受沖擊動(dòng)力影響工作面瓦斯治理技術(shù)體系研究

薛偉超 李艷增 許幸福

(1.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司瓦斯安全研究分院，遼寧省撫順市， 113122； 2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧省撫順市，113122)

瓦斯事故一直是制約煤礦安全生產(chǎn)的重大問(wèn)題。隨著開(kāi)采深度的增加，許多煤礦出現(xiàn)了沖擊動(dòng)力現(xiàn)象。實(shí)踐和研究表明，沖擊動(dòng)力現(xiàn)象能夠使工作面瓦斯異常分布，并能夠誘導(dǎo)煤與瓦斯突出等瓦斯事故，造成嚴(yán)重的災(zāi)害。袁亮、黃炳香等提出用水、CO2等做介質(zhì)進(jìn)行流壓致裂等水力化措施，實(shí)現(xiàn)增透煤層和驅(qū)趕瓦斯來(lái)治理工作面瓦斯集中；陳殿賦、王栓林從鉆孔布置角度提出了工作面瓦斯治理的具體方法，但對(duì)工作面瓦斯異常涌出的問(wèn)題沒(méi)有涉及；程遠(yuǎn)平等從煤與瓦斯突出事故防治角度強(qiáng)調(diào)了體系的重要性，但在具體技術(shù)方面沒(méi)有提及。目前工作面瓦斯防治策略多是單純的針對(duì)瓦斯治理，少有考慮沖擊動(dòng)力的影響，而且沒(méi)有完備的技術(shù)體系。

本文基于頂板巖層對(duì)煤體的沖擊動(dòng)力影響分析了沖擊動(dòng)力誘發(fā)工作面瓦斯異常的原理，從技術(shù)角度提出了沖擊動(dòng)力影響工作面“六位一體”瓦斯防治的技術(shù)體系并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了應(yīng)用，有效降低了工作面瓦斯含量，防止了工作面瓦斯大量異常涌出，保障了工作面安全生產(chǎn)。

1 沖擊動(dòng)力誘發(fā)工作面瓦斯異常原理

沖擊動(dòng)力發(fā)生前，工作面周?chē)拿簬r體處于一個(gè)極限平衡狀態(tài)。在開(kāi)采擾動(dòng)作用下，沖擊動(dòng)力發(fā)生，釋放大量彈性能，形成沖擊波，沖擊波以沖擊源為中心向周?chē)鷤鞑ァ?/p>

本文以頂板巖層沖擊動(dòng)力影響為例進(jìn)行分析。當(dāng)沖擊源在工作面前方時(shí)，沖擊波使直接頂及工作面前方煤體形成剪切破斷，形成剪切滑移面，頂板支撐點(diǎn)向深部轉(zhuǎn)移，使得工作面煤壁前方的應(yīng)力集中向深部轉(zhuǎn)移，卸壓區(qū)范圍增大；遠(yuǎn)處煤巖體變形、破壞，產(chǎn)生大量的裂隙，形成大范圍瓦斯運(yùn)移的通道，且極大地提高了煤巖體的滲透率；煤巖體破壞使得煤的溫度升高。工作面前方煤巖體裂隙場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)的這一變化使得大量吸附態(tài)瓦斯向游離態(tài)瓦斯轉(zhuǎn)化，瓦斯釋放量驟然增多。在瓦斯孔隙壓力(梯度)和瓦斯?jié)舛?梯度)的綜合作用下，煤體內(nèi)瓦斯的解吸、擴(kuò)散和滲流同時(shí)進(jìn)行，短時(shí)間內(nèi)大量涌入工作面，造成工作面瓦斯異常。

