郭艷飛，李學(xué)臣，郝 殿

(焦作煤業(yè)(集團)有限責(zé)任公司 科學(xué)技術(shù)研究所，河南 焦作 454002)

近年來，礦井煤與瓦斯突出事故逐步減少，但瓦斯積聚、瓦斯超限等問題仍然未得到有效解決，隨著綜合機械化開采、放頂煤開采等高強度開采工藝的逐步推廣，即使高突礦井實現(xiàn)了采前的抽采達標，但回采工作面瓦斯涌出仍然會在一定程度上制約產(chǎn)能的提高和效率的提升[1，2]。在采空區(qū)漏風(fēng)等多重因素共同作用下，工作面上隅角附近采空區(qū)頂板裂隙中往往聚集大量的高濃度瓦斯，并極易涌入工作面造成上隅角瓦斯超限，迫使工作面停產(chǎn)，甚至可能釀成瓦斯爆炸等安全事故[3-5]。

焦作礦區(qū)作為嚴重的煤與瓦斯突出礦區(qū)之一，近年來形成了以底板巖巷穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯的區(qū)域瓦斯治理技術(shù)模式，瓦斯綜合治理工作取得了較為顯著的進步[6]，使得綜采放頂煤開采工藝得以推廣應(yīng)用。工作面高位抽采也在礦區(qū)各礦井不斷實踐，采空區(qū)瓦斯治理逐步由回風(fēng)巷常規(guī)高位孔(短孔)技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)轫敯甯呶幌铩⒍ㄏ蚋呶豢壮椴蒣7，8]。古漢山礦1604工作面是焦煤公司歷史上第一個真正意義的突出煤層綜合機械化放頂煤開采工作面，為了提高煤炭資源回收率、緩解工作面采掘銜接問題，工作面采用了無煤柱沿空留巷技術(shù)和“Y”型通風(fēng)方式，采空區(qū)瓦斯運移、高位抽采規(guī)律較以往均發(fā)生了一定變化[9-12]?；诖?，開展沿空留巷模式下綜放工作面采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律研究，分析高位巷瓦斯抽采特征及影響因素，指導(dǎo)礦井采取針對性措施，對加強采空區(qū)瓦斯治理有著重要意義。

1 試驗區(qū)概況

古漢山礦1604工作面位于16采區(qū)西翼，北部為16021工作面(已回采)，南部為1606工作面(未回采)，西部為界碑斷層保護煤柱，東部為16西翼回風(fēng)下山保護煤柱。工作面走向長度978～1010m，平均傾向長度152m，煤層賦存整體穩(wěn)定，平均厚度5.5m，平均傾角14°。工作面最大原煤瓦斯含量為28.04m3/t，瓦斯壓力1.11MPa，采取施工穿層鉆孔結(jié)合水力沖孔強化抽采治理，實現(xiàn)穿層鉆孔對回采區(qū)域的全掩護，累計抽出瓦斯量為3927.2萬m3，實測煤層殘余瓦斯含量最大值為5.84m3/t，計算殘余瓦斯壓力0.27MPa。工作面采取走向長壁綜采放頂煤工藝回采，利用頂板高位巷進行采空區(qū)瓦斯治理。

1604工作面煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度4.7m、老頂為細粒砂巖，厚度7.6m；工作面煤層直接底為炭質(zhì)泥巖，厚度0.46m；老底為泥巖，厚度3.3m。結(jié)合煤系地層綜合柱狀圖，工作面頂板覆巖屬中硬類型。按照綜放開采工作面“兩帶”高度預(yù)計公式[13]計算垮落帶高度為20.50～29.92m，裂隙帶高度為54.70～77.68m(按照平均采煤厚度為5.5m計算)。結(jié)合相鄰工作面高位鉆孔抽采情況，1604工作面高位抽采巷布置于裂隙帶下部，距煤層頂板垂直距離約24m，與1604回風(fēng)巷平距約18m，設(shè)計長度876.3m，采用錨網(wǎng)噴支護，半圓拱形斷面，巷寬B=4.2m，巷高H=3.6m，斷面面積S=13.71m2。

