放顶煤工作面采空区瓦斯运移规律及其防治.doc

放顶煤工作面采空区瓦斯运移规律及其防治2007年第8期丁本礼,王宝库,楚一冰(郑州煤业集团超化矿,河南新密452385)摘要：通过对“三软”煤层放顶煤工作面瓦斯涌出情况研究分析,找出了在不同工艺下采空区及工作面顶部的瓦斯运移规律,并运用这一规律合理安排采煤作面生产工序,有效地控制工作面瓦斯超限。关键词：放顶煤工作面;采空区;瓦斯运移规律中图分类号：TD712+.5文献标识码：B文章编号：1003-496X(2007)08-0014-03Abstract:Key words:采煤工作面在回采过程中,有一部分残煤遗留在采空区的同时,大量高浓度的瓦斯由于风流不能及时将其稀释排出,这部分瓦斯随工作面生产工序的变化而改变存在状态,如果工作面工序安排不考虑采空区这部分瓦斯的变化,就会造成工作面瓦斯的突然升高,以至瓦斯浓度超限。111021A工作面概况11021A工作面是一个残采工作面,走向长378m,倾斜长94m,工作面煤层赋存比较稳定,煤层倾角519,工作面西部极少部分为复采区,剩余煤厚较薄,沿走向约6m,其余为原生煤层,厚度6m左右,工作面未见夹矸。地质构造简单,煤层整体上呈现一单斜构造形态,局部发育有一小的向斜,对回采影响不大。另外,未发现有断层出露。工作面采用走向长壁炮采放顶煤法回采,全部垮落法管理顶板。回采工艺流程为:注水打眼、装药、连线、放炮移主梁(护顶)装运煤移副梁(放顶)放顶煤移刮板运输机。工作面初次垮落步距为812m,属不稳定顶板,老顶初次来压步距20m,周期来压步距12m。工作面绝对瓦斯涌出量约2.04.5m3/min,煤尘具有爆炸危险性,爆炸指数为17.58%,煤层的自然发火等级为级,自然发火期为72 d。工作面采用U型通风方式,工作面下付巷进风、上付巷回风,工作面配风量为650710m3/min。工作面配备了瓦斯抽放系统,使用顶板岩石钻孔抽放法抽放工作面瓦斯,但由于煤质松软(f=0.25),加上放煤与落煤安排不当,抽放效果并不理想,抽放瓦斯纯流量为0.41.5m+/min之间。工作面长度为80m,考虑到工作的连续性和三班的配合问题,一班不能采通整排巷,只能上、中、下分段采煤作业,上部采煤,中、下部放顶煤,结果,采煤工作面上隅角时有瓦斯超限现象发生,造成极大的安全生产隐患。2顶板钻孔瓦斯抽放系统及瓦斯治理对于11021A工作面低瓦斯区段(设计巷口向外60m段和停采线以里110m段),采用风排瓦斯法可以解决瓦斯问题;高瓦斯区段采用顶板岩石钻孔法进行采空区瓦斯抽放。(1)抽放方法。工作面高瓦斯区段采用顶板岩石钻孔法进行采空区瓦斯抽放,即在工作面上副巷距离设计切巷口130m、200m、270m的位置做顶板岩层钻场共3个,每个钻场布置2排共6个钻孔,孔口间距0.5m,孔深9398m,前后钻场钻孔水平重叠20m以上,保证回采期间不间断抽放瓦斯。(2)钻场的选择、布置。钻场必须布置在岩性稳定的老顶岩层中,所打钻孔不准穿过煤层,以防塌孔,钻孔布置的高度以直接顶的厚度而定,根据地质剖面图,考虑抽放效果,结合22121等工作面的抽放经验,必须使各个钻孔的终孔位置在生产过程中始终位于煤层顶板老顶裂隙带内。根据现场实际条件, 11021A工作面上副巷每隔70m做抽放钻场,钻场规格为4m3m2.4m,与上副巷联巷采用2.4m2.4m木对棚支护,钻场距上副巷平距15m。(3)抽放管路。根据超化矿抽放系统现状,11021A工作面上副巷平直段采用273mm玻璃钢管,转弯采用273mm埋线管。