胡保有

(山西蘭花沁裕煤礦有限公司，山西 晉城 048212)

引 言

近年來，隨著我國煤礦機械化水平的提高和開采工藝的發(fā)展，尤其是綜合機械化放頂煤開采技術(shù)的投入使用，革新了我國厚煤層的開采方法，實現(xiàn)了厚煤層的高產(chǎn)高效開采，但與此同時，隨著開采強度和開采規(guī)模不斷加大，開采速度也隨之加快，導致綜放工作面瓦斯涌出量大且不均衡，上隅角瓦斯?jié)舛阮l繁超限，嚴重制約著礦井的安全高效生產(chǎn)。為解決U型通風工作面上隅角及回風流中瓦斯超限問題，國內(nèi)外學者經(jīng)過不斷探索與實踐，皆取得了不錯的成果[1-5]。本文基于W1301 U型通風綜放面上隅角超限頻繁現(xiàn)象，分析了其上隅角瓦斯超限原因，并對瓦斯治理技術(shù)進行優(yōu)選，最終選取布置頂板走向高抽巷對采空區(qū)、鄰近層瓦斯進行抽采，較好地解決了工作面回采期間上隅角瓦斯超限問題，保證了工作面的安全、高效生產(chǎn)。

1 工程概況

W1301工作面為某礦的首采工作面，年產(chǎn)量3 Mt，主采3#煤層，結(jié)構(gòu)簡單，平均厚度6.2 m，屬于高瓦斯煤層。W1301工作面采用U型通風方式，綜采放頂煤開采，采高3 m，放高3.2 m，全部垮落法管理頂板，走向長2 086 m，傾向長200 m。瓦斯的基本參數(shù)如表1所示。

表1 煤層瓦斯基本參數(shù)

2 瓦斯超限原因分析

根據(jù)通風理論，在U型通風的回采工作面中，由于進、回風巷風流的壓差作用，從進風巷進入工作面的風流分為兩部分：一部分直接流入工作面，清洗工作面后匯入回風巷；另一部分會漏入采空區(qū)，漏入采空區(qū)的部分風流在工作面上部逐漸進入回采空間，最后通過在上隅角匯集后進入回風流[6]。通過對上隅角處風流分析可知，上隅角靠近采空區(qū)和巷幫側(cè)的風流流速較小，且局部區(qū)域風流處于渦流狀態(tài)，從而導致采空區(qū)涌出的高濃度瓦斯在渦流區(qū)無法進入回風流中。如果上隅角出現(xiàn)漏風現(xiàn)象，采空區(qū)瓦斯在漏風流壓差的作用下會從采空區(qū)漏風區(qū)流出積聚在上隅角處。通過現(xiàn)場觀測分析認為，這也是U型通風系統(tǒng)下W1301綜放面上隅角瓦斯時常超限的主要原因。

工作面瓦斯來源主要包括煤體賦存瓦斯釋放和采空區(qū)及鄰近層瓦斯涌出，通過現(xiàn)場觀測，除了U型通風方式造成工作面上隅角瓦斯超限外，本工作面采空區(qū)瓦斯、煤體瓦斯和鄰近層瓦斯也是造成上隅角瓦斯超限的根本原因。W1301工作面采用綜采放頂煤開采工藝，采空區(qū)內(nèi)遺煤會釋放一定量的瓦斯；煤體瓦斯是工作面回采過程中煤體受采動影響釋放部分瓦斯，W1301工作面所采3#煤層局部厚度變化較大，推進過程中遇到瓦斯異常增大，故引起工作面瓦斯?jié)舛仍龃?；受工作面采動影響，頂板覆巖內(nèi)含瓦斯煤巖層卸壓，大量瓦斯解吸，在壓力梯度的作用下涌向工作面，導致工作面瓦斯涌出量增大，這也是引起上隅角瓦斯超限的重要原因。

