摘要：分析了采煤工作面上隅角瓦斯來(lái)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，詳細介紹了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)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工程和“一通三防”管理中的一個(gè)重要環(huán)節，但同時(shí)也是一個(gè)薄弱環(huán)節，而防治瓦斯超限又是瓦斯管理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。生產(chǎn)礦井的瓦斯超限是威脅礦井安全的主要因素，隨著(zhù)礦井采掘機械化程度的提高、技術(shù)的進(jìn)步、生產(chǎn)水平的延伸和采掘強度的加大，使礦井瓦斯涌出量急驟增大、瓦斯超限現象更為頻繁發(fā)生，瓦斯超限的發(fā)生地點(diǎn)絕大多數是在采掘工作面(占礦井瓦斯超限次數的80 以上)，其中采煤工作面的上隅角尤為突出，不但嚴重制約了采煤工作面的正常生產(chǎn)，給其安全也帶來(lái)很大的不確定因素，并且也嚴 重威脅整個(gè)礦井安全。因此，分析采煤工作面上隅角的瓦斯來(lái)源、超限原因，找出解決問(wèn)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(lái)源
上隅角瓦斯超限的原因是多方面的，就其瓦斯的來(lái)源主要有以下幾個(gè)方面：① 本煤層，本煤層存在著(zhù)大量的裂隙，處于開(kāi)放狀態(tài)，有利于瓦斯向上隅角的空間內涌出。② 鄰近煤層，受采動(dòng)的影響 鄰近層會(huì )產(chǎn)生較多較大的裂隙，另外上隅角處于負壓狀態(tài)，瓦斯會(huì )由
鄰近煤層通過(guò)裂隙向上隅角涌出。③ 采空區，現在大多數礦井采煤工作面的機風(fēng)巷基本上都采用了煤巷錨桿支護，這種主動(dòng)的支
護方式使得巷道上方的直接頂和老頂結合成為一個(gè)相對穩定的整體，在采煤工作面向前推進(jìn)的過(guò)程中，頂板不易跨落，產(chǎn)生懸頂現象，使機巷的下隅角和風(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：機巷下隅角采空區一風(fēng)巷上隅角三者構成了一個(gè)風(fēng)流的通道(為采空區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，帶出采空區內的大量瓦斯，為上隅角的瓦斯積聚提供了主要的瓦斯來(lái)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)條件下的采空區瓦斯流動(dòng)場(chǎng)的規律：沿工作面推進(jìn)方向，從工作面向采空區深部剖面看，采空區瓦斯呈現為一個(gè)拋物線(xiàn)狀，從進(jìn)風(fēng)巷向回風(fēng)巷剖面看，采空區瓦斯濃度呈現為一元一次方程直線(xiàn)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(dòng);另一部分進(jìn)入采空區，在工作面風(fēng)流的前半部份在采空區內部沿角度放大的方向流動(dòng);在工作面的后半部分，進(jìn)入采空區的風(fēng)流因回風(fēng)巷負壓逐漸返回工作面。若工作面后方與鄰近煤層采空區
或同一煤層未隔離的巷道相通，即采空區有漏風(fēng)通道，則此風(fēng)流會(huì )匯入工作面漏入采空區的風(fēng)流中而流向工作面。
可見(jiàn)，進(jìn)入采空區的風(fēng)流通過(guò)采空區，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側，風(fēng)流以90度角度突然調向，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)運動(dòng)而聚集在渦流區中，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外，在靠近切頂排處會(huì )出現微風(fēng)區，采空區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(dòng)壓，三種壓力之和是全壓，全壓差的大小決定著(zhù)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，在上隅角處出現無(wú)速度差，甚至風(fēng)流出現紊流。 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設臵上隅角臨時(shí)擋風(fēng)簾;②增大回采工作面風(fēng)量;③設臵采空區風(fēng)幛;④采煤工作面安裝局部通風(fēng)機;⑤采煤工作面回風(fēng)巷安設風(fēng)、水引射器;⑥安設專(zhuān)用抽排風(fēng)機;⑦高位抽放瓦斯;⑧建立采煤工作面尾排系統;⑨三相泡沫擠上隅角瓦斯;⑩改變通風(fēng)方式等?，F分別進(jìn)行分析。
3.1 設臵采面上隅角擋風(fēng)簾
當采煤工作面上隅角出現瓦斯超限時(shí)，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(cháng)度一般不小于10m。
某礦2602采面在生產(chǎn)過(guò)程中，出現了上隅角瓦斯異常的現象，CH4濃度達到1.8%，于是在上隅角附近加設了一道擋風(fēng)簾。根據現場(chǎng)觀(guān)測發(fā)現，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、運料、回料受到很大的影響，往往出現擋風(fēng)簾被破壞而失去作用的現象，導致上隅角瓦斯濃度又很快升高到超限濃度以上。這樣反復操作的結果，必然使上隅角瓦斯濃度忽高忽低，極不穩定，形成了安全生產(chǎn)的一大隱患。同時(shí)，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，這種方法主要是應用在上隅角瓦斯不大的地點(diǎn)，并且只能作為臨時(shí)措施。這種方法實(shí)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(wèn)題。