管路的附属装置:出口安装孔板流量计,以考察单孔抽放量,最低处设放水器,泵站前设总阀门和防爆、防回火装置;泵站内干管安装孔板流计和压差计。(4)抽放泵站。2台2BEA-303型抽放泵,一备一用进行抽放,泵站管路上安装孔板流量计,瓦斯测定仪随时测定管内气体的流量和抽放压力,并备1台100%光学瓦斯检定器从排气口测定管内气体瓦斯浓度。3工作面采空区瓦斯运移规律3.1工作面瓦斯规律性涌出通过现场认真观察,发现采煤工作面在进行采煤作业时,其采空区中的瓦斯随着放煤口位置不同而不同。当工作面在上部进行放煤作业、中下部放炮落煤时,工作面及上隅角瓦斯很少超限,而且工作面上隅角瓦斯浓度不随放炮落煤位置的变化而变化;而当工作面在上部进行放炮落煤,中下部放顶煤作业时,尽管放煤口很少,只有2个,但工作面上隅角仍时有瓦斯超限现象发生,而且,放煤口距工作面上隅角越近,上隅角瓦斯浓度越高,越容易超限。不同生产工艺工作面上隅角瓦斯涌出情况见表1。这一事实说明了采煤工作面采空区的瓦斯随着工作面生产工艺的变化而变化,并且极大地影响了工作面上隅角的瓦斯涌出速度和涌出量:即在放顶煤工作面回风侧进行放煤作业时,上隅角瓦斯涌出量小,瓦斯浓度低;当在放顶煤工作面进风侧进行放煤作业时,上隅角瓦斯涌出量大,瓦斯浓度大。表1不同生产工艺工作面上隅角瓦斯涌出情况放煤口与放炮落煤地点的相对位置一次起爆炸药量/kg风量/m3min-1瓦斯浓度/%瓦斯抽放量/m3min-1风排瓦斯量/m3min-1放煤口在落煤点以上97100.10.23.824.240.711.42放煤口在落煤点以下97100.30.60.501.402.333.563.2工作面瓦斯规律涌出的原因分析放顶煤炮采工作面瓦斯规律性涌出现象,可以从采煤过程中瓦斯的产生和运动进行分析。(1)工作面回风侧放顶煤瓦斯涌出规律分析。当工作面上部放煤而下部放炮落煤时,由于工作面上部放煤,在工作面棚梁以上的煤被放出后,在原来位置形成一个通风相对良好的采空区空间,这个空间被采空区及棚梁上部残煤释放出来的瓦斯所充斥,瓦斯浓度接近100%,相当于1个高浓度瓦斯团,工作面的风流通过棚梁及荆芭的缝隙进入棚梁上部空间及采空区,高浓度的瓦斯随漏风向工作面上隅角方向移动,并逐渐被漏风所稀释,稀释后的瓦斯大部分通过顶板岩石钻孔抽出,小部分在工作面上隅角处排出,释放到工作面风流中,由于涌出的瓦斯量较小,而且比较均匀,确保了工作面上隅角的瓦斯不超限。瓦斯气体运移情况如图1所示。图1在放顶煤工作面回风侧放煤瓦斯气体运移情况(2)工作面进风侧放顶煤瓦斯涌出规律分析。当工作面下部进行放煤而中上部进行放炮落煤作业时,由于工作面上部正在进行放炮落煤,顶煤还没放出、抽放系统无法正常抽放工作面瓦斯,不能将工作面中、下部放煤时产生的大量瓦斯和采空区残煤解吸的瓦斯有效稀释,这些瓦斯就会直接向工作面风流中涌出,提高了工作面风流中的瓦斯浓度,如果不能有效地将放炮落煤产生的瓦斯稀释并带出工作面,将造成工作面风流中瓦斯超限,特别是当工作面放顶煤放到上隅位置时,因放顶煤在工作面顶部和采空区中积聚的漏风不能吹及的大量高浓度瓦斯就会突然释放到工作面风流中,往往造成工作面上隅角瓦斯超限,形成瓦斯事故。如图2所示。图2在放顶煤工作面进风侧放煤瓦斯气体运移情况4放顶煤工作面瓦斯基本防治方法(1)放净放炮地点以上至回风顺槽段的顶煤。