摘要：分析了采煤工作面上隅角瓦斯来源及瓦斯超限的种种原因，并提出了治理上隅角瓦斯超限的几种方法，详细介绍了各种方法的优缺点及发展方向。
关键词：工作面;上隅角;瓦斯;处理
瓦斯管理是矿井安全系统工程和“一通三防”管理中的一个重要环节，但同时也是一个薄弱环节，而防治瓦斯超限又是瓦斯管理的重点和难点。生产矿井的瓦斯超限是威胁矿井安全的主要因素，随着矿井采掘机械化程度的提高、技术的进步、生产水平的延伸和采掘强度的加大，使矿井瓦斯涌出量急骤增大、瓦斯超限现象更为频繁发生，瓦斯超限的发生地点绝大多数是在采掘工作面(占矿井瓦斯超限次数的80 以上)，其中采煤工作面的上隅角尤为突出，不但严重制约了采煤工作面的正常生产，给其安全也带来很大的不确定因素，并且也严 重威胁整个矿井安全。因此，分析采煤工作面上隅角的瓦斯来源、超限原因，找出解决问题的具体方法和措施，积极探索新的瓦斯治理技术、创新瓦斯管理方法，对煤矿安全生产有十分重要的意义。
1.上隅角瓦斯来源
上隅角瓦斯超限的原因是多方面的，就其瓦斯的来源主要有以下几个方面：① 本煤层，本煤层存在着大量的裂隙，处于开放状态，有利于瓦斯向上隅角的空间内涌出。② 邻近煤层，受采动的影响 邻近层会产生较多较大的裂隙，另外上隅角处于负压状态，瓦斯会由
邻近煤层通过裂隙向上隅角涌出。③ 采空区，现在大多数矿井采煤工作面的机风巷基本上都采用了煤巷锚杆支护，这种主动的支
护方式使得巷道上方的直接顶和老顶结合成为一个相对稳定的整体，在采煤工作面向前推进的过程中，顶板不易跨落，产生悬顶现象，使机巷的下隅角和风巷的上隅角形成了一定的空间(为上隅角的瓦 斯积聚提供了空间)，因而进一步使：机巷下隅角采空区一风巷上隅角三者构成了一个风流的通道(为采空区的瓦斯大量涌向上隅角提供了通道)，使得部分风流流向采空区，带出采空区内的大量瓦斯，为上隅角的瓦斯积聚提供了主要的瓦斯来源。
2.采煤工作面上隅角瓦斯超限的原因分析
2.1采煤工作面的通风方式
采煤工作面的通风方法有：“U”型、“Z”型、“Y”型、“W”型、“H”型等多种，但我国绝大多数采煤工作面均采用“U”型通风方式。
“U型通风条件下的采空区瓦斯流动场的规律：沿工作面推进方向，从工作面向采空区深部剖面看，采空区瓦斯呈现为一个抛物线状，从进风巷向回风巷剖面看，采空区瓦斯浓度呈现为一元一次方程直线状(在上隅角处最大)。
在“U型通风方式下。进入工作面的风流分为两部分，一部分沿工作面流动;另一部分进入采空区，在工作面风流的前半部份在采空区内部沿角度放大的方向流动;在工作面的后半部分，进入采空区的风流因回风巷负压逐渐返回工作面。若工作面后方与邻近煤层采空区
或同一煤层未隔离的巷道相通，即采空区有漏风通道，则此风流会汇入工作面漏入采空区的风流中而流向工作面。
可见，进入采空区的风流通过采空区，风流带出瓦斯，逐渐返回工作面，最后汇集于采面上隅角，所以，工作面上隅角为采空区瓦斯流入工作面的汇合处。
2.2采面上隅角的风流状态是瓦斯超限的重要原因
采面上隅角靠近煤壁和采空区侧，风流以90度角度突然调向，风流速度很低，局部处于涡流状态。这种涡流使采空区涌出的瓦斯难以进入到主风流中，从而使高浓度瓦斯在上隅角附近循环运动而聚集在涡流区中，形成了上隅角的瓦斯超限。若工作面上隅角回柱滞后，除上隅角存在的涡流区外，在靠近切顶排处会出现微风区，采空区漏出的瓦斯在此处积聚，更容易形成上隅角的瓦斯超限。
2.3 采面上隅角处两面压差大小是瓦斯超限的另一种原因