2 采空區(qū)瓦斯運移特征

2.1 工作面漏風(fēng)規(guī)律

1604工作面正常推進至1606工作面切眼(已掘進成巷)位置后，采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)保留運輸巷，作為1606工作面回風(fēng)巷。運輸巷新鮮風(fēng)流在工作面切眼下部分流，一部分通過工作面切眼及回風(fēng)巷回至16輔助回風(fēng)巷，另一部分通過1606切眼、通風(fēng)立眼及1606底抽巷回至16總回風(fēng)巷。由于采空區(qū)并非密閉、實體空間，受采動影響存在大量孔、裂隙[14]，為風(fēng)流流動提供了良好的通道，采空區(qū)與采煤工作面、進風(fēng)巷和回風(fēng)巷部分或全部相鄰，不可避免地存在漏風(fēng)[9，15]。特別是沿空留巷工藝的應(yīng)用，使得采空區(qū)全部暴露在留巷巷道側(cè)，形成一種完全開放狀態(tài)[16-20]。在運輸巷沿空留巷初期，對工作面進、回風(fēng)路線進行風(fēng)量測定，考察工作面漏風(fēng)規(guī)律。工作面風(fēng)流方向及風(fēng)量測定結(jié)果如圖1所示。

圖1 工作面風(fēng)流方向及風(fēng)量測定結(jié)果(m3/min)

由圖1可見，兩條線路回風(fēng)量以及高位巷抽采量三者相加結(jié)果，與工作面進風(fēng)量基本平衡，表明此次測定結(jié)果較為準確。沿空留巷段分風(fēng)量約占進風(fēng)量的1/3，且沿程風(fēng)量逐漸降低，至1606切眼通風(fēng)立眼，累計減少風(fēng)量約100m3/min。而工作面切眼風(fēng)量自下而上波動較大，整體呈“W”分布。在切眼下部，風(fēng)流自工作面漏入采空區(qū)，并在切眼中部恢復(fù)至初始分風(fēng)量；在切眼上部高位巷附近再次下降，并在上隅角位置附近有所增大，但整體漏風(fēng)量約150m3/min。對比工作面切眼及留巷段風(fēng)量變化，分析認為風(fēng)流自切眼分風(fēng)后，在留巷段沿巷道上幫漏入采空區(qū)，并由切眼中上部自采空區(qū)涌入工作面；高位巷大流量抽采形成了第三條回風(fēng)線路，在一定程度上改變了采空區(qū)風(fēng)流流動方向；工作面上隅角附近仍為采空區(qū)風(fēng)流涌出主要位置。

2.2 采空區(qū)瓦斯運移特征

為進一步驗證工作面漏風(fēng)規(guī)律，考察采空區(qū)瓦斯涌出特征，工作面檢修期間，分別在運輸巷沿空留巷外段巷道上幫及工作面切眼下部煤壁釋放SF6示蹤氣體，并在氣體釋放30min后，沿工作面切眼自下而上測定風(fēng)流瓦斯?jié)舛燃癝F6濃度等級。SF6示蹤氣體釋放點和檢測點分布如圖2所示，并根據(jù)測定結(jié)果繪制分布云圖，如圖3所示。

圖2 SF6示蹤氣體釋放點和檢測點分布

圖3 切眼風(fēng)流瓦斯?jié)舛燃癝F6濃度等級分布云圖

由圖3可見，在沿空留巷外段釋放SF6氣體后，在工作面切眼不同位置風(fēng)流中，均不同程度檢測到SF6氣體，即沿空留巷段風(fēng)流漏風(fēng)自工作面不同位置處均有涌出，但在15架、65架及85架以上位置涌出量相對較大。在切眼下部煤壁釋放SF6氣體，在切眼風(fēng)流的帶動下逐步擴散，沿傾向，自下而上測定濃度等級呈現(xiàn)降低趨勢，但在回風(fēng)巷端口位置附近快速升高；沿走向，整體呈現(xiàn)靠近煤壁側(cè)濃度等級高于采空區(qū)側(cè)，且工作面下部采空區(qū)側(cè)高于工作面上部，特別是55架及85架以上位置，測定濃度等級較低。對比兩次測定結(jié)果，切眼風(fēng)流在工作面下部呈現(xiàn)向采空區(qū)涌出，在工作面上部則由采空區(qū)向工作面涌出，留巷段漏風(fēng)風(fēng)流則通過采空區(qū)主要由工作面上部涌出。