3.2 增大回采工作面風(fēng)量
工作面風(fēng)流對上隅角渦流區積聚瓦斯的驅散，主要靠工作面風(fēng)流
與上隅角瓦斯積聚區間的空氣的對流和主風(fēng)流的擴散作用。經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的現場(chǎng)觀(guān)察，發(fā)現在工作面正常供風(fēng)的情況下，靠有限速度的風(fēng)流來(lái)驅散上隅角渦流積聚區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風(fēng)流與工作面主風(fēng)流的對流作用加大，但是隨著(zhù)風(fēng)量的提高，負壓增大，采空區的風(fēng)流速度加大，使采空區的瓦斯流線(xiàn)延深，加強了風(fēng)流與采空區內的瓦斯的交換。若采空區內存在其它漏風(fēng)通道，則會(huì )增大此漏風(fēng)量?？傊?，若增大采面風(fēng)量。會(huì )使風(fēng)流攜帶出的瓦斯量增大，同時(shí)，風(fēng)量過(guò)大又有以下缺點(diǎn)：①造成鄰近采掘工作面的供風(fēng)量下降，影響礦井通風(fēng)系統的穩定;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(guò)大容易使巷道內的風(fēng)速超過(guò)《煤礦安全規程》的規定，影響礦井的質(zhì)量標準化達標。
3.3 設臵采空區風(fēng)幛
根據采面上隅角瓦斯超限的原因可知，若能減少進(jìn)入采空區的風(fēng)量，則可減少采空區的瓦斯涌出量，使上隅角避免出現瓦斯超限。在工作面采空區一側，沿切頂排從工作面一出口到上隅角設臵風(fēng)幛，這樣就可最大限度地減少進(jìn)入采空區的漏風(fēng)量。尤其是在工作面出口處，由于風(fēng)流進(jìn)入工作面時(shí)在此處直射采空區。所以應保證此區段的風(fēng)幛封堵嚴密。
可見(jiàn)，這種處理方法可從根本上減少采空區的瓦斯涌出量，但是由于風(fēng)幛位于采空區邊緣，采空區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(shí)由于風(fēng)幛隨著(zhù)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。只有當回采工作面上隅角積聚瓦斯速度不大(2～3 m3/min)和瓦斯濃度不太高(3%左右)的情況下應用效果才明顯。
3.4 安設局部通風(fēng)機
在工作面內，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，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，通過(guò)局扇引入新鮮風(fēng)流稀釋采煤工作面上隅角瓦斯，使該處瓦斯濃度降到規定以下，該局部通風(fēng)機隨著(zhù)工作面的前移而移動(dòng)。這種處理方式具有以下優(yōu)點(diǎn)：①采煤工作面上隅角的瓦斯可盡快地進(jìn)入風(fēng)筒內部，排入回風(fēng)巷;②可增大采煤工作面上隅角的風(fēng)量，及時(shí)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)機正常運轉的情況下，此種方式抽排采煤工作面上隅角瓦斯是一個(gè)安全可靠的治理過(guò)程。
3.5 安設風(fēng)水引射器
當采煤工作面上隅角出現瓦斯超限時(shí)，安設一臺風(fēng)水引射器，利用高壓水、風(fēng)聯(lián)合作為動(dòng)力，也可用高壓水或風(fēng)分別作為動(dòng)力，形成一較大的負壓區，工作面的主風(fēng)流由于壓差的作用會(huì )增大流經(jīng)上隅角的風(fēng)量，以滿(mǎn)足風(fēng)機的要求。這樣，上隅角的高濃度瓦斯經(jīng)流過(guò)此處的工作面風(fēng)流的稀釋后進(jìn)入風(fēng)筒內部，排入回風(fēng)巷。這種方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：①利用高壓水、風(fēng)作為動(dòng)力，風(fēng)、水引射器本身無(wú)機械運動(dòng)部件，沒(méi)有產(chǎn)生火花的隱患;②改變風(fēng)、水壓即可調整風(fēng)量;③結構簡(jiǎn)單，安裝移動(dòng)方便。但需要加強管理，防止動(dòng)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)口對準采煤工作面上隅角吹散瓦斯，見(jiàn)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(kāi)采煤工作面回風(fēng)巷電器設備，見(jiàn)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)口對準采煤工作面上隅角吹散瓦斯。
3.6 安設專(zhuān)用抽排風(fēng)機
(1)脈動(dòng)通風(fēng)技術(shù)。脈動(dòng)通風(fēng)技術(shù)是利用風(fēng)流的紊流擴散系數與風(fēng)流脈動(dòng)特性相關(guān)的理論，研制的一套技術(shù)可靠、經(jīng)濟合理且實(shí)用的脈動(dòng)風(fēng)機使用技術(shù)。在正常通風(fēng)風(fēng)流中疊加脈動(dòng)風(fēng)流，從而增加風(fēng)流的紊流擴散系數，提高風(fēng)流驅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(wèn)題。
