摘要：分析了采煤工作面上隅角瓦斯來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)缺點及發(fā)展方向。
關鍵詞：工作面;上隅角;瓦斯;處理
瓦斯管理是礦井安全系統(tǒng)工程和“一通三防”管理中的一個重要環(huán)節(jié)，但同時也是一個薄弱環(huán)節(jié)，而防治瓦斯超限又是瓦斯管理的重點和難點。生產礦井的瓦斯超限是威脅礦井安全的主要因素，隨著礦井采掘機械化程度的提高、技術的進步、生產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(xiàn)象更為頻繁發(fā)生，瓦斯超限的發(fā)生地點絕大多數(shù)是在采掘工作面(占礦井瓦斯超限次數(shù)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，給其安全也帶來很大的不確定因素，并且也嚴 重威脅整個礦井安全。因此，分析采煤工作面上隅角的瓦斯來源、超限原因，找出解決問題的具體方法和措施，積極探索新的瓦斯治理技術、創(chuàng)新瓦斯管理方法，對煤礦安全生產有十分重要的意義。
1.上隅角瓦斯來源
上隅角瓦斯超限的原因是多方面的，就其瓦斯的來源主要有以下幾個方面：① 本煤層，本煤層存在著大量的裂隙，處于開放狀態(tài)，有利于瓦斯向上隅角的空間內涌出。② 鄰近煤層，受采動的影響 鄰近層會產生較多較大的裂隙，另外上隅角處于負壓狀態(tài)，瓦斯會由
鄰近煤層通過裂隙向上隅角涌出。③ 采空區(qū)，現(xiàn)在大多數(shù)礦井采煤工作面的機風巷基本上都采用了煤巷錨桿支護，這種主動的支
護方式使得巷道上方的直接頂和老頂結合成為一個相對穩(wěn)定的整體，在采煤工作面向前推進的過程中，頂板不易跨落，產生懸頂現(xiàn)象，使機巷的下隅角和風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)，因而進一步使：機巷下隅角采空區(qū)一風巷上隅角三者構成了一個風流的通道(為采空區(qū)的瓦斯大量涌向上隅角提供了通道)，使得部分風流流向采空區(qū)，帶出采空區(qū)內的大量瓦斯，為上隅角的瓦斯積聚提供了主要的瓦斯來源。
2.采煤工作面上隅角瓦斯超限的原因分析
2.1采煤工作面的通風方式
采煤工作面的通風方法有：“U”型、“Z”型、“Y”型、“W”型、“H”型等多種，但我國絕大多數(shù)采煤工作面均采用“U”型通風方式。
“U型通風條件下的采空區(qū)瓦斯流動場的規(guī)律：沿工作面推進方向，從工作面向采空區(qū)深部剖面看，采空區(qū)瓦斯呈現(xiàn)為一個拋物線狀，從進風巷向回風巷剖面看，采空區(qū)瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)為一元一次方程直線狀(在上隅角處最大)。
在“U型通風方式下。進入工作面的風流分為兩部分，一部分沿工作面流動;另一部分進入采空區(qū)，在工作面風流的前半部份在采空區(qū)內部沿角度放大的方向流動;在工作面的后半部分，進入采空區(qū)的風流因回風巷負壓逐漸返回工作面。若工作面后方與鄰近煤層采空區(qū)
或同一煤層未隔離的巷道相通，即采空區(qū)有漏風通道，則此風流會匯入工作面漏入采空區(qū)的風流中而流向工作面。
可見，進入采空區(qū)的風流通過采空區(qū)，風流帶出瓦斯，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(qū)瓦斯流入工作面的匯合處。
2.2采面上隅角的風流狀態(tài)是瓦斯超限的重要原因
采面上隅角靠近煤壁和采空區(qū)側，風流以90度角度突然調向，風流速度很低，局部處于渦流狀態(tài)。這種渦流使采空區(qū)涌出的瓦斯難以進入到主風流中，從而使高濃度瓦斯在上隅角附近循環(huán)運動而聚集在渦流區(qū)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(qū)外，在靠近切頂排處會出現(xiàn)微風區(qū)，采空區(qū)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