與之相對應(yīng)的，工作面切眼風(fēng)流瓦斯?jié)舛确植既缦拢涸趦A向自下而上逐漸增大的同時，在走向上自采空區(qū)至工作面煤壁呈現(xiàn)逐漸變小趨勢，即工作面風(fēng)流瓦斯除去煤壁自然解吸釋放外，還包含采空區(qū)涌出較高濃度瓦斯，且該部分瓦斯為工作面瓦斯涌出主要來源，特別是上隅角附近瓦斯?jié)舛认鄬^高。分別測定檢修及生產(chǎn)期間巷道不同位置處風(fēng)流風(fēng)量及瓦斯?jié)舛扔嬎阃咚褂砍隽俊z修期間工作面涌出量為0.54m3/min、采空區(qū)瓦斯涌出量為1.65m3/min；生產(chǎn)期間工作面涌出量為1.45m3/min、采空區(qū)瓦斯涌出量為1.85m3/min(架后放煤增大采空區(qū)瓦斯涌出)。采空區(qū)瓦斯涌出分別占工作面檢修、生產(chǎn)期間總瓦斯涌出量的75%、56%，在漏風(fēng)風(fēng)流作用下，采空區(qū)瓦斯涌出為工作面瓦斯涌出主要來源。特別是沿空留巷段漏風(fēng)風(fēng)流加大了采空區(qū)瓦斯涌出量及涌出范圍，進一步增大了采空區(qū)瓦斯治理難度[10]。

3 高位巷抽采特征及影響因素

3.1 高位巷整體抽采特征

自2019年4月至2020年8月1604工作面回采期間，累計產(chǎn)量154.91萬t，平均月產(chǎn)量9.11萬t，最高月產(chǎn)量12.68萬t。工作面回風(fēng)巷監(jiān)測監(jiān)控濃度(T2)日平均值0.01%～0.41%，平均0.26%，計算風(fēng)排瓦斯量0.11～4.32m3/min，平均2.75m3/min。高位巷累計抽采瓦斯256.27萬m3，抽采濃度2.49%～27.18%，平均10.08%；抽采負壓1～36.24kPa，平均8.24kPa；抽采流量3.11～72.20m3/min，平均38.53m3/min；抽采純量0.18～6.40m3/min，平均3.63m3/min，占工作面總瓦斯涌出量的57.07%。較高的高位抽采純量在一定程度上減少了采空區(qū)瓦斯積聚，削弱了工作面漏風(fēng)瓦斯涌出，避免了上隅角瓦斯積聚和異常涌出現(xiàn)象，使得礦井實現(xiàn)了突出煤層消突后一次性全煤層安全開采。但高位巷在整個抽采期內(nèi)整體呈現(xiàn)大流量、低濃度抽采狀態(tài)，繪制高位巷抽采瓦斯?jié)舛日龖B(tài)分布曲線，如圖4所示。

圖4 高位巷日平均抽采濃度分布

由圖4可見，在1604回采期間(共488d)，高位巷瓦斯抽采濃度主要集中在5.75%～14.04%之間(抽采濃度區(qū)間出現(xiàn)頻次大于10次的范圍)，共計出現(xiàn)頻次為371次，占比達76.02%；高位巷抽采濃度大于10%(直接用于發(fā)電的瓦斯抽采利用濃度下限)頻次為205次，占比達42.01%。1604高位巷抽采管路直接并入礦井中央風(fēng)井，同其他工作面穿層鉆孔高濃度瓦斯混合后進行發(fā)電，基本實現(xiàn)了采空區(qū)瓦斯抽采完全利用，為礦井貢獻了較為可觀的瓦斯抽采發(fā)電量。但其主要濃度分布區(qū)間處于瓦斯爆炸極限范圍內(nèi)，盡管回采期間未發(fā)生異常，但高位巷抽采所存在的安全隱患及弊端顯現(xiàn)較為突出。

