焦振華，林衛(wèi)國(guó)，黃洪濤，郭克寶，袁秋鵬

(1.安徽理工大學(xué) 省部共建深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；2.濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)有限公司金源煤礦，山東 濟(jì)寧 272000)

隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采深度和開(kāi)采強(qiáng)度的增加，采掘部署趨于復(fù)雜化，采空區(qū)面積逐年增大，瓦斯涌出量急劇增加，瓦斯防治形勢(shì)嚴(yán)峻[1-3]。瓦斯災(zāi)害種類繁多，除典型的瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出、中毒窒息等災(zāi)害事故外，還能夠與采空區(qū)頂板垮落運(yùn)動(dòng)、沖擊地壓和采空區(qū)自然發(fā)火等其他類型的災(zāi)害相互作用，形成更加復(fù)雜、嚴(yán)重的復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害[4]，嚴(yán)重威脅礦井安全高效生產(chǎn)。

圍繞煤層瓦斯參數(shù)測(cè)定、瓦斯涌出量預(yù)測(cè)、瓦斯抽采與利用、瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控等方面開(kāi)展了大量有益的研究[5-8]，為有效防治瓦斯災(zāi)害提供了理論與技術(shù)支撐。針對(duì)特厚煤層，近距離煤層群，松軟煤層，地質(zhì)構(gòu)造區(qū)等高瓦斯地質(zhì)開(kāi)采條件，進(jìn)行了瓦斯綜合治理技術(shù)探索實(shí)踐[9-11]。金源礦3下煤層煤類為1/3焦煤，具有低硫、低灰、高發(fā)熱量，是優(yōu)質(zhì)的煤炭資源。金源煤礦歷年瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果雖為(低)瓦斯礦井，然而，局部地段受地質(zhì)構(gòu)造和采空區(qū)影響出現(xiàn)瓦斯涌出異常情況，且同時(shí)有沖擊地壓和煤層自然危險(xiǎn)。目前，對(duì)于低瓦斯沿采空區(qū)回采工作面瓦斯治理研究比較有限。因此，本文以金源礦23下27工作面為工程背景，結(jié)合工作面實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件、覆巖裂隙分布規(guī)律、掘進(jìn)期間瓦斯涌出規(guī)律，對(duì)采空區(qū)瓦斯富集區(qū)進(jìn)行劃分，提出工作面分區(qū)瓦斯治理措施，經(jīng)濟(jì)、有效的解決瓦斯隱患，以期為類似條件工作面瓦斯治理提供參考借鑒。

1 工作面概況

金源礦位于山東省濟(jì)寧市微山縣境內(nèi)，礦井采用立井單水平上下山開(kāi)拓，現(xiàn)生產(chǎn)水平-560m水平。23下27工作面位于其二采區(qū)，東臨23下21采空區(qū)，西鄰DF32、F34及F34-2斷層，南臨1-2鉆孔，北鄰西翼軌道大巷，23下27工作面布置如圖1所示。

圖1 23下27工作面布置

23下27工作面受斷層影響為不規(guī)則工作面，工作面長(zhǎng)度約50～78.2m，平均64.1m。煤層底板標(biāo)高-541～-388m，底板平均標(biāo)高-464.5m。工作面煤層總體為一單斜構(gòu)造，呈南高北低，西高東低。工作面煤層賦存條件較穩(wěn)定，煤層傾角4°～15°，平均9.5°，煤層厚度均厚2.5m，為綜采一次采全高工作面。3下煤層直接頂板為灰色細(xì)粒砂巖、粉砂巖、泥巖。底板以泥巖、粉砂巖為主，局部為炭質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖。3下煤沖擊傾向性屬于II類，為弱沖擊傾向性煤層。

經(jīng)測(cè)定3下煤層瓦斯含量為1.90～2.47m3/t，瓦斯壓力為0.16～0.23MPa。煤塵有爆炸性危險(xiǎn)，爆炸性指數(shù)37.49%。煤層自燃傾向等級(jí)數(shù)Ⅱ類(自燃)，最短自燃發(fā)火期為53d。瓦斯相對(duì)涌出量為3.17m3/t，絕對(duì)涌出量為3.41m3/min，工作面回采期間計(jì)劃風(fēng)量為600m3/min。