巷道风流中任一断面都具有静压、位压、动压，三种压力之和是全压，全压差的大小决定着风流的方向和速度。由于上隅角处两面的静压和位压是一样的，风流速度不一样，采煤工作面的风流到此转弯，造成上隅角处风流速度变慢，上隅角两面的风流速度差降低，此处风流速度大大减少，在上隅角处出现无速度差，甚至风流出现紊流。 3防治上隅角瓦斯超限的方法
针对上隅角瓦斯超限的情况，通常的防治方法有10种，即：①设臵上隅角临时挡风帘;②增大回采工作面风量;③设臵采空区风幛;④采煤工作面安装局部通风机;⑤采煤工作面回风巷安设风、水引射器;⑥安设专用抽排风机;⑦高位抽放瓦斯;⑧建立采煤工作面尾排系统;⑨三相泡沫挤上隅角瓦斯;⑩改变通风方式等。现分别进行分析。
3.1 设臵采面上隅角挡风帘
当采煤工作面上隅角出现瓦斯超限时，在靠近采煤工作面上隅角处挂一挡风帘，使之将工作面的风流一分为二，利用风帘引导较多的风流流经上隅角，以稀释高浓度瓦斯。风幛可采用软质风筒布制作，长度一般不小于10m。
某矿2602采面在生产过程中，出现了上隅角瓦斯异常的现象，CH4浓度达到1.8%，于是在上隅角附近加设了一道挡风帘。根据现场观测发现，采用挡风帘后，上隅角的CH4浓度很快降到1%以下;但是由于挡风帘的存在，上隅角附近支、回柱，上出口行人、运料、回料受到很大的影响，往往出现挡风帘被破坏而失去作用的现象，导致上隅角瓦斯浓度又很快升高到超限浓度以上。这样反复操作的结果，必然使上隅角瓦斯浓度忽高忽低，极不稳定，形成了安全生产的一大隐患。同时，挡风帘的存在，增大了工作面的通风阻力，使工作面的风量降低。
因此，这种方法主要是应用在上隅角瓦斯不大的地点，并且只能作为临时措施。这种方法实际上就是提高采面上隅角处两面压差，解决上隅角处涡流的问题。
3.2 增大回采工作面风量
工作面风流对上隅角涡流区积聚瓦斯的驱散，主要靠工作面风流
与上隅角瓦斯积聚区间的空气的对流和主风流的扩散作用。经过长时间的现场观察，发现在工作面正常供风的情况下，靠有限速度的风流来驱散上隅角涡流积聚区的高浓度瓦斯是不可能的。工作面采用增大风量的办法，虽然可使上隅角积聚区风流与工作面主风流的对流作用加大，但是随着风量的提高，负压增大，采空区的风流速度加大，使采空区的瓦斯流线延深，加强了风流与采空区内的瓦斯的交换。若采空区内存在其它漏风通道，则会增大此漏风量。总之，若增大采面风量。会使风流携带出的瓦斯量增大，同时，风量过大又有以下缺点：①造成邻近采掘工作面的供风量下降，影响矿井通风系统的稳定;②使采面风流中的粉尘浓度增加，恶化工作面的工作环境，增大防尘工作的难度;③工作面风量过大容易使巷道内的风速超过《煤矿安全规程》的规定，影响矿井的质量标准化达标。
3.3 设臵采空区风幛
根据采面上隅角瓦斯超限的原因可知，若能减少进入采空区的风量，则可减少采空区的瓦斯涌出量，使上隅角避免出现瓦斯超限。在工作面采空区一侧，沿切顶排从工作面一出口到上隅角设臵风幛，这样就可最大限度地减少进入采空区的漏风量。尤其是在工作面出口处，由于风流进入工作面时在此处直射采空区。所以应保证此区段的风幛封堵严密。
可见，这种处理方法可从根本上减少采空区的瓦斯涌出量，但是由于风幛位于采空区边缘，采空区落下的矸石极易将风幛破坏。造成风幛漏风增大;同时由于风幛随着工作面向前推进而逐渐前行，所以
增大了工人的操作难度和工作量。
因此这种方法受多种条件的制约，使用效果不太理想。只有当回采工作面上隅角积聚瓦斯速度不大(2～3 m3/min)和瓦斯浓度不太高(3%左右)的情况下应用效果才明显。