3.2 高位抽采影響因素分析

高位巷布置于采空區(qū)裂隙帶下部，與頂板裂隙發(fā)育集中區(qū)導(dǎo)通，通過抽采負壓和瓦斯流場共同作用，將采空區(qū)瓦斯源源不斷地導(dǎo)流至抽采管網(wǎng)的同時，也為采空區(qū)漏風(fēng)提供了流動通道。工作面漏風(fēng)一方面增加了工作面瓦斯涌出，對回采造成一定影響，另一方面在一定程度上稀釋了采空區(qū)瓦斯，降低高位抽采濃度。高位巷抽采流量、濃度、純量隨時間變化曲線如圖5所示。由圖5可見，除回采末期(2018年7月份以后)因礦井采取控制措施降低抽采流量導(dǎo)致抽采濃度、純量均呈現(xiàn)下降趨勢外，其余時間段內(nèi)，高位巷抽采流量與濃度基本呈現(xiàn)負相關(guān)變化，即隨著流量的增加，抽采瓦斯?jié)舛瘸氏陆第厔?，但抽采純量基本維持在相對穩(wěn)定水平。

圖5 高位巷抽采參數(shù)隨時間變化曲線

2019年12月—2020年3月期間，工作面頂板裂隙水與高位巷導(dǎo)通造成抽采斷面阻塞，導(dǎo)致抽采阻力增大、流量大幅下降，平均為23.99m3/min，而抽采瓦斯?jié)舛茸畲筮_到27.18%，平均15.73%。相較于其他時間段抽采流量平均為45.07m3/min，對應(yīng)抽采瓦斯?jié)舛绕骄?.73%，即在抽采流量下降約46.77%的情況下，抽采濃度提高了約1.8倍。1604工作面高位巷抽采流量與濃度、純量相對關(guān)系如圖6所示。

圖6 高位巷抽采流量與濃度、純量相對關(guān)系

由圖6可見，隨著高位巷抽采流量增大，抽采濃度持續(xù)下降，抽采純量卻提高有限。當抽采流量在20～25m3/min時，抽采濃度整體較高，平均達到16.76%。因此，采取高位巷進行工作面采空區(qū)治理過程中，應(yīng)合理控制抽采流量，實現(xiàn)抽采效率和效果最大化。同時，礦井應(yīng)積極采取噴漿等措施有效減少沿空留巷段漏風(fēng)，在提高高位抽采效果的同時，有效降低采空區(qū)瓦斯涌出。

5 結(jié) 論

1)采取風(fēng)量測定法及示蹤氣體法相結(jié)合的手段，分析了古漢山礦1604工作面采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律。工作面采取“Y”型通風(fēng)方式后，運輸巷沿空留巷段漏風(fēng)加劇了采空區(qū)瓦斯向工作面涌出，采空區(qū)瓦斯涌出分別占工作面檢修、生產(chǎn)期間總瓦斯涌出量的75%、56%，進一步增大了治理難度。

2)高位巷布置在裂隙帶下部，在一定程度上改變了采空區(qū)風(fēng)流流動方向、削弱了采空區(qū)瓦斯涌出強度，但整體呈現(xiàn)大流量、低濃度抽采狀態(tài)，且隨著高位巷抽采流量增大，抽采濃度持續(xù)下降，抽采純量卻提高有限，當抽采流量在20～25m3/min時，抽采濃度整體較高。

3)礦井采取高位巷進行工作面采空區(qū)治理過程中，應(yīng)合理控制抽采流量，實現(xiàn)抽采效率和效果最大化。同時，礦井應(yīng)積極采取噴漿等措施有效減少沿空留巷段漏風(fēng)，在提高高位抽采效果的同時，有效降低采空區(qū)瓦斯涌出。