综采工作面上隅角瓦斯的防治

采煤工作面上隅角的风流状态是瓦斯超限的重要原因。

采煤工作面上隅角靠近煤壁和采空区一侧,风流速度很低,局部区域处于旋涡状态。这种漩涡使采空区涌出的瓦斯难以进入主风流,使高浓度瓦斯在上隅角附近循环,聚集在漩涡区,形成上隅角瓦斯超限。如果采煤工作面上隅角出现滞后回柱,除了上隅角存在涡流区外,切顶排附近还会出现微风区,采空区泄漏的瓦斯会在此积聚。

采煤工作面上隅角两帮压差是瓦斯超限的原因之一

任何一段巷道风流都有静压、潜压和动压,三者之和为总压,总压差的大小决定了风流的方向和速度。由于上隅角两侧静压和潜压相同,风流速度不同,采煤工作面风流在此处转向,导致上隅角风流速度减慢,上隅角两侧风流速度差减小,此处风流速度大大降低,上隅角不存在速度差。

上隅角瓦斯超限的防治

针对上隅角瓦斯超限的情况,有10常用的预防方法,即:①在上隅角设置临时风帘;(2)增加工作面的风量;(3)设置采空区风流;(4)局部通风机安装在采煤工作面;⑤在采煤工作面回风巷安装空气和水喷射器;⑥安装专用排气扇;⑦高位瓦斯抽放;(8)建立采煤工作面尾排系统;⑨三相泡沫上角气;⑩改变通风方式等。现在分别分析一下。

1在采煤工作面上隅角设置风帘。

当采煤工作面上隅角瓦斯超限时,在采煤工作面上隅角附近悬挂风帘,对工作面内的风流进行分流,利用风帘引导更多的风流通过上隅角,稀释高浓度瓦斯。风帘可采用软风管布,长度一般不小于10m。

某煤矿生产过程中,上隅角瓦斯异常,甲烷浓度达到2%,于是在上隅角附近增设了风帘。据现场观察,使用风帘后,上隅角甲烷浓度迅速下降到1%以下。但由于风幕的存在,采煤机割煤、上隅角附近回柱、上出口行人、物料运送都受到很大影响,经常出现风幕被破坏失去作用的现象,导致上隅角瓦斯浓度迅速上升到超限浓度以上。如此反复操作的结果,上隅角瓦斯浓度必然忽高忽低,极不稳定,形成安全生产的重大隐患。同时,风幕的存在,

所以这种方法主要用在上隅角瓦斯不大的地方,只能作为临时措施。这种方法实际上是提高采煤工作面上隅角两帮的压差,解决上隅角的涡流问题。

2.增加工作面的风量。

工作面风流对上隅角涡流区积聚的瓦斯的分散主要取决于工作面风流与上隅角瓦斯积聚区之间的空气对流和主风流的扩散。经过长期的现场观察发现,在工作面正常供风的情况下,限速风流不可能驱散上隅角涡流聚集区的高浓度瓦斯。工作面采用增加风量的方法。虽然可以增加上隅角积聚区风流与工作面主风流的对流,但随着风量的增加,负压增大,采空区内的风流速度增加,加深了采空区内的瓦斯流线,加强了风流与采空区内瓦斯的交换。如果采空区有其他漏风通道,漏风会加大。简而言之,如果工作面的风量增加,气流携带的瓦斯量就会增加。同时,风量过大有以下弊端:① (2)增加采掘工作面风流中的粉尘浓度,恶化工作面的作业环境,增加防尘难度;(3)工作面风量过大,容易使巷道内风速超过《煤矿安全规程》的规定,影响矿井质量标准化。

3.设置采空区风。

根据采煤工作面上隅角瓦斯超限的原因,如果能减少进入采空区的风量,就可以减少采空区的瓦斯涌出量,从而避免上隅角瓦斯超限。在工作面采空区一侧,沿切顶排从工作面出口至上隅角设置导风罩,可以最大限度地减少漏风进入采空区。特别是在工作面的出口处,风流在这里直接进入工作面。因此,

可以看出,这种处理方法可以从根本上减少采空区瓦斯涌出量,但由于风斗位于采空区边缘,采空区落下的矸石很容易破坏风斗,导致风斗漏风量增加;同时,由于风是随着工作面前进的,增加了工人的难度和工作量。

因此,这种方法受到很多条件的限制,应用效果并不理想。只有当采煤工作面上隅角瓦斯积聚速度不高(2 ~ 3m3/min),瓦斯浓度不太高(3%左右)时,应用效果才明显。

4安装局部通风机

工作面在距采煤工作面上隅角10 ~ 15 m处安装1台5.5kw或2×2.2kw小型局部通风机,用橡胶风管引风至回风上隅角,在采煤工作面上隅角形成正压区。通过局部通风机引入新鲜风流,稀释采煤工作面上隅角的瓦斯,使该处的瓦斯浓度降低到规定水平以下。(2)可以增加采煤工作面上隅角的风量,及时稀释此处的高浓度瓦斯;(3)由于风道体积小,占用空间小,可以大大减少工作面施工带来的影响;(4)在风机正常运行的情况下,采用这种方式排放采煤工作面上隅角瓦斯是一种安全可靠的控制工艺。

5安装风水喷射器

采煤工作面上隅角瓦斯超限时,安装风水喷射器,利用高压水和风作为动力,也可以分别利用高压水或风作为动力,形成较大的负压区。工作面的主风流会因压差而增加流经上隅角的风量,以满足风机的要求。这样,上隅角的高浓度瓦斯就会被流经此处工作面的风流稀释后进入风道,排入回风巷。这种方法有以下优点。②风量可以通过改变风压和水压来调节;(3)结构简单,安装和移动方便。但需加强管理,防止动力源(水、风)突然停止,导致采煤工作面上隅角瓦斯突然积聚。

