兗礦綜合機械化放頂工作面瓦斯綜合防治技術

兗州礦區雖然均為低瓦斯礦井，瓦斯涌出量小，投產以來沒有出現過重大瓦斯事故，但瓦斯隱患或瓦斯涌出異常現象常有出現。如掘進工作面進入第3煤層某些區域的底板砂巖石、尤其是褶曲的脊背部位，或進入較大斷層破碎帶時，瓦斯涌出量會突然加大（一般最大涌出量為0.25－0.5m³／min),并有時出現瓦斯嘶叫等動力現象；有的沿空掘進工作面與采空區之間的通風均壓被破壞，采空區瓦斯涌入掘進工作面，出現瓦斯超限現象；有的回采工作面回風隅角出現瓦斯超限現象等。由此可見，低瓦斯礦井防治瓦斯工作亦不可忽視。
綜放工作面產量高，工作面瓦斯涌出量有可能增大；另外綜放工作面采空區浮煤多，也會使采空區瓦斯涌出量增大；綜放工作面的采高大，采出空間大，采空區大面積頂板冒落有可能將采空區瓦斯突然擠到工作面；兗州礦區的綜放工作面均為無煤柱開采，工作面與采空區之間的通風均壓狀態被破壞，有可能使采空區大量瓦斯涌入工作面等。由以上存在的各種問題可以看出，綜放工作面瓦斯治理是一項十分重要的工作。
1、兗礦綜放工作面瓦斯涌出特征
我國在綜采放頂煤技術方面的研究起步較晚，對綜放工作面的瓦斯涌出規律的研究尚處于起步階段。正確認識綜放工作面的瓦斯涌出規律，是尋求合理防治措施的基礎。
1.1兗州各礦瓦斯涌出特征
1.1.1瓦斯涌出量低
兗州煤田各礦大部分煤巖層掘進巷道的瓦斯涌出量都很小，當掘進工作面風量在200m³／min左右時，煤巷掘進回風流內瓦斯濃度多在0.1%以下，瓦斯涌出量一般均小于0.3m³／min（由于瓦斯濃度往往接近或低于測量儀器的誤差，實際瓦斯量可能還要低）；巖巷掘進面回風流內，用光學瓦斯檢定器難以測出瓦斯。
到目前為止，即使在瓦斯涌出量較高的采掘工作面，在保證正常風流的狀況下，回風流尚未出現瓦斯超限的現象。
1.1.2瓦斯涌出量分布不均
瓦斯涌出相對較高的現象一般發生在受地質構造影響的某些地點，這些地點主要分布在：
（1）斷裂構造帶。應力集中，改變了煤層瓦斯存儲和排放的條件，因此可產生明顯的瓦斯富集或貧化現象。兗州礦區瓦斯涌出較大的地點多數分布在斷層附近。
（2）褶曲構造帶。兗州煤田為受侵蝕嚴重的褶曲，大部分范圍內瓦斯都易于逸散，但復式褶皺或緊密褶皺，蓋層封閉良好時，瓦斯相對富集。兗州礦區向斜軸部出現瓦斯稍大的現象，如東灘C4、C5向斜軸部，構造應力集中，裂隙發育，有瓦斯聚集。在向斜仰起端系煤層瓦斯流向處，當有條件保存時，瓦斯涌出量也較明顯。
（3）當巖巷接近煤層瓦斯富集區，巖層裂隙發育時。
（4）煤層產狀變化較大或裂隙密集處。
1.1.3煤巖內瓦斯涌出具有突發性
煤巖內瓦斯富集區的瓦斯涌出，系承壓游離瓦斯，具有突發性，但總涌出量不大。當掘進巷道接近小斷層或褶曲的裂隙密集帶時，游離瓦斯在瓦斯壓力作用下，通過裂隙迅速涌向采掘空間，形成一個瓦斯流動場。由于煤巖的滲透性和瓦斯壓力梯度不同，不同地點的瓦斯流動場差異很大，煤中大孔（＞1000A）、中孔（100－1000A）及裂隙組成了煤的滲透容積。一般這種瓦斯流動的速度與瓦斯壓力成正比，與煤巖的滲透性成反比，服從達西定律，而與采掘空間的風流狀態關系不大。當瓦斯壓力較大、流動速度較高時，可聽到裂隙內“嘶嘶”的聲音，有水時還會發出“咕咕”的聲音，有時甚至將炮眼藥卷向外推動。
研究表明，斷層帶附近沿垂直斷層的方向，瓦斯涌出量常有峰值變化，即斷層兩側一定范圍內瓦斯涌出量有低值區、高值區和正常區之別，某些巷道接近地質構造帶時瓦斯增大，進入斷層面后瓦斯涌出量反而比較小。
1.2兗州礦區綜放工作面瓦斯涌出狀況
1.2.1兗州3煤層各綜放面瓦斯涌出量均較小，絕對瓦斯涌出量從0.12m³／min到2.71m³／min，一般小于1m³／min。
1.2.2除個別綜放面外，兗州綜放面瓦斯絕對涌出量一般小于CO₂絕對涌出量。CO₂絕對涌出量為0.65－3.46 m³／min，一般為瓦斯涌出量的2－10倍。
1.2.3在正常通風條件下，綜放面工作空間瓦斯濃度很低，回風隅角是采煤工作面瓦斯濃度最高的地點。回風隅角易發生瓦斯集聚甚至超限，與其風流狀況有密切關系。回風隅角是采面后采空區平行漏風的出口，漏風中攜帶的C氏匯集于此，工作面空間的風流不直接流向隅角，而是以渦流回流的方式流入隅角。因此，采空區瓦斯是隅角瓦斯的主要來源。
2、綜放工作面瓦斯防治主要措施
2.1合理確定工作面通風系統和風量
綜放工作面的通風系統和風量的確定是工作面瓦斯治理的基礎。選定通風系統和風量時，除考慮經濟合理外，主要是考慮瓦斯治理、自然發火防治、防塵和創造良好作業環境4個方面的綜合平衡和現場條件許可。幾年來，兗礦綜放工作面通風系統在一般情況下都選擇“U”型通內，風流方向為下行（煤層傾角一般2°-7°），沿空側順槽進風、實體煤側順槽回風；移動變電站設在進風順槽，輸送機設在回風順槽；工作面風量一般為800－1200m³/min。
2.2穩定工作面風流
穩定風流的實施辦法目前主要有以下幾方面：
2.2.1定期測定工作面風量。綜放工作面風量按規定每旬至少測定1次，每次測定結果記錄在工作面進、回風順槽設置的測風牌板上。
2.2.2永久風門和對綜放工作面風量有明顯影響的臨時風門均安設風門閉鎖裝置，防止每組風門的2道門扇同時敞開。閉鎖風門如圖4－2－2所示。