2 工作面回采期間瓦斯來(lái)源分析

23下27回風(fēng)巷為沿空掘進(jìn)工作面，與23下21采空區(qū)預(yù)留煤柱寬度僅為6m，且存在防沖鉆孔與采空區(qū)溝通。23下21采空區(qū)瓦斯平均濃度在10%以上。23下27回風(fēng)巷掘進(jìn)期間回風(fēng)流瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.3%～0.5%，掘進(jìn)期間局部位置曾發(fā)生瓦斯超限現(xiàn)象。

23下27工作面位于23下21采空區(qū)西側(cè)，且相對(duì)位置較高。23下27工作面俯采、下行通風(fēng)等條件均不利于瓦斯防治?；夭善陂g存在受采動(dòng)影響導(dǎo)致23下21采空區(qū)與23下27采空區(qū)溝通，23下21采空區(qū)瓦斯涌入23下27工作面造成工作面瓦斯超限的可能。此外，23下27工作面有沖擊地壓危險(xiǎn)，沖擊地壓顯現(xiàn)可誘發(fā)大量高濃度瓦斯瞬間涌入工作面及其他地點(diǎn)，造成瓦斯事故。因此必要對(duì)23下27工作面回采期間瓦斯運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)瓦斯治理方案，以確保工作面安全回采。

3 工作面瓦斯運(yùn)移規(guī)律分析

3.1 采空區(qū)瓦斯富集規(guī)律

以往研究表明[12-14]：采動(dòng)裂隙帶是瓦斯流動(dòng)和儲(chǔ)集的主要通道和空間。根據(jù)3下煤層地質(zhì)條件，冒落帶和裂隙帶高度可分別按下式計(jì)算[15]：

式中，∑M為累計(jì)采厚，m；Hm為冒落帶高度，m；Hl為裂隙帶高度，m。

經(jīng)計(jì)算：3下煤層開(kāi)采后冒落帶高度Hm=5.9～10.3m；裂隙帶高度Hl=27.3～38.5m。

23下21采空區(qū)與23下27工作面之間區(qū)段煤柱的塑性區(qū)大小按下式計(jì)算：

式中，M為煤層的厚度，取平均值2.8m；δ為側(cè)壓系數(shù)，δ=μ/(1-μ)，泊松比μ=0.18，δ=0.22；c0為煤層界面間的黏結(jié)力，一般取1.2MPa；ψ0為煤體的內(nèi)摩擦角，取20°；pZ為煤幫受到的平均支護(hù)阻力，取值范圍為0～1MPa，一般近似0.25MPa；K為煤體應(yīng)力集中系數(shù)，平均取1.8；γ為覆巖平均容重，25kN/m3；H為巷道埋深，H=500m。

估算得到研究區(qū)域煤柱塑性區(qū)ρ≈2.5m，考慮變形和片幫等效應(yīng)，區(qū)段煤柱(煤柱寬度為6m)近似為塑性狀態(tài)：煤柱破壞和裂隙發(fā)育明顯，能夠形成瓦斯運(yùn)移與溝通的通道。由此可以得出，23下21采空區(qū)與23下27工作面形成瓦斯溝通有：區(qū)段窄煤柱發(fā)生塑形變形，形成側(cè)向瓦斯溝通通道；頂板結(jié)構(gòu)破壞和側(cè)向老頂斷裂，形成頂部瓦斯溝通通道。23下21采空區(qū)瓦斯主要富集在裂隙帶，受到煤層傾角變化影響，“兩帶”偏向23下27回風(fēng)巷一側(cè)，如圖2所示。

圖2 23下21采空區(qū)兩帶特征與瓦斯富集

3.2 采空區(qū)瓦斯富集區(qū)劃分

23下21采空區(qū)底板等高線具有“北低、南高”的基本特征，高差約150m。在23下21切眼和回風(fēng)巷(近區(qū)段煤柱一側(cè))之間存在“三角”區(qū)域。此外，北側(cè)采空區(qū)寬度較小，南側(cè)采空區(qū)寬度相對(duì)較大，兩方面共同造成了局部“三角”區(qū)域瓦斯轉(zhuǎn)移(由低向高)和富集(淺部尖角區(qū)域)。

23下27回風(fēng)巷掘進(jìn)至23下21切眼前后170m范圍內(nèi)瓦斯涌出量偏高，掘進(jìn)至23下21切眼后施工瓦斯監(jiān)測(cè)孔實(shí)測(cè)采空區(qū)瓦斯?jié)舛葹?2.86%，約為采空區(qū)平均瓦斯?jié)舛鹊?倍，驗(yàn)證了采空區(qū)瓦斯富集區(qū)的存在。結(jié)合掘進(jìn)期間瓦斯涌出規(guī)律，將采空區(qū)瓦斯富集程度劃分為三個(gè)區(qū)域，如圖3所示。