6安装专用排气扇

(1)脉动通风技术。脉动通风技术是利用气流的紊流扩散系数与气流的脉动特性有关的理论,设计出的一套可靠、经济、合理、实用的脉动风机。通过在正常通风风流上叠加脉动风流,增加了风流的紊流扩散系数,提高了风流驱散局部积聚瓦斯的能力,从根本上解决了采煤工作面上隅角瓦斯积聚问题。

(2)GDS-1自动气体排放系统。中国煤炭科学研究总院重庆分院研制的GDS-1型瓦斯自动排放系统由无火花风机、瓦斯传感器、控制装置、风门、抽气装置和若干风道组成。主要结构如图2所示。上隅角高浓度瓦斯通过吸风装置X进入硬风管Y,两级传感器检测风门K前后两端风管内的瓦斯浓度,控制装置中的单片机根据瓦斯浓度值决定风门的开启或关闭以及开启或关闭的角度,从而改变与新风混合的风量,使排风风管内瓦斯浓度不超标。

(3)小型液压风扇。液压风扇分为监控装置和执行装置。监控装置包括控制处理器和气体传感器,执行装置包括小型液压风扇和液压动力系统。监测装置的工作原理是放置在工作面上隅角的瓦斯浓度传感器实时检测瓦斯浓度,并将检测到的瓦斯浓度信号转换成模拟电信号传输给控制处理器。中央处理器对检测到的模拟信号进行处理和判断,发出指令控制继电器的开闭,并实时控制液压风扇。当瓦斯浓度超限时,风机开始吹走上隅角积聚的瓦斯;当气体浓度下降到安全极限时,风机生动地停止运转。

(4)安装压缩空气风机以排出气体。该方法具有空气、水喷射器和气体移动泵排气的特点。沿工作面回风巷敷设刚性风管,风管的吸风口在距上隅角0.5m处,排风口安装在区域的风孔或回风巷,回风巷每隔200 ~ 300m安装一台风机,以压缩空气为动力。

(5)安装移动式排水泵,排出上隅角瓦斯。沿工作面回风巷敷设L根刚性风管,风管前方敷设1排水花管(采空区内)。排水花管长度约为15 ~ 20m,要求低负压排水。管道与回风系统的刚性风管相连,从而在转角处形成负压区,使转角处的气体可以流向排水管。

7高位瓦斯抽放

(1)布孔方法:直接在工作面回风巷布置钻场,从顶板向工作面上方破碎带钻孔,抽采上邻近层及其附近煤线瓦斯。工作面钻孔方向相反,钻孔间距为15m。每个钻孔场打三个钻孔,利用工作面前方煤体保护钻孔。工作面到位后,在回风巷安装瓦斯抽放管路。

(2)布孔参数。钻井设计基于两个原则,一是钻井的终孔层位位于破碎带的上边界,二是钻井进入卸压带的层位位于冒落带顶部,破碎带的下边界以上。根据地压理论,煤层开采后顶底板岩层是冒落的。上覆岩层下沉稳定后,上覆岩层采动裂隙带可分为“垂直三带”和“水平三带”,即矿区垂直分为三带。沿工作面推进方向,将风巷和机巷分为三个区域:煤壁支护影响区、分离区和复压区。随着工作面的不断推进,工作面推进方向的“水平三区”交替向前推进。

(3)屋面排水口的最佳位置。正常距离为垂直煤层顶板上方8 ~ 25m,(10 ~ 15m)(冒落带顶部,破碎带下部),水平距离为回风巷8 ~ 30m (8 ~ 17m)。具体矿要根据其实际情况综合确定。钻井结束。

8其他方法

(1)建立工作面尾排系统。可沿工作面回风巷(采空区)敷设非金属管道,可采用水泥。管道与回风系统相连(不与采煤工作面回风巷相连),在采煤工作面上隅角形成负压区,使采煤工作面上隅角瓦斯沿管道流向回风。

(2)采用三相泡沫挤压工作面上隅角瓦斯。采用三相泡沫技术挤压气体所占空间,降低气体浓度。三相为水、灰、氮,灰可采用黄泥、煤碳发电渣等材料,水灰比(质量比)为1: 4: 1。该方法具有处理速度快、教学效果明显的优点。

(3)改变通风方式。我国煤矿的通风方式大多采用逆风。由于采煤工作面排出的瓦斯比空气轻,其自然流向与上风方向相同。在正常风速下(大于0.5 ~ 0.8m/s),瓦斯可能分层流动,局部积聚,容易造成上隅角瓦斯积聚,下风向与瓦斯自然流动方向相反。它们容易混合,瓦斯不易分层流动,不易局部积聚,可防止上隅角瓦斯积聚。但《煤矿安全规程》第115条规定,有煤(岩)与瓦斯(二氧化碳)突出危险的采煤工作面,不允许向下通风。因此,使用向下通风时必须谨慎。

经过以上分析,结合现场实际情况,一旦采煤工作面上隅角瓦斯超限,立即在采煤工作面上隅角悬挂风帘、安装挡风板;加大工作面的进风量,加大工作面的压差,检查所有与工作面有关的密封是否有泄漏。如果漏气,要及时堵住。以上方法解决不了问题,应尽快安装专用抽风机(风水喷射器)进行疏散。

以上方法都是临时性的、急性的措施,治理上隅角瓦斯超限的主要方法应该是:高位抽放、尾部抽放、上隅角瓦斯抽放。根本方法是开采解放层,提前进行巷道抽放或预抽,使煤层瓦斯含量降至8m3/t以下,其他方法不确定,不稳定。因此,上隅角瓦斯治理要提前考虑,提前施工,早投入,早见效。