2.2.3通車風門自動開關或設專人看管。目前現場使用的自動風門有撞桿式自動風門、壓氣自動風門、紅外線自動風門等幾種類型。
2.2.4礦井總回風和采區總回風系統的風門開關狀態實施地面遙訊。
2.2.5溜煤眼設有防放空漏風的裝置或措施。
2.2.6及時維修損壞風門。
2.3區域均壓
區域均壓指使某一區域范圍內通風壓力大致相等。綜放工作面區域均壓，主要是實現綜放工作面與通過后部采空區相聯通的其他采掘工作面及巷道之間的區域內均壓、綜放工作面后部采空區密閉內外均壓。綜放工作面區域均壓如圖4－2－3所示。

由圖4－2－3可以看出，調節風門以里的巖石集中巷6和邊界巖巷7與綜放工作面3之間沒有控制風流的設施，因此調整巖石集中巷6和邊界巖巷7中的風量，便可實現它們與綜放工作面3之間的通風壓力大致相等，使綜放工作面3與通過采空區相聯通的沿空掘進工作面8之間的區域實現均壓，則綜放工作面3后部采空區密閉內外實現均壓。巖石集中巷6和邊界巖巷7中風量取多少為宜，需實測確定。按充州礦區習慣，沿空掘進工作面8的局部通風機處巷道中風壓與綜放工作面回風端頭巷道風壓之差不大于20--40Pa，采空區密閉內外的風壓差亦不大于20-40Pa，即認為實現了區域均壓。
從以上均壓狀態的設立可以看出．要做好區域均壓必須做到：①保持通風系統和風量的穩定，改變通風系統或風量后，要重新測定均壓狀態；②在采空區密閉墻上安設“U”形水柱計，隨時監測采空區密閉內外風壓差，如圖4一2一4所示；③定期進行均壓狀態測定，一般每月測定1次。均壓區域涉及范圍較大時，必須繪制通風壓能圖。
2.4沿空巷道噴涂堵漏
沿空巷道噴涂堵漏是指對沿采空區邊沿掘進的巷道噴涂堵漏，目的是將采空區封閉起來，防止漏風。沿空巷道噴涂堵漏目前主要是噴射水泥砂漿，有的礦井也在試用其他噴涂材料，如噴涂聚胺脂材料。
2.5及時密閉采空區
及時密閉采空區的目的在于減少漏風。