圖3 23下21采空區(qū)瓦斯運(yùn)移富集情況

由圖3可知：第Ⅰ階段為實(shí)體煤區(qū)(240m)，從23下27工作面切眼到距離23下21采空區(qū)60m左右；第Ⅱ階段為采空區(qū)瓦斯富集區(qū)(280m)，推采到23下21工作面、23下27工作面兩個(gè)工作面“見(jiàn)方”的位置；第Ⅲ階段為采空區(qū)瓦斯不富集區(qū)(370m)，推采過(guò)23下27工作面剩余區(qū)域。

不同區(qū)域分別采取針對(duì)性防治瓦斯措施，對(duì)于實(shí)體煤區(qū)和采空區(qū)瓦斯不富集區(qū)，主要采用“風(fēng)排”瓦斯的方式，并鋪設(shè)一路抽排管路備用，以下著重介紹采空區(qū)瓦斯富集區(qū)瓦斯治理措施。

4 采空區(qū)瓦斯富集區(qū)治理

4.1 封堵漏風(fēng)通道

為控制采空區(qū)由于漏風(fēng)導(dǎo)致大量瓦斯涌出，分別在進(jìn)、回風(fēng)隅角設(shè)置擋風(fēng)障。風(fēng)障長(zhǎng)度為10m，與頂?shù)装?、煤幫接?yán)實(shí)，減少向采空區(qū)漏風(fēng)，同時(shí)有利于防止煤層自然發(fā)火。

使用LFM輕型噴涂材料噴涂在23下27回風(fēng)巷靠近采空區(qū)一側(cè)巷幫、頂板噴涂。LFM輕型噴涂材料具有快速、高膨脹率，且有一定強(qiáng)度不易破裂等性能。在采空區(qū)瓦斯富集區(qū)域采取集中噴涂方式，用于防止采空區(qū)瓦斯受氣流擾動(dòng)等因素影響導(dǎo)致采空區(qū)瓦斯外溢。另外，對(duì)煤幫發(fā)現(xiàn)防沖鉆孔及時(shí)封堵。

4.2 回風(fēng)隅角埋管抽放

采用回風(fēng)隅角埋管方式，間歇性抽排回風(fēng)隅角內(nèi)范圍內(nèi)瓦斯，形成負(fù)壓區(qū)，改變回風(fēng)隅角的風(fēng)流場(chǎng)，從而排除回風(fēng)隅角的積聚瓦斯，同時(shí)監(jiān)測(cè)CO濃度，防止采空區(qū)自然發(fā)火。

具體實(shí)施為：沿23下27工作面的回風(fēng)巷的埋設(shè)兩趟D200mm防爆瓦斯抽放管，距底板距離約0.5m，兩趟管路交替使用。在每趟管路安設(shè)三通，三通上方安設(shè)1m的立管(花管)，立管離地板不少于1.5m，并打麻花眼，以加大抽放量和擴(kuò)大流場(chǎng)范圍，提高抽放效果?；ü茼敳坑眉?xì)絲網(wǎng)包裹，防止落煤將吸入口堵塞，周圍用木垛保護(hù)，防止花管被壓裂和堵塞，影響抽放效果，如圖4所示。

圖4 上隅角埋管抽放瓦斯(mm)

當(dāng)一趟管路的立管進(jìn)入切頂線時(shí)開(kāi)啟本路抽放，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，花管逐步進(jìn)入采空區(qū)深部時(shí)停止本管路抽放，如此循環(huán)。在實(shí)際操作中，以3個(gè)循環(huán)作為考察對(duì)象，統(tǒng)計(jì)分析抽排效果與花管離切頂線距離關(guān)系，按照實(shí)踐結(jié)果及時(shí)調(diào)整花管與切頂線的距離，改變抽放步距。工作面推進(jìn)54m后，對(duì)回風(fēng)隅角及切頂線以內(nèi)1.5m位置的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖5所示。