3.4 安设局部通风机
在工作面内，距采煤工作面上隅角10～15m的位臵，安装1台
5.5kw的小局部通风机，用胶质风筒将风引到回风上隅角，在采煤工作面上隅角位臵形成正压区，通过局扇引入新鲜风流稀释采煤工作面上隅角瓦斯，使该处瓦斯浓度降到规定以下，该局部通风机随着工作面的前移而移动。这种处理方式具有以下优点：①采煤工作面上隅角的瓦斯可尽快地进入风筒内部，排入回风巷;②可增大采煤工作面上隅角的风量，及时冲淡此处的高浓度瓦斯;③由于风筒体积小，占用空间小，可大大地减少工作面施工造成的影响;④在风机正常运转的情况下，此种方式抽排采煤工作面上隅角瓦斯是一个安全可靠的治理过程。
3.5 安设风水引射器
当采煤工作面上隅角出现瓦斯超限时，安设一台风水引射器，利用高压水、风联合作为动力，也可用高压水或风分别作为动力，形成一较大的负压区，工作面的主风流由于压差的作用会增大流经上隅角的风量，以满足风机的要求。这样，上隅角的高浓度瓦斯经流过此处的工作面风流的稀释后进入风筒内部，排入回风巷。这种方法具有以下优点：①利用高压水、风作为动力，风、水引射器本身无机械运动部件，没有产生火花的隐患;②改变风、水压即可调整风量;③结构简单，安装移动方便。但需要加强管理，防止动力源(水、风)突然停止，造成采煤工作面上隅角瓦斯突然积聚。风、水引射器在采煤工作面上隅角可采取以下几种布臵方式：①风、水引射器在采煤工作面布臵，出风口对准采煤工作面上隅角吹散瓦斯，见图1(a);②风、水引射器在采煤工作面回风巷布臵，吸风口对准采煤工作面上隅角引排瓦斯，吸风段装一段骨架风筒，排风口避开采煤工作面回风巷电器设备，见图1(b);③风、水引射器在采煤工作面回风巷布臵，出风口对准采煤工作面上隅角吹散瓦斯。
3.6 安设专用抽排风机
(1)脉动通风技术。脉动通风技术是利用风流的紊流扩散系数与风流脉动特性相关的理论，研制的一套技术可靠、经济合理且实用的脉动风机使用技术。在正常通风风流中叠加脉动风流，从而增加风流的紊流扩散系数，提高风流驱散局部积聚瓦斯的能力，从根本上解决回采工作面上隅角瓦斯积聚的问题。
(2)GDS-1型瓦斯自动排放系统。由煤科总院重庆分院研制的GDS-1型瓦斯自动排放系统，由抽出式无火花风机、瓦斯传感器、控制装臵、调节风门、吸风器和若干风筒组成。主要结构如图2所示。上隅角瓦斯高浓度瓦斯经吸风器X进入硬质风筒Y，双级传感器检测调节风门K前后端风筒内的瓦斯浓度，由控制装臵内的单片机根据瓦斯浓度值来确定调节风门开或关，以及开关角度的大小，从而改变掺入“新风”的风量，使排放瓦斯风筒内瓦斯浓度不超限。
图2 GDS-1型瓦斯自动排放系统排放上隅角积聚瓦斯示意图
(3)小型液压风扇。液压风扇分为监控装臵和执行装臵，监控装臵包括控制处理器和瓦斯传感器，执行装臵包括小型液压风扇和液压动力系统。监控装臵的工作原理，是由放臵在工作面上隅角的瓦斯浓度传感器实时检测瓦斯浓度，并将检测的瓦斯浓度信号转换为模拟电信号，传到控制处理器，经过中心处理单元对检测到的模拟信号进行处理判断，发出指令控制继电器的开启与闭合，实时控制液压风扇。当瓦斯浓度超限时，风扇启动，吹散上隅角积聚的瓦斯;待瓦斯浓度降到安全界限时，风扇即生动停止。
(4)安设压风风机抽排瓦斯。本方法具有风、水引射器与瓦斯移动泵抽放瓦斯的特点，沿工作面回风巷铺一趟刚性风筒，风筒吸口在距上隅角0.5m位臵，排风口安在风眼内或区城回风巷内，风机安装在回风巷内，每200～300 m一组，用压风作为动力。