2.6綜放工作面的瓦斯檢查目前主要是按《煤礦安全規程》和上級有關規定執行。
綜放工作面瓦斯監測目前主要有在工作面回風流安設瓦斯傳感器、工作面回風隅角懸掛瓦斯指示報警儀2種方法。瓦斯監測裝置目前只能實現超限報警和地面遙訊2種功能。
綜放工作面回風流中安設瓦斯傳感器的布置示意圖如圖4－2－5所示。

在低瓦斯礦井的回采工作面，只需安裝傳感器T1。該傳感器的瓦斯報警濃度為1% CH4，瓦斯斷電濃度為1.5%CH4，復電濃度為小于1%CH4，其斷電范圍為工作面及回風巷中全部非本質安全型電氣設備。
2.7處理綜放工作面回風隅角瓦斯超限
綜放工作面回風隅角是工作面瓦斯濃度的最離地點，并有時出現超限現象。對回風隅角瓦斯超限的處理，目前主要是針對其產生的原因，采取以降低采空區一側通風壓力為主的措施進行處理。

3、綜放工作面回風隅角瓦斯防治
3.1回風隅角瓦斯涌出來源
兗州礦區回風隅角的瓦斯來源可以分以下幾種情況（見圖4－2－6）：

3.1.1實體煤綜放面。回風隅角瓦斯主要來自本面采空區，可記為q1；
3.1.2來自進風順槽及鄰面采空區，可記為q3；
3.1.3來自回風順槽及鄰面采空區，可記為q2；
3.1.4網下（頂空）綜放面，來自上方采空區，可記為q4。
通過分析可以得知：q1的大小主要取決于煤層瓦斯含量和開采強度，在煤層瓦斯含量為定值的條件下，q1的大小主要與工作面采放煤量成正變關系；q2是通過本面采空區到達回風隅角的，q3是直接由采空區涌向回風隅角的，q2、q3的大小取決于鄰面采空區形成的時間、采空區封閉情況、風壓差等；q4由于一分層的開采，瓦斯釋放比較完全，對于低瓦斯礦。q4對綜放面影響較小。如興隆莊礦5314網下綜放面、鮑店礦1302網下綜放面開采時瓦斯含量較小，回風隅角瓦斯濃度均不超過0.5％。
3.2綜放面回風隅角瓦斯涌出影響因素
3.2.1煤層瓦斯含量
兗州礦區進行綜放開采的煤層均為二疊系山西組第3號煤層，且均為低瓦斯礦井。煤層瓦斯的含量與煤層埋藏深度和局部地質構造有關，煤層埋藏越深，瓦斯含量越高。如東灘礦、興隆莊礦、濟二礦開采范圍位于整個煤田的深部，因此瓦斯含量較高，在進行綜放開采時，如果不采取措施，綜放面回風隅角經常超限。南屯礦、鮑店礦、楊村礦煤層埋藏較淺，接近露頭，因此瓦斯含量較小，其綜放面回風隅角基本沒有超限現象。局部地質構造對瓦斯含量的影響也較大，綜放面通過斷層、摺曲等，也出現瓦斯含量增高的現象。
3.2.2風量的影響
通過在東灘礦4303綜放面、濟二礦2300綜放面的實測數據可以看出，加大風量可以減少回風隅角的瓦斯濃度，風量對回風隅角的影響見表4-2-3。

表4-2-3綜放面風量與回風隅角瓦斯濃度對照表

東灘礦4303綜放面 濟二礦2300綜放面 綜放面風量（m3/min） 回風隅角瓦斯濃度（％） 綜放面風量（m3/min） 回風隅角瓦斯濃度（％） 655 1.91 650 2.91 820 1.72 800 2.41 930 1.66 912 1.98 1050 1.59 1000 1.71 1098 1.55 1110 1.68