3 上隅角瓦斯超限治理技術(shù)分析

3.1 上隅角瓦斯超限治理技術(shù)的選擇

目前，在解決工作面瓦斯超限、上隅角瓦斯積聚方面，主要措施有改變工作面的通風系統(tǒng)、增加工作面的配風量、提升對工作面的瓦斯抽采能力等。改變工作面通風系統(tǒng)，不少高瓦斯礦井采用兩進兩回、三進一回的雙U型通風系統(tǒng)，內(nèi)、外U通風系統(tǒng)通過橫貫聯(lián)通，該系統(tǒng)可以很好地解決上隅角瓦斯超限的問題，但同時由于掘進巷道數(shù)量較多，工程量大，造成礦井的采掘接替緊張，且外聯(lián)絡(luò)巷多，增大了采空區(qū)漏風，給礦井帶來較大的通風管理壓力；增加工作面配風量在一定程度上可以稀釋工作面的瓦斯，與此同時也增大了工作面與采空區(qū)的壓力差，使得采空區(qū)瓦斯更容易涌向工作面。在采空區(qū)瓦斯抽采方面，現(xiàn)在普遍采取的抽采措施是鉆孔和高抽巷抽采。鉆孔抽采瓦斯具有施工簡單、快速抽采等特點，但其抽采效果受到諸多限制，如，抽采時間、設(shè)備等，且深部煤層透氣性差，抽采效果不理想。研究與實踐證明，在工作面頂板煤巖層中布置走向高抽巷是抽放采空區(qū)瓦斯的有效手段，并且在我國不少高瓦斯礦區(qū)得到了廣泛使用。

走向高抽巷抽放量大，抽采時間長，回采過程中抽出的瓦斯?jié)舛确€(wěn)定；隨著工作面不斷向前推進，覆巖裂隙發(fā)育程度越好，高抽巷的抽放效果也越好，對治理上隅角瓦斯超限發(fā)揮了很大作用。目前已形成“U+高抽巷”的瓦斯防控模式，其原理是受采動影響，工作面頂板覆巖原巖應(yīng)力破壞產(chǎn)生大量裂隙，為煤巖層中的卸壓瓦斯提供了積聚空間和運移通道，而高抽巷在抽采負壓的作用下通過裂隙通道抽出采空區(qū)裂隙帶內(nèi)的卸壓瓦斯，從根本上解決因采空區(qū)瓦斯涌出造成工作面上隅角瓦斯超限進而達到治理采空區(qū)瓦斯的目的。

3.2 走向高抽巷瓦斯抽采原理

煤層開采后，受采動影響，煤層頂板巖層發(fā)生彎曲下沉、變形進而形成裂隙。隨著工作面不斷向前推進，裂隙逐漸發(fā)育，采空區(qū)在垂直向上自下而上形成“三帶”分布，即，冒落帶、裂隙帶及彎曲下沉帶?！叭龓А笨蓪ㄠ徑簬r層，使得鄰近含瓦斯煤巖層卸壓，瓦斯大量解吸，增加了工作面和采空區(qū)瓦斯源。采空區(qū)可看作是多孔介質(zhì)，根據(jù)多孔介質(zhì)的特性，采空區(qū)瓦斯在漏風流的作用下帶到回風側(cè)，造成上隅角瓦斯超限。由于瓦斯密度較空氣小，受升浮作用，覆巖裂隙中將積聚大量瓦斯，從而形成瓦斯富集區(qū)。如圖1所示，正是利用瓦斯的這一特性，沿走向在工作面回風側(cè)煤層頂板覆巖內(nèi)布置高抽巷，利用采動覆巖裂隙及高抽巷作為瓦斯運移通道，在抽放負壓的作用下，鄰近層卸壓瓦斯、采空區(qū)瓦斯經(jīng)裂隙進入高抽巷被抽出，防止瓦斯涌向工作面造成上隅角瓦斯超限。因此，高抽巷對治理采空區(qū)瓦斯積聚及防止工作面上隅角瓦斯超限具有良好效果。

圖1 高抽巷抽采瓦斯示意圖

4 高抽巷位置參數(shù)確定

4.1 高抽巷層位確定

理論上講，高抽巷的布置位置應(yīng)有效攔截鄰近層瓦斯，改變采空區(qū)瓦斯流場，高效抽采采動裂隙內(nèi)的高濃度瓦斯，若布置層位較高，高抽巷所在位置裂隙發(fā)育程度較低，不能形成良好的瓦斯運移通道，瓦斯不能及時被抽出，容易造成上隅角瓦斯超限；若層位較低，受下部巖層冒落的影響，高抽巷可能被破壞，影響瓦斯抽采效果。綜合考慮工作面漏風問題，根據(jù)理論分析及工程經(jīng)驗，高抽巷應(yīng)布置在裂隙帶下部且靠近冒落帶。因此，確定冒落帶及裂隙帶的高度極為重要。

確定冒落帶和裂隙帶高度的方法有經(jīng)驗公式法、數(shù)值模擬法及現(xiàn)場觀測法等，筆者結(jié)合經(jīng)驗公式理論計算和現(xiàn)場觀測，確定了冒落帶和裂隙帶的高度[7]。