巷道風流中任一斷面都具有靜壓、位壓、動壓，三種壓力之和是全壓，全壓差的大小決定著風流的方向和速度。由于上隅角處兩面的靜壓和位壓是一樣的，風流速度不一樣，采煤工作面的風流到此轉彎，造成上隅角處風流速度變慢，上隅角兩面的風流速度差降低，此處風流速度大大減少，在上隅角處出現(xiàn)無速度差，甚至風流出現(xiàn)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設臵上隅角臨時擋風簾;②增大回采工作面風量;③設臵采空區(qū)風幛;④采煤工作面安裝局部通風機;⑤采煤工作面回風巷安設風、水引射器;⑥安設專用抽排風機;⑦高位抽放瓦斯;⑧建立采煤工作面尾排系統(tǒng);⑨三相泡沫擠上隅角瓦斯;⑩改變通風方式等?，F(xiàn)分別進行分析。
3.1 設臵采面上隅角擋風簾
當采煤工作面上隅角出現(xiàn)瓦斯超限時，在靠近采煤工作面上隅角處掛一擋風簾，使之將工作面的風流一分為二，利用風簾引導較多的風流流經上隅角，以稀釋高濃度瓦斯。風幛可采用軟質風筒布制作，長度一般不小于10m。
某礦2602采面在生產過程中，出現(xiàn)了上隅角瓦斯異常的現(xiàn)象，CH4濃度達到1.8%，于是在上隅角附近加設了一道擋風簾。根據現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，采用擋風簾后，上隅角的CH4濃度很快降到1%以下;但是由于擋風簾的存在，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(xiàn)擋風簾被破壞而失去作用的現(xiàn)象，導致上隅角瓦斯?jié)舛扔趾芸焐叩匠逎舛纫陨?。這樣反復操作的結果，必然使上隅角瓦斯?jié)舛群龈吆龅?，極不穩(wěn)定，形成了安全生產的一大隱患。同時，擋風簾的存在，增大了工作面的通風阻力，使工作面的風量降低。
因此，這種方法主要是應用在上隅角瓦斯不大的地點，并且只能作為臨時措施。這種方法實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題。
3.2 增大回采工作面風量
工作面風流對上隅角渦流區(qū)積聚瓦斯的驅散，主要靠工作面風流
與上隅角瓦斯積聚區(qū)間的空氣的對流和主風流的擴散作用。經過長時間的現(xiàn)場觀察，發(fā)現(xiàn)在工作面正常供風的情況下，靠有限速度的風流來驅散上隅角渦流積聚區(qū)的高濃度瓦斯是不可能的。工作面采用增大風量的辦法，雖然可使上隅角積聚區(qū)風流與工作面主風流的對流作用加大，但是隨著風量的提高，負壓增大，采空區(qū)的風流速度加大，使采空區(qū)的瓦斯流線延深，加強了風流與采空區(qū)內的瓦斯的交換。若采空區(qū)內存在其它漏風通道，則會增大此漏風量?？傊?，若增大采面風量。會使風流攜帶出的瓦斯量增大，同時，風量過大又有以下缺點：①造成鄰近采掘工作面的供風量下降，影響礦井通風系統(tǒng)的穩(wěn)定;②使采面風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工作面風量過大容易使巷道內的風速超過《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定，影響礦井的質量標準化達標。
3.3 設臵采空區(qū)風幛
根據采面上隅角瓦斯超限的原因可知，若能減少進入采空區(qū)的風量，則可減少采空區(qū)的瓦斯涌出量，使上隅角避免出現(xiàn)瓦斯超限。在工作面采空區(qū)一側，沿切頂排從工作面一出口到上隅角設臵風幛，這樣就可最大限度地減少進入采空區(qū)的漏風量。尤其是在工作面出口處，由于風流進入工作面時在此處直射采空區(qū)。所以應保證此區(qū)段的風幛封堵嚴密。