3.2.3本面采空區范圍的影響
隨著綜放面的推進，采空區范圍也越來越大，回風隅角的瓦斯濃度也呈上升趨勢，但當開采距開切眼60—80m以上時，綜放面回風隅角的瓦斯濃度趨于穩定。這與兗州礦區綜放面的“三帶”基本一致，綜放面采空區窒息帶的范圍大約為60一80m，采空區進入窒息帶后，“三帶”相對穩定，回風隅角的瓦斯涌出量也相對穩定。
3.2.4鄰面采空區狀況的影響
鄰面采空區狀況對綜放面回風隅角瓦斯的影響主要表現在風壓的變化對采空區漏風的影響。
3.3綜放工作面回風隅角的防治措施
3.3.1加大綜放工作面風量
以前在兗州礦區各礦有一個認識誤區，認為綜采面風量越小，對防治自然發火越有利，因此在開始推行綜放開采工藝時，把練放面風量定在650m³/min以下。經過多年的理論與實踐證明，減少風量對綜放面通風安全是相當不利的。根據兗州礦區多年來的研究與實踐，一般綜放面配風800m³／min以上，最大可配到1600m³／min。
3.3.2稀釋回風隅角瓦斯
如果回風隅角瓦斯濃度處于超限的臨界值，可以使用稀釋回風隅角瓦斯的方法，主要有導風簾、壓風稀釋等方法。
(1)導風簾一般與加大風量配合使用，其設置的長度、角度及現場維護對效果影響較大，風簾長度一般在l0m左右為宜。風簾入口可設在支架前探梁附近，但不能影響采煤機的采煤工序，出風口可設在后部輸送機頭上，以一定的角度通過支架。在濟二礦2300綜放面還使用了300和450兩道導風簾，效果更好。
(2)壓風稀釋法是把井下使用的壓風管接入綜放面回風隅角處，使用扇型卸壓裝置，能供大約10m³／min。
(3)不宜使用壓入式局部通風機稀釋綜放面回風隅角。我們在濟二礦2300面的實驗中，使用22.2kW局部通風機為回風隅角供風70
m³／min，瓦斯濃度從2%很快降到1.5%以下，但停止局部通風15－30min后，回風隅角瓦斯濃度很快上升到3.7%-4.5%。這主要是由于回風隅角使用壓入式局部通風機，提高了回風隅角的風壓，限制了采空區瓦斯的泄出，一旦局部通風機停風，高濃度的采空區瓦斯便會涌向綜放面回風隅角，這是相當危險的，一般在處理回風隅角瓦斯時不宜采用壓入式局部通風機。
3.3瓦斯排抽風機
當綜放面回風隅角的瓦斯在使用加大風量、導風簾等措施后仍超限，就應使用瓦斯抽排風機。通過在濟二礦2300綜放面回風隅角的使用，效果較好，是解決采用U型通風方式的低瓦斯礦井綜放面回風隅角瓦斯問題的有效措施。
濟二礦2300綜放面風量1200m³／min，回風隅角瓦斯濃度為1.98%，使用的瓦斯抽排風機為FSWZ一11B型礦用塑料外殼防爆電機抽出式軸流局部通風機，風機參數見表4－2－4。