(5)安设移动式抽放泵抽放上隅角瓦斯。沿工作面回风巷铺l趟刚性风筒，风筒前面铺1根抽放花管(采空区内)，抽放花管长度15～
20m左右，要求采用低负压抽放，该管子与回风系统的刚性风筒相连，这样在隅角处形成一个负压区，使隅角处瓦斯向抽放管子流动，最后排到采区回风巷。
3.7 高位抽放瓦斯
(1)布孔方式。在工作面回风巷内直接布臵钻场，从顶板开孔，往工作面上方裂隙带打钻孔，抽放上邻近层及其附近煤线中的瓦斯。工作面推进方向反向布臵钻孔，钻场间距15m，每个钻场打3个钻孔，利用工作面前方煤体保护钻孔，工作面回采到位时撤出。回风巷安抽放瓦斯管，抽采空区的瓦斯，在采煤工作面上隅角处形成一个负压区，使采煤工作面上隅角处瓦斯向抽放管流动。
(2)布孔参数。钻孔设计依据两个原则，一是钻孔的终孔层位位于裂隙带上部界限，二是钻孔进入卸压区的层位位于冒落带顶部、裂隙带下部界限以上。根据矿压理论，煤层开采后其顶底板岩层发生冒落移动，当上覆岩层下沉稳定后，上覆岩层采动裂隙区划可分为“竖三带”和“横三区”，即采动区沿垂直方向由下往上划分为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带;沿工作面推进方向在工作面风巷和机巷区域分为煤壁支撑影响区、离层区和重新压实区。随着工作面不断向前推进，沿工作推进方向上的“横三区”随之交替向前移动。
(3)顶板抽放口最佳位臵。法距位于垂直煤层顶板向上8～25m、(10～15m)(位于冒落带顶部，裂隙带下部)，平距位于回风巷内错8～30m(8～17m)。具体矿井，要根据其实际综合确定。其中钻孔的终孔位臵，可以利用几何知识，通过计算得到。
3.8 其他方法
(1)建立采面尾排系统。沿工作面回风巷(采空区)铺一趟非金属的管子，可以使用水泥体。该管子与回风系统相连通(不是与采煤工作面的回风巷)，在采煤工作面上隅角处形成一个负压区，使采煤工作面上隅角处瓦斯沿管子流向回风流。
(2)三相泡沫挤压工作面上隅角瓦斯。采用三相泡沫技术，用三相泡沫挤占瓦斯占据的空间来降低瓦斯浓度，三相即水、灰、氮气，灰可采用黄泥、煤碳发电的炉渣等材料，水灰比(质量比)1：4：1。该法具有处理速度快，教果明显的特点，这是发展的趋事。
(3)改变通风方式。我国煤矿的通风方式大部分采用上行风，由于采煤工作面涌出的瓦斯比空气轻，其自然流动的方向和上行风的方向一致，在正常风速(大于0.5～0.8m/s)下，瓦斯可能出现分层状流动和局部的瓦斯积存，容易造成瓦斯上隅角积聚，下行风的方向与瓦斯自然流动方向相反，二者易于混合且不易出现瓦斯层状流动和局部积存的现象，能防止上隅角瓦斯积聚，但《煤矿安全规程》第一百一十五条规定，有煤(岩)与瓦斯(二氧化碳)突出危险的采煤工作面不得采用下行通风。所以在运用下行通风时，必须慎重。
4 结语
经过以上分析，结合现场的实际情况，一旦采面上隅角出现瓦斯超限，立即在采面上隅角挂风帘、安挡风幛;增大工作面的进风量、调高工用面的压差，检查与该工作面相关的所有密闭是否漏风，若漏风及时进行封堵。上述方法不能解决问题，要尽快安设专用抽出式风
机(风、水引射器)进行抽排。
上述方法都是临时性应急的措施，治理上隅角瓦斯超限的根本方法是开采解放层，提前进行巷道抽排或预抽，使煤层瓦斯含量降到8m3/t以下，其它的方法都具有不可确定性和不稳定性;所以治理上隅角瓦斯应提前考虑、提前施工，早投入，早见效。重点要实行区域防突措施,搞好瓦斯抽放工作。
作者:何双林