可見，這種處理方法可從根本上減少采空區(qū)的瓦斯涌出量，但是由于風幛位于采空區(qū)邊緣，采空區(qū)落下的矸石極易將風幛破壞。造成風幛漏風增大;同時由于風幛隨著工作面向前推進而逐漸前行，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?jié)舛炔惶?3%左右)的情況下應用效果才明顯。
3.4 安設局部通風機
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的小局部通風機，用膠質風筒將風引到回風上隅角，在采煤工作面上隅角位臵形成正壓區(qū)，通過局扇引入新鮮風流稀釋采煤工作面上隅角瓦斯，使該處瓦斯?jié)舛冉档揭?guī)定以下，該局部通風機隨著工作面的前移而移動。這種處理方式具有以下優(yōu)點：①采煤工作面上隅角的瓦斯可盡快地進入風筒內部，排入回風巷;②可增大采煤工作面上隅角的風量，及時沖淡此處的高濃度瓦斯;③由于風筒體積小，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安全可靠的治理過程。
3.5 安設風水引射器
當采煤工作面上隅角出現(xiàn)瓦斯超限時，安設一臺風水引射器，利用高壓水、風聯(lián)合作為動力，也可用高壓水或風分別作為動力，形成一較大的負壓區(qū)，工作面的主風流由于壓差的作用會增大流經上隅角的風量，以滿足風機的要求。這樣，上隅角的高濃度瓦斯經流過此處的工作面風流的稀釋后進入風筒內部，排入回風巷。這種方法具有以下優(yōu)點：①利用高壓水、風作為動力，風、水引射器本身無機械運動部件，沒有產生火花的隱患;②改變風、水壓即可調整風量;③結構簡單，安裝移動方便。但需要加強管理，防止動力源(水、風)突然停止，造成采煤工作面上隅角瓦斯突然積聚。風、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、水引射器在采煤工作面布臵，出風口對準采煤工作面上隅角吹散瓦斯，見圖1(a);②風、水引射器在采煤工作面回風巷布臵，吸風口對準采煤工作面上隅角引排瓦斯，吸風段裝一段骨架風筒，排風口避開采煤工作面回風巷電器設備，見圖1(b);③風、水引射器在采煤工作面回風巷布臵，出風口對準采煤工作面上隅角吹散瓦斯。
3.6 安設專用抽排風機
(1)脈動通風技術。脈動通風技術是利用風流的紊流擴散系數(shù)與風流脈動特性相關的理論，研制的一套技術可靠、經濟合理且實用的脈動風機使用技術。在正常通風風流中疊加脈動風流，從而增加風流的紊流擴散系數(shù)，提高風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題。
(2)GDS-1型瓦斯自動排放系統(tǒng)。由煤科總院重慶分院研制的GDS-1型瓦斯自動排放系統(tǒng)，由抽出式無火花風機、瓦斯傳感器、控制裝臵、調節(jié)風門、吸風器和若干風筒組成。主要結構如圖2所示。上隅角瓦斯高濃度瓦斯經吸風器X進入硬質風筒Y，雙級傳感器檢測調節(jié)風門K前后端風筒內的瓦斯?jié)舛龋煽刂蒲b臵內的單片機根據瓦斯?jié)舛戎祦泶_定調節(jié)風門開或關，以及開關角度的大小，從而改變摻入“新風”的風量，使排放瓦斯風筒內瓦斯?jié)舛炔怀蕖?/p>
圖2 GDS-1型瓦斯自動排放系統(tǒng)排放上隅角積聚瓦斯示意圖
(3)小型液壓風扇。液壓風扇分為監(jiān)控裝臵和執(zhí)行裝臵，監(jiān)控裝臵包括控制處理器和瓦斯傳感器，執(zhí)行裝臵包括小型液壓風扇和液壓動力系統(tǒng)。監(jiān)控裝臵的工作原理，是由放臵在工作面上隅角的瓦斯?jié)舛葌鞲衅鲗崟r檢測瓦斯?jié)舛?，并將檢測的瓦斯?jié)舛刃盘栟D換為模擬電信號，傳到控制處理器，經過中心處理單元對檢測到的模擬信號進行處理判斷，發(fā)出指令控制繼電器的開啟與閉合，實時控制液壓風扇。當瓦斯?jié)舛瘸迺r，風扇啟動，吹散上隅角積聚的瓦斯;待瓦斯?jié)舛冉档桨踩缦迺r，風扇即生動停止。
(4)安設壓風風機抽排瓦斯。本方法具有風、水引射器與瓦斯移動泵抽放瓦斯的特點，沿工作面回風巷鋪一趟剛性風筒，風筒吸口在距上隅角0.5m位臵，排風口安在風眼內或區(qū)城回風巷內，風機安裝在回風巷內，每200～300 m一組，用壓風作為動力。