當(dāng)沖擊源在工作面后方時(shí)，受沖擊波影響，采空區(qū)頂板處于鉸接狀態(tài)的砌體結(jié)構(gòu)急劇回轉(zhuǎn)、下沉，頂板巖塊與采空區(qū)遺煤及矸石發(fā)生完全非彈性碰撞，造成采空區(qū)瓦斯貯存空間驟然減小，并形成壓風(fēng)效應(yīng)，大量采空區(qū)殘存瓦斯涌向工作面，造成工作面瓦斯異常涌出。實(shí)踐表明，沖擊動(dòng)力可使工作面瓦斯涌出量增大1.22～4.74倍，甚至引起上隅角瓦斯超限。

2 沖擊動(dòng)力影響工作面瓦斯治理技術(shù)體系

根據(jù)沖擊動(dòng)力誘發(fā)工作面瓦斯異常涌出的原理，工作面瓦斯治理必須結(jié)合沖擊動(dòng)力防治技術(shù)，加以安全管理形成體系，綜合治理，才能有效防治工作面瓦斯事故的發(fā)生。構(gòu)建了受沖擊動(dòng)力影響的工作面以地質(zhì)探測(cè)為基礎(chǔ)，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)為前提，解危減震為手段，抽采瓦斯為根本，效果檢驗(yàn)為關(guān)鍵，安全防護(hù)為保障的“六位一體”瓦斯治理技術(shù)，如圖1所示。

(1)地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)。沖擊動(dòng)力災(zāi)害往往容易在地質(zhì)構(gòu)造附近發(fā)生，沖擊動(dòng)力影響工作面的瓦斯防治工作必須堅(jiān)持地質(zhì)保障先行的原則。積極開(kāi)展多樣化物探、精細(xì)三維地震勘探、地質(zhì)測(cè)量預(yù)警等地面地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)工作，避免開(kāi)采擾動(dòng)觸動(dòng)地質(zhì)構(gòu)造形成強(qiáng)沖擊源。

圖1 “六位一體”工作面瓦斯治理技術(shù)體系

(2)沖擊預(yù)測(cè)。沖擊預(yù)測(cè)是防治沖擊動(dòng)力災(zāi)害的前提，主要包括時(shí)間、地點(diǎn)和規(guī)模等。

區(qū)域沖擊危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)。區(qū)域沖擊的危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)綜合考慮開(kāi)采深度、頂板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、地質(zhì)構(gòu)造、附近已采工作面煤柱及回采邊界、采空區(qū)及開(kāi)采區(qū)域等因素，將回采區(qū)域劃分出一般沖擊危險(xiǎn)區(qū)、中度沖擊危險(xiǎn)區(qū)、高度沖擊危險(xiǎn)區(qū)。

局部沖擊危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)。局部沖擊危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)主要是以鉆屑法為代表的接觸式預(yù)測(cè)方法，以微震預(yù)測(cè)法、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)法、電磁輻射法等地球物理方法為代表的非接觸式預(yù)測(cè)方法和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)擬合預(yù)測(cè)法。

在實(shí)際工作面回采過(guò)程中，還必須結(jié)合回采期間的瓦斯涌出情況和巷道圍巖變形移動(dòng)情況、頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律、礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)及煤炮等動(dòng)力現(xiàn)象情況進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

(3)防沖技術(shù)。防止沖擊動(dòng)力危害的發(fā)生必須采取措施解除局部應(yīng)力集中，消除沖擊能量源。按照措施范圍可以分為區(qū)域減震技術(shù)和局部減震技術(shù)。

區(qū)域減震技術(shù)。區(qū)域減震是大范圍的、戰(zhàn)略性的減震來(lái)消除應(yīng)力集中，主要有合理的開(kāi)拓布置與開(kāi)采方式、開(kāi)采解放層、預(yù)處理厚層堅(jiān)硬頂(底)板、煤體大面積長(zhǎng)時(shí)間高壓注水等。

局部減震技術(shù)。鉆孔爆破卸壓可以在煤巖體內(nèi)部產(chǎn)生大量的裂隙，減少集聚的彈性能，是解除局部沖擊地壓危險(xiǎn)十分有效的技術(shù)。