根據(jù)W1301綜放面現(xiàn)場實際情況，W1301綜放面上覆巖層為中硬巖層，采用式(1)和式(2)計算冒落帶和裂隙帶高度。

冒落帶高度：

(1)

裂隙帶高度：

(2)

式中：Hm為冒落帶高度，m；Hl為裂隙帶高度，m；M為煤層厚度，取6.2 m。

經(jīng)計算，冒落帶高度為10.7 m～15.1 m；裂隙帶高度為40.3 m～51.5 m。

為進一步確定冒落帶和裂隙帶的高度，現(xiàn)場采用仰孔分段注水技術(shù)對兩帶高度進行觀測。仰孔分段注水技術(shù)是一種通過鉆孔漏水量來判斷巖層裂隙發(fā)育程度的新型技術(shù)，其原理是向覆巖層內(nèi)施工鉆孔并進行封堵，然后以恒定壓力向鉆孔封堵段注水，通過觀測鉆孔漏水量的情況來判斷巖層的裂隙發(fā)育情況。鉆孔布置方案如圖2所示，布置3組測站，每組施工5個鉆孔，觀測不同位置的漏水量，分別得到3組的漏水情況，將觀測結(jié)果進行計算轉(zhuǎn)化，可得冒落帶和裂隙帶的最大高度分別為18 m和57 m。該結(jié)果與通過經(jīng)驗公式計算得到的高度基本吻合。根據(jù)高抽巷應(yīng)布置在裂隙帶內(nèi)且靠近冒落帶的原則，選取高抽巷距煤層頂板的垂直距離為25 m。

圖2 仰孔注水鉆孔布置方案

4.2 高抽巷距回風巷水平距離確定

高抽巷與回風巷的水平距離主要取決于煤層頂板覆巖的物理性質(zhì)、巖層冒落角等，根據(jù)采動裂隙“O”型圈理論，為降低應(yīng)力集中的影響，同時考慮巖層冒落角，高抽巷應(yīng)布置在覆巖冒落角內(nèi)的離層區(qū)[8]。高抽巷距里回風巷的水平距離L應(yīng)該滿足：

其中：H為高抽巷垂直層位高度，m；α為煤層傾角，(°)；β為冒落角，(°)；S為工作面長度，m。

根據(jù)高抽巷距煤層頂板的垂直距離為25 m，確定高抽巷距回風巷的水平距離為1 065 m，考慮到與回風巷之間的影響，確定高抽巷與回風巷的水平距離為18 m。

5 抽采效果檢驗

根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，W1301綜放面高抽巷斷面設(shè)計為矩形，其高為3 m，寬為3 m,沿工作面走向布置，距煤層頂板的垂直距離為25 m，與回風巷的水平距離為18 m。高抽巷投入使用后，根據(jù)現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)，高抽巷的平均瓦斯抽采純量為41.28 m3/min，占瓦斯涌出量的74.46%，瓦斯抽采濃度平均為9.21%，最高可達10.36%。W1301綜放面高抽巷抽采瓦斯?jié)舛群蜕嫌缃峭咚節(jié)舛茸兓€如圖3所示。可以看出，工作面回采期間上隅角瓦斯?jié)舛绕骄?.42%，最大0.54%，且高抽巷抽采瓦斯?jié)舛戎饾u增大，上隅角瓦斯?jié)舛仍诓粩嘟档?，這說明高抽巷在發(fā)揮作用，同時也證明了高抽巷可以較好地治理工作面瓦斯。

圖3 高抽巷、上隅角瓦斯?jié)舛茸兓€

6 結(jié)語

1) 在治理U型通風工作面瓦斯方面，布置頂板走向高抽巷，利用工作面采動形成的覆巖裂隙，為采空區(qū)及鄰近層的瓦斯提供運移通道，并通過抽采負壓將其抽走，可以有效防控工作面瓦斯。

2) 高抽巷抽采瓦斯需要確定合理的布置層位，采用理論計算和現(xiàn)場觀測相結(jié)合的手段，得出冒落帶最大高度為18 m，裂隙帶最大高度為57 m，并確定高抽巷距煤層頂板的垂直距離為25 m；綜合考慮巷道之間的相互影響及頂板覆巖冒落角，選取高抽巷距回風巷的水平距離為18 m。

3) 在W1301綜放面布置走向高抽巷后，工作面瓦斯治理效果明顯。回采期間，高抽巷保持較高的瓦斯抽采濃度，平均為9.21%，抽采純量占瓦斯涌出量的74.46%，且上隅角濃度平均0.42%，最大0.54%，符合《煤礦安全規(guī)程》的要求。