在“三软”煤层进行放顶煤回采作业时,要采用沿工作面自上而下的放顶煤开采顺序,工作面的放炮落煤作业要尽量在工作面上部顶煤放空的情况下进行,使工作面采空区和顶部空间的瓦斯能够通过工作面顶板钻孔抽放掉,充分发挥顶板钻孔瓦斯抽放系统的作用,从而减少涌向工作面的瓦斯。为此,必面进风侧放煤瓦斯气体运移情况须放净工作面顶煤,保证工作面顶部形成漏风通道,工作面一般要采用多轮次放煤方法,方可达此目的。(2)合理调配放顶煤工作面的风量,保证工作面风排瓦斯的需要。除了工作面放净顶煤,保证抽放效果外,合理地为工作面配风,并及时地根据工作面瓦斯涌出量的大小调整工作面风量,对杜绝工作面瓦斯超限也是必须的,因为抽放系统只能解决瓦斯涌出量的30% 50%,工作面相当大一部分瓦斯要靠工作面配风排出矿井。(3)保证工作面瓦斯抽放系统的正常运行。工作面瓦斯抽放系统运行正常与否是工作面瓦斯能否有效治理的关键环节之一,只有工作面瓦斯抽放系统连续、正常运行,才能有效地降低采空区及顶部空间高浓度瓦斯向采煤工作面风流涌出的数量,从而减少风排瓦斯量,因此,必须加强抽放管路维修、维护减少管路接头漏风,及时通过放水器排出抽放管路内的积水,保证抽放管路畅通,定期检修瓦斯抽放泵,抽放泵定期除垢。(4)在工作面进行采煤作业时,要尽量打好采空区的荆芭和椽子、减少采空区漏风,进一步提高瓦斯抽放量,改善抽放效果。工作面在正常生产时,由于多轮次放煤,往往造成工作面老空区肯帮不严,支架歪扭、老空区窜矸造成支架分家,既给工作面顶板管理造成很大困难,又会增大工作面向采空区和采面顶部空间的漏风,由于工作面瓦斯抽放泵的最大抽放流量是一定的,工作面风流直接进入抽放系统,造成风流短路,导致高浓度瓦斯不能被抽放系统有效抽出,从而使抽放系统失灵。(5)根据工作面煤层瓦斯涌出量的大小合理安排放煤口的数量和放煤强度,确保煤层解吸的瓦斯量可以用风排和抽放系统解决。炮采放顶煤工作面的瓦斯来源主要是工作面放煤和放炮落煤,一次起爆炸药量一般不大于9 kg,放煤口的数量一般为35个,进入高瓦斯区时,最多不超过2个放煤口,放煤过程中,要时刻注意工作面风流及上隅角的瓦斯变化,一旦瓦斯浓度超限及时控制放煤强度,直到瓦斯涌出稳定,方可进行正常放煤作业。5放顶煤工作面采空区和顶部空间瓦斯运移规律(1)炮采放顶煤工作面瓦斯的运移和涌出是与工作面的生产工艺密切相关的,不同的生产工艺、运移方式,瓦斯的涌出量和涌出速度是不同的,生产的安全性也大不相同。在工作面回风侧的工作面顶部及采空区首先进行放煤作业,建立并保持向抽放钻孔的漏风通道,使工作面采空区及顶部瓦斯通够通过这些钻孔流向抽放系统,减少其向工作面采煤空间涌出的速度和数量,减少风排瓦斯量,从而减少工作面及上隅角瓦斯超限的概率,进而保证工作面施工安全,同时,也可以减少工作面配风,改善工作面工作条件,是工作面安全管理工作,特别是瓦斯管理工作的重要方面。(2)综采放顶煤工作面的瓦斯运移和涌出同样遵循这一规律。综采工作面采用的是高抽法,通过高抽巷抽放工作面瓦斯,高抽巷同样布置在工作面顶板煤层中,工作面在回采时,由于放煤使工作面顶部产生空间和裂隙,抽放系统利用这些空间和裂隙抽出工作面顶空间和采空区中的高浓度瓦斯,减少工作面采空区瓦斯向工作面风流中涌出,减少工作面风排瓦斯量,和炮采工作面不同的的综采工作面不是放炮落煤,而是用采煤机落煤,高抽巷取代了顶板瓦斯抽放钻孔,顶部空间直接与高抽巷相连通,利用这一规律进行采煤作业,抽放效果通过同样很好。(3)依照放顶煤工作面的瓦斯运移规律,合理安排生产工艺,是避免上隅角和工作面瓦斯超限,杜绝瓦斯事故,确保施工安全的重要途径。利用采