇
即采用一源多汇的通风方式，在这种采场中，采空区上隅角瓦斯可以从漏风汇中排出，当然，如果漏风汇的强度较小，而采空区上隅角瓦斯量又较大，这时采空区上隅角瓦斯就会积聚并仍可能涌入工作面。此外，漏风汇的位置对采空区上隅角瓦斯的排放也具有重要影响，当漏风汇的位置距工作面切顶线很近时，即使漏风量较小，由于通过采空区的绝大部分流线将汇集于漏风汇，此时采空区上隅角瓦斯往往也能够得到排放，而不至于大量涌入工作面。因此，合理地调整漏风汇的位置和强度对解决采空区上隅角瓦斯积聚和避免大量涌入工作面具有重要作用。所以回采工作面的上隅角能否积聚瓦斯，其与工作面的通风系统密切相关。可以通过改变回采工作面的通风系统治理上隅角瓦斯积聚，工作面的通风系统可划分为以下基本类型（见图3-5）。
（a ）U 型后退 （b ）U 型前进
（c ）Z 型后退 （d ）Z 型前进
图3-5 通风系统基本类型
（a ）与（d ）类型的上隅角易积聚瓦斯，（b ）与（c ）类型则不易积聚瓦斯，因此，预防回采工作面上隅角积聚瓦斯的最根本措施，是合理的选择通风系统。近年来广泛应用的Y 型通风系统，如图3-6，均实现了预防上隅角瓦斯积聚的目的，如图中显示，因采空区的瓦斯受通风负压的作用就会向回风道方向涌出，不会向工作面上隅角涌出，故避免了上隅角瓦斯积聚。但回风巷是在采空区中维护的，增加了维护费用，并且容易引起采空区漏风，对有自燃危险的煤层不适用。
图 3-6 Y型通风系统
3.2 瓦斯抽放治理[15-17]
采空区瓦斯的涌出，在矿井瓦斯来源中占有相当的比例这是由于在瓦斯矿井采煤时，尤其是开采煤层群和厚煤层条件下，邻近煤层、未采分层、围岩、煤柱和工作面丢煤中都会向采空区涌出瓦斯，不仅在工作面开采过程中涌出，并且工作面采完密闭后也仍有瓦斯继续涌出。一般新建矿井投产初期，采空区瓦斯在矿井瓦斯涌出总量中所占比例不大，随着开采范围的不断扩大，相应地采空区瓦斯的比例也逐渐增大，特别是一些开采年限久的老矿井，此时临近层瓦斯将大量涌入采空区，从采空区涌出瓦斯量占全矿井涌出瓦斯量多数可达25%～30%,少数矿井达40%～50%，甚至更大。对这一部分瓦斯如果只靠通风的办法解决，显然是增加了通风的负担，而又不经济，而且不能彻底解决。通过国内外的实践，对采空区瓦斯进行抽放，不仅可行，而且也是有效的。
目前采空区瓦斯抽放己成为几种主要方法的一种，特别是国外，都非常重视这类瓦斯的抽放，抽出的瓦斯量在总抽放量中占有较大的比重，如德国及日本均达30%左右。目前我国开始注意采空区瓦斯的抽放，逐步将其纳入矿井综合抽放瓦斯的一个方面加以考虑。
采空区瓦斯的抽放方式是多种多样的，将其归类，则基本上可划分为两类：按开采过程来划分，可分为回采过程中的采空区抽放和采后密闭采空区抽放；按采空区状态划分，可分为半封闭采空区抽放和全封闭采空区抽放。这两种划分方法实质上包含相同的范畴。现取其中之一进行分类叙述。半封闭采空区是指回采工作面后方的、工作面回采过程中始终存在、并且随着采面的推进范围逐渐增加的采空区。由于这种采空区是和通风网路连通的，来源于各个方面的瓦斯涌入采空区后，又涌向工作面并经回风流排出，当采空区积存和涌出瓦斯较大时，将使工作面上隅角或回风流瓦斯经常处于积聚状态，有时还可能由于顶板的冒落而引起采空区瓦斯的突然大量涌出，对生产构成很大的威胁。若能通过各种采空区瓦斯的抽放方法，将采空区瓦斯抽出，则可直接减少工作面的瓦斯涌出量，使回采工作得以安全和顺利进行。
(1)插(埋)管抽放
插管法抽放，是把带孔眼的管子在顶板冒落前直接插进采空区进行抽放。插入的管子直径75～100mm，处在采空区内一端的管子约长2～2.5m，管壁钻有小孔，该管尽量靠近煤层顶板，处于瓦斯浓度高的地点。这种方法抽出的瓦斯浓度不高，通常只有10%～25%，其抽放效果取决于抽出混合气体中的瓦斯浓度和支管造成负压这两个因素。这一方法的优点是简单易行，成本低；其缺点是效率低。
埋管法抽放和插管法抽放基本上是相同的类型，只是布置方式不同，后退式预埋管法抽取采空区上隅角瓦斯(图3-7)
图 3-7 后退式预埋管法示意图