(5)安設移動式抽放泵抽放上隅角瓦斯。沿工作面回風巷鋪l趟剛性風筒，風筒前面鋪1根抽放花管(采空區(qū)內)，抽放花管長度15～
20m左右，要求采用低負壓抽放，該管子與回風系統(tǒng)的剛性風筒相連，這樣在隅角處形成一個負壓區(qū)，使隅角處瓦斯向抽放管子流動，最后排到采區(qū)回風巷。
3.7 高位抽放瓦斯
(1)布孔方式。在工作面回風巷內直接布臵鉆場，從頂板開孔，往工作面上方裂隙帶打鉆孔，抽放上鄰近層及其附近煤線中的瓦斯。工作面推進方向反向布臵鉆孔，鉆場間距15m，每個鉆場打3個鉆孔，利用工作面前方煤體保護鉆孔，工作面回采到位時撤出。回風巷安抽放瓦斯管，抽采空區(qū)的瓦斯，在采煤工作面上隅角處形成一個負壓區(qū)，使采煤工作面上隅角處瓦斯向抽放管流動。
(2)布孔參數(shù)。鉆孔設計依據兩個原則，一是鉆孔的終孔層位位于裂隙帶上部界限，二是鉆孔進入卸壓區(qū)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，煤層開采后其頂?shù)装鍘r層發(fā)生冒落移動，當上覆巖層下沉穩(wěn)定后，上覆巖層采動裂隙區(qū)劃可分為“豎三帶”和“橫三區(qū)”，即采動區(qū)沿垂直方向由下往上劃分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶;沿工作面推進方向在工作面風巷和機巷區(qū)域分為煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)和重新壓實區(qū)。隨著工作面不斷向前推進，沿工作推進方向上的“橫三區(qū)”隨之交替向前移動。
(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)，平距位于回風巷內錯8～30m(8～17m)。具體礦井，要根據其實際綜合確定。其中鉆孔的終孔位臵，可以利用幾何知識，通過計算得到。
3.8 其他方法
(1)建立采面尾排系統(tǒng)。沿工作面回風巷(采空區(qū))鋪一趟非金屬的管子，可以使用水泥體。該管子與回風系統(tǒng)相連通(不是與采煤工作面的回風巷)，在采煤工作面上隅角處形成一個負壓區(qū)，使采煤工作面上隅角處瓦斯沿管子流向回風流。
(2)三相泡沫擠壓工作面上隅角瓦斯。采用三相泡沫技術，用三相泡沫擠占瓦斯占據的空間來降低瓦斯?jié)舛?，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(質量比)1：4：1。該法具有處理速度快，教果明顯的特點，這是發(fā)展的趨事。
(3)改變通風方式。我國煤礦的通風方式大部分采用上行風，由于采煤工作面涌出的瓦斯比空氣輕，其自然流動的方向和上行風的方向一致，在正常風速(大于0.5～0.8m/s)下，瓦斯可能出現(xiàn)分層狀流動和局部的瓦斯積存，容易造成瓦斯上隅角積聚，下行風的方向與瓦斯自然流動方向相反，二者易于混合且不易出現(xiàn)瓦斯層狀流動和局部積存的現(xiàn)象，能防止上隅角瓦斯積聚，但《煤礦安全規(guī)程》第一百一十五條規(guī)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。所以在運用下行通風時，必須慎重。
4 結語
經過以上分析，結合現(xiàn)場的實際情況，一旦采面上隅角出現(xiàn)瓦斯超限，立即在采面上隅角掛風簾、安擋風幛;增大工作面的進風量、調高工用面的壓差，檢查與該工作面相關的所有密閉是否漏風，若漏風及時進行封堵。上述方法不能解決問題，要盡快安設專用抽出式風
機(風、水引射器)進行抽排。
上述方法都是臨時性應急的措施，治理上隅角瓦斯超限的根本方法是開采解放層，提前進行巷道抽排或預抽，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(wěn)定性;所以治理上隅角瓦斯應提前考慮、提前施工，早投入，早見效。重點要實行區(qū)域防突措施,搞好瓦斯抽放工作。
作者:何雙林