圖5 瓦斯?jié)舛扰c抽放花管位置關(guān)系

由圖5可知：花管離切頂線的距離基本上在3～9m之間時(shí)，回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛鹊陀?.20%，此時(shí)切頂線以內(nèi)1.5m處的瓦斯基本在0.50%以下，隨著花管的深入，隅角及切頂線以內(nèi)的瓦斯逐步上升，從安全角度考慮，應(yīng)確認(rèn)花管的有效抽放范圍是深入切頂線3～9m比較合適。因此交替抽放布局設(shè)置為3～9m。瓦斯抽放泵流量實(shí)際測(cè)定為31～35m3/min，抽放管內(nèi)瓦斯?jié)舛绕骄鶠?.2%，抽放量平均為0.42m3/min。

4.3 采空區(qū)高位鉆孔抽放

采用高位鉆孔對(duì)采空區(qū)富集瓦斯進(jìn)行抽放，在回風(fēng)巷向煤層頂板施工鉆孔，終孔位置設(shè)計(jì)層位為離煤層頂板15m的位置。設(shè)計(jì)3個(gè)鉆孔，其中靠近23下21采空區(qū)一側(cè)布置，用以攔截23下21采空區(qū)瓦斯向23下27采空區(qū)涌出，并同時(shí)抽放23下27采空區(qū)瓦斯。其中，3號(hào)高位孔偏上隅角10m，向工作面方向，設(shè)計(jì)目的為了擴(kuò)大隅角區(qū)域的抽放范圍，該區(qū)域瓦斯流場(chǎng)對(duì)隅角瓦斯影響較大，高位鉆孔布置如圖6所示，具體設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖6 高位鉆孔布置方式

表1 高位鉆孔參數(shù)表

當(dāng)高位鉆孔的終孔的位置距離(平距)工作面煤壁20m時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行抽放，工作面繼續(xù)推進(jìn)至離下一個(gè)鉆場(chǎng)54m時(shí)，停止前一個(gè)鉆場(chǎng)的抽放，進(jìn)行下一個(gè)鉆場(chǎng)的抽放，以此類推。抽采鉆孔直徑75mm，全長(zhǎng)下抽采2寸PVC阻燃防靜電防爆管，管前端為篩管(1～2m)，前端封好防止堵孔。鉆孔聚氨酯封孔大于5m。

5 現(xiàn)場(chǎng)治理效果

23下27工作面未采取分區(qū)瓦斯治理措施前，23下27回風(fēng)巷掘進(jìn)期間回風(fēng)流瓦斯?jié)舛燃s0.5%，局部最大瓦斯?jié)舛冗_(dá)到5.3%，嚴(yán)重影響掘進(jìn)生產(chǎn)。對(duì)采空區(qū)瓦斯富集區(qū)實(shí)施分區(qū)瓦斯綜合措施后，對(duì)23下27工作面推過(guò)23下21采空區(qū)切眼位置90m的瓦斯數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，瓦斯?jié)舛茸兓€如圖7所示。

圖7 瓦斯?jié)舛茸兓€

由圖7可知，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)反映出回風(fēng)隅角平均濃度為0.19%，回風(fēng)巷瓦斯平均濃度為0.11%，工作面回采過(guò)程中，瓦斯未出現(xiàn)超限現(xiàn)象，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.06%～0.12%之間，回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.14%～0.22%之間，沒(méi)有出現(xiàn)上升趨勢(shì)，瓦斯得到有效控制，實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)，杜絕了瓦斯超限對(duì)安全、生產(chǎn)的影響，提高了回采效率。

6 結(jié) 論

1)對(duì)23下27工作面回采過(guò)程瓦斯來(lái)源進(jìn)行了分析，相鄰23下21采空區(qū)平均濃度在10%以上，俯采、下行通風(fēng)等條件均不利于瓦斯防治。

2)分析23下27回采過(guò)程中采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律，結(jié)合掘進(jìn)期間瓦斯涌出規(guī)律，將采空區(qū)瓦斯富集程度劃分為三個(gè)區(qū)域，實(shí)體煤區(qū)，采空區(qū)瓦斯富集區(qū)，采空區(qū)瓦斯不富集區(qū)，不同區(qū)域分別采取針對(duì)性防治瓦斯措施。

3)針對(duì)采空區(qū)瓦斯富集區(qū)，采用噴堵瓦斯涌出通道、上隅角抽放、采空區(qū)高位鉆孔抽放瓦斯措施后，工作面回采期間，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.06%～0.12%之間，回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.14%～0.22%之間，瓦斯未出現(xiàn)超限現(xiàn)象，經(jīng)濟(jì)、有效的解決了瓦斯隱患。