当第1根预埋竖管进入采空区上隅角5～10m时，开始抽放;当进入采空区内部的距离为30m 左右时，再布置第2根预埋竖管，依次类推，使外端抽放点的位置始终保持在10～30m范围内。为了提高抽放效果，预埋竖管的布置应防止发生堵塞现象和顶板冒落砸坏，以免影响抽放效果。抽放竖管布置方式是在其底座用三通与抽放管相联，竖管长1.4～1.5m，顶端用盖盘封闭，在顶端0.4m范围内均匀钻12～14个l0mm的小孔，并用2～3层纱窗布包好，伸入采空区顶板方向进行抽放。此外，为减少采空区漏风，提高抽放效果，在预理管外侧5m左右位置筑一道密闭(材料可采用麻袋装锯末等)，密闭宽度由实际情再定，在进风侧和回风侧同时进行。
根据研究资料表明：利用通风可解决的绝对瓦斯涌出量小于或等于15m3/min，其中采空区瓦斯涌出量约占50%。因此，采空区上隅角瓦斯抽放中尚需解决的抽放瓦斯量大于或等于3m3/min，在采空区预埋管法抽放中，瓦斯浓度应大于或等于25%，取25%计算，则抽放管中瓦斯流量应该大于或者等于12m3/min。但此种方法对于瓦斯涌出量很大时难以彻底治理。
(2)向冒落拱上方打钻孔抽放
钻孔孔底应处在初始冒落拱的上方，以捕集处于冒落带中的上部卸压层和未开采的煤层或下部卸压层向采空区涌出的瓦斯。这种抽放方式，有的可以抽出较高浓度的瓦斯，钻孔的单孔瓦斯流量可达2～4m3/min左右，可使采区瓦斯涌出量降低20%～35%。经气体测定表明，该种钻孔不仅可抽来自上部邻近层的瓦斯，亦可抽取采空区积聚的瓦斯。但高位钻场受钻机能力的限制，钻场间距往往不大，而综采面推进速度比较快，抽放管路回撤频繁，钻场有效抽放时间短，钻孔施工质量难以保证，所以一般效果比较差。
(3)在老顶岩石中打水平巷道(钻孔)抽放
当涌向采空区的瓦斯主要来自开采煤层的顶板之上，而顶板为易于破碎的岩石，从开采层往上打钻抽放有困难时，可采用从老顶岩石中打水平巷道(钻孔)抽放。
钻场布置在回风井下帮，先开150的斜巷，至风巷顶部垂距4～7m，再掘4m平巷作钻场，每个钻场打一孔4～8个，终孔点高度处于冒落拱的上方0.5～1.Om左右，钻场间距50～60m，抽放瓦斯量一般为1.27～1.87m3/min，抽放瓦斯浓度为25%～35%，工作面抽放率约20%。这种抽放方式可以取得较好的抽放效果。该方法在国内水城矿务局汪家寨、木冲沟矿和那罗寨矿都进行了试验和应用，都是有效的，但效果有差别。
(4)直接向采空区打钻抽放
这在开采急倾斜厚煤层时用的较多。可以从运输水平和或回风水平的底板岩巷或下部煤层巷道向采空区打钻。抽放钻孔时入采空区的位置以靠近回风侧、在阶段垂高的0.3m左右处为宜。
这种方法也适用于倾斜和缓倾斜煤层条件，目前不少矿井采用穿层钻孔预抽瓦斯，若工作面开采时，瓦斯涌出量仍较大，也可利明一部分钻孔作抽放采空区瓦斯之用。国内天府矿务局磨毛坡矿即采用这种方法抽放瓦斯。
(5)地面钻孔抽放
地面钻也抽放采空区瓦斯，我国阳泉四矿、包头五当沟矿等矿，均有应用。在国外的应用的多些，这种方法在前苏联的卡拉干达、库兹巴斯和顿巴斯矿区都有采用。特别是卡拉干达用的最多。每年要打130～150个垂直钻孔，其总长度达4～6万m，每年抽出的瓦斯总量为4000～5000万m3，瓦斯抽放率:在钻孔间距60～70m时为50%～70%、间距70～100m时为40～50%。
(6)抽排上隅角瓦斯
抽排上隅角瓦斯，在国内外用之甚多。“抽”是用动力设备(如风机、泵、引射器等)将积聚的瓦斯抽出去；“排”是用通风负压引排上隅角瓦斯。其布置方式与插管抽放瓦斯方法类同，向上隅角插入铁风筒或骨架风筒，该风筒一直铺设到回风巷口外的安全地点，利用风筒两端的压差连续不断地排放上隅角瓦斯。对能够调节排瓦斯风筒两端压差的场合，引排瓦斯效果较好。但风筒铺设的距离长，易于破损，管理困难，可靠性差。
4 结语
采煤工作面上隅角积聚瓦斯的治理，首先要根据工作面巷道布置情况、瓦斯涌出情况、上隅角附近支护状况等情况，因地制宜选择一种合适的方法或几种方法联合起来综合治理。同时要加强监测监控，当瓦斯浓度积聚时立即处理。
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