風機安設在綜放面回風順槽內，距回風隅角距離要大于60m，風筒吸風口距最后一排切頂柱不得大于lm，一般應保持0.2－0.6m，距頂板不大于300mm，風機出口接壓入式風筒l0m，使用過程中根據瓦斯涌出量的大小及時移動吸風口，保證吸入的瓦斯濃度小于3％，隅角瓦斯濃度不大于1.5％，如圖4－2－7所示。
這種做法主要優點：①瓦斯涌出穩定，使用后回風隅角瓦斯濃度穩定在1％左右，保證了綜放面的安全生產；②由于為負壓抽排，風機停風后采空區瓦斯不會立即涌出，經測定，2300綜放面回風隅角抽排風機停風15-20min，回風隅角瓦斯濃度基本沒有變化。
主要缺點：風機體積大，重量大，而其有效距離為60－120m，需要經常移動風機，移動風機工作量較大。
3.4加強監測
對綜放面回風隅角瓦斯情況進行監測，也是防止出現回風隅角瓦斯事故的重要手段。采煤隊當班班組長攜帶的便攜式瓦斯報警儀，必須懸掛在回風隅角處進行連續監測；瓦斯檢查員每班2次對回風隅角的氣體情況進行檢查，必要時使用跟班瓦檢員隨時進行檢查；埋設束管，對采空區氣體進行定期抽樣分析；有的礦井還在回風隅角處安設了安全監測系統的瓦斯傳感器，對回風隅角的瓦斯濃度進行實時監測。
3.5穩定通風系統
通風系統的改變對綜放面回風隅角影響較大，尤其是沿空、孤島綜放面影響更大。因此，綜放面的通風系統必須處于穩定、可靠狀態，對有聯系的風門要全部安設風門閉鎖，嚴禁兩道風門同時打開，主要風門要安設風門遙訊；對影響通風系統的煤倉、溜煤眼要嚴禁放空，并要有防放空裝置；對鄰面及周邊采空區的氣體成分、密閉、漏風、壓力等情況要經常進行分析。
3.6其他措施
對于綜放面沿空順槽的破碎煤皮應及時進行噴漿堵漏處理；順槽頂板出現離層也要及時處理；針對采用錨網支護的順槽不易冒落的情況，可每隔60－80m在回風隅角后用砂袋或煤袋砌筑隔離墻，隔離回風隅角與大面積采空區的直接連通；順槽內廢棄硐室可在采動前用砂袋或煤袋壘實進行處理，為下一區段沿空掘進消除隱患。

4、重點采掘工作面的瓦斯防治措施
常規的瓦斯分級均從地質瓦斯的角度出發，依據瓦斯相對涌出量的大小或依據瓦斯涌出的不均衡性劃分高、低瓦斯礦井，或按區域劃分低瓦斯礦井的高瓦斯區、瓦斯涌出異常區。兗州礦區從地質瓦斯和采空區瓦斯的雙重影響出發，打破區域框框，依據其瓦斯危害程度劃分出瓦斯管理中的重點采、掘工作面，并從長期的瓦斯管理實踐和瓦斯研究中得出對于沿空掘進巷道、孤島采煤工作面或位于低風壓區的采煤工作面、初次揭露地質構造復雜區域的開拓巷道應進行重點裝備和管理。
重點采掘工作面的瓦斯防治措施是針對重點采掘面瓦斯涌出的特點，制定防治對策。它既不拘于低瓦斯礦井的管理辦法，又不套用高瓦斯礦井的管理規定。主要措施有：
4.1優化通風系統。合理調整通風系統，有關風門一律實現開關閉鎖。
4.2局部通風機供電實行“三專”（專用變壓器、專用開關、專用線路）或“雙風機、雙電源”，確保局部通風機正常運轉，“雙風機、雙電源”系統如圖4－2－8所示。
4.3嚴格瓦斯檢查。巡回檢查的瓦斯檢查員，每班對工作面風流、回風流、回風隅角進行瓦斯檢查，同時記錄工作面回風巷的瓦斯傳感器數值，發現問題立即向通風調度匯報。
4.4改變工作面通風系統，必須制定措施，報礦總工程師批準后，方可實施。
4.5局部通風機運轉狀態實現地面遙訊。
4.6局部通 風機供風實現“兩閉鎖”（風電、瓦斯電閉鎖），其中瓦斯傳感器的設置及斷電要求如圖4－2－9所示。

瓦斯報警點：T1為1％CH₄，T2為1％CH₄。瓦斯斷電點：T1為1.5% CH₄，T2為1%CH₄。斷電范圍：T1－掘進工作面全部非本質安全型電器設備；T2－掘進巷道中全部非本質安全型電器設備。復電范圍：T1<1%CH₄，T2<1%CH₄。

對于沿空掘進巷道，盡量避免將沿空掘進巷道布置在低風壓區，沿空掘進巷道還必須采取有效的堵漏措施。采用噴涂水泥砂漿堵漏時，遵守下列規定：噴涂厚度不小于50mm；單一煤層和厚煤層第一分層巷道，對其沿空的一幫及頂部靠采空區側的二分之一寬度內全部噴涂，厚煤層第二分層及以下各分層巷道，在沿空一幫和巷道頂部全部噴涂；巷幫空洞或高冒，必須充填密實或背板嚴密后方可噴涂。