(2)GDS-1型瓦斯自動(dòng)排放系統。由煤科總院重慶分院研制的GDS-1型瓦斯自動(dòng)排放系統，由抽出式無(wú)火花風(fēng)機、瓦斯傳感器、控制裝臵、調節風(fēng)門(mén)、吸風(fēng)器和若干風(fēng)筒組成。主要結構如圖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，雙級傳感器檢測調節風(fēng)門(mén)K前后端風(fēng)筒內的瓦斯濃度，由控制裝臵內的單片機根據瓦斯濃度值來(lái)確定調節風(fēng)門(mén)開(kāi)或關(guān)，以及開(kāi)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)筒內瓦斯濃度不超限。
圖2 GDS-1型瓦斯自動(dòng)排放系統排放上隅角積聚瓦斯示意圖
(3)小型液壓風(fēng)扇。液壓風(fēng)扇分為監控裝臵和執行裝臵，監控裝臵包括控制處理器和瓦斯傳感器，執行裝臵包括小型液壓風(fēng)扇和液壓動(dòng)力系統。監控裝臵的工作原理，是由放臵在工作面上隅角的瓦斯濃度傳感器實(shí)時(shí)檢測瓦斯濃度，并將檢測的瓦斯濃度信號轉換為模擬電信號，傳到控制處理器，經(jīng)過(guò)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(kāi)啟與閉合，實(shí)時(shí)控制液壓風(fēng)扇。當瓦斯濃度超限時(shí)，風(fēng)扇啟動(dòng)，吹散上隅角積聚的瓦斯;待瓦斯濃度降到安全界限時(shí)，風(fēng)扇即生動(dòng)停止。
(4)安設壓風(fēng)風(fēng)機抽排瓦斯。本方法具有風(fēng)、水引射器與瓦斯移動(dòng)泵抽放瓦斯的特點(diǎn)，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)眼內或區城回風(fēng)巷內，風(fēng)機安裝在回風(fēng)巷內，每200～300 m一組，用壓風(fēng)作為動(dòng)力。
(5)安設移動(dòng)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(采空區內)，抽放花管長(cháng)度15～
20m左右，要求采用低負壓抽放，該管子與回風(fēng)系統的剛性風(fēng)筒相連，這樣在隅角處形成一個(gè)負壓區，使隅角處瓦斯向抽放管子流動(dòng)，最后排到采區回風(fēng)巷。
3.7 高位抽放瓦斯
(1)布孔方式。在工作面回風(fēng)巷內直接布臵鉆場(chǎng)，從頂板開(kāi)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(xiàn)中的瓦斯。工作面推進(jìn)方向反向布臵鉆孔，鉆場(chǎng)間距15m，每個(gè)鉆場(chǎng)打3個(gè)鉆孔，利用工作面前方煤體保護鉆孔，工作面回采到位時(shí)撤出?；仫L(fēng)巷安抽放瓦斯管，抽采空區的瓦斯，在采煤工作面上隅角處形成一個(gè)負壓區，使采煤工作面上隅角處瓦斯向抽放管流動(dòng)。
(2)布孔參數。鉆孔設計依據兩個(gè)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)入卸壓區的層位位于冒落帶頂部、裂隙帶下部界限以上。根據礦壓理論，煤層開(kāi)采后其頂底板巖層發(fā)生冒落移動(dòng)，當上覆巖層下沉穩定后，上覆巖層采動(dòng)裂隙區劃可分為“豎三帶”和“橫三區”，即采動(dòng)區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)巷和機巷區域分為煤壁支撐影響區、離層區和重新壓實(shí)區。隨著(zhù)工作面不斷向前推進(jìn)，沿工作推進(jìn)方向上的“橫三區”隨之交替向前移動(dòng)。
(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)巷內錯8～30m(8～17m)。具體礦井，要根據其實(shí)際綜合確定。其中鉆孔的終孔位臵，可以利用幾何知識，通過(guò)計算得到。
3.8 其他方法
(1)建立采面尾排系統。沿工作面回風(fēng)巷(采空區)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(gè)負壓區，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的空間來(lái)降低瓦斯濃度，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(diǎn)，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(dòng)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，瓦斯可能出現分層狀流動(dòng)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(dòng)方向相反，二者易于混合且不易出現瓦斯層狀流動(dòng)和局部積存的現象，能防止上隅角瓦斯積聚，但《煤礦安全規程》第一百一十五條規定，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)。所以在運用下行通風(fēng)時(shí)，必須慎重。
4 結語(yǔ)
經(jīng)過(guò)以上分析，結合現場(chǎng)的實(shí)際情況，一旦采面上隅角出現瓦斯超限，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(shí)進(jìn)行封堵。上述方法不能解決問(wèn)題，要盡快安設專(zhuān)用抽出式風(fēng)
機(風(fēng)、水引射器)進(jìn)行抽排。
上述方法都是臨時(shí)性應急的措施，治理上隅角瓦斯超限的根本方法是開(kāi)采解放層，提前進(jìn)行巷道抽排或預抽，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定性;所以治理上隅角瓦斯應提前考慮、提前施工，早投入，早見(jiàn)效。重點(diǎn)要實(shí)行區域防突措施,搞好瓦斯抽放工作。
作者:何雙林