(4)瓦斯抽采技術(shù)。工作面瓦斯災(zāi)害的致災(zāi)物質(zhì)是瓦斯，如何有效抽采煤層和采空區(qū)瓦斯是治理工作面瓦斯異常的根本。瓦斯抽采方法應(yīng)根據(jù)煤層賦存條件、瓦斯來(lái)源、巷道布置、時(shí)間配合、瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)、瓦斯利用要求等因素，通過(guò)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)手段確定。

(5)效果檢驗(yàn)技術(shù)。在沖擊危險(xiǎn)區(qū)域開(kāi)采時(shí)必須堅(jiān)持“先解危后開(kāi)采”的原則，采取措施后必須進(jìn)行效果檢測(cè)，確認(rèn)危險(xiǎn)解除后方可進(jìn)行采掘作業(yè)，這是保障技術(shù)體系有效的關(guān)鍵。

(6)安全防護(hù)技術(shù)。安全防護(hù)措施是“六位一體”綜合防沖與瓦斯治理的最后一道屏障，是礦工生命安全的最后保障，主要有加強(qiáng)工作面支護(hù)、加強(qiáng)工作面瓦斯監(jiān)控、加強(qiáng)工作面作業(yè)人員的培訓(xùn)教育、加強(qiáng)礦工個(gè)體防護(hù)等。

3 實(shí)例分析

3.1 煤礦概況

山東唐口煤礦位于山東省濟(jì)寧市，2016年重新核定生產(chǎn)能力為4.2 Mt/a，立井開(kāi)拓，中央并列抽出式通風(fēng)。所采3#(3上)煤層主要為氣煤，煤層普氏硬度系數(shù)為2～3，平均厚度4.26 m。唐口煤礦5304工作面走向長(zhǎng)1565 m，傾向長(zhǎng)230 m，煤層底板標(biāo)高-926.0～-885.4 m，地面標(biāo)高+35.5～+39.5 m，綜合機(jī)械化一次采全高走向長(zhǎng)壁后退式采煤法開(kāi)采，頂板自然垮落。 5304工作面煤層及頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1。

表1 煤層及頂?shù)装迩闆r表

經(jīng)測(cè)定，煤層原煤瓦斯含量為0.73～2.58 m3/t；最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力，應(yīng)力值為36.48～38.62 MPa。再加上開(kāi)采擾動(dòng)大，具備發(fā)生沖擊誘發(fā)煤層瓦斯異常涌出的條件。經(jīng)觀測(cè)，沖擊動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生的前后時(shí)間段內(nèi)，局部采場(chǎng)或巷道瓦斯涌出量異常變大的情況時(shí)有發(fā)生。

3.2 工作面沖擊危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

經(jīng)探測(cè)可知，5304工作面有明顯的地質(zhì)構(gòu)造，且地應(yīng)力很高，3上煤層具有強(qiáng)沖擊性，頂、底板具有弱沖擊傾向性，工作面具有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)。5304工作面通過(guò)鉆屑法測(cè)試鉆屑量等指標(biāo)來(lái)反映煤巖體結(jié)構(gòu)中應(yīng)力集中程度，判斷工作面局部區(qū)域沖擊地壓危險(xiǎn)性。鉆屑法沖擊地壓預(yù)測(cè)鉆孔布置如圖2所示。 沖擊地壓危險(xiǎn)性煤粉量臨界指標(biāo)見(jiàn)表2。

圖2 鉆屑法沖擊地壓預(yù)測(cè)鉆孔布置圖

鉆進(jìn)深度/m煤粉量/kg·m-1體積/L·m-1133.5233.5333.544.55.554.55.564.55.574.55.584.55.594.55.510911

3.3 工作面沖擊地壓防治

5304工作面回采過(guò)程中受構(gòu)造、煤柱或采動(dòng)影響，局部區(qū)域會(huì)出現(xiàn)沖擊地壓危險(xiǎn)性。根據(jù)鉆屑法預(yù)測(cè)的結(jié)果，當(dāng)工作面出現(xiàn)沖擊地壓危險(xiǎn)時(shí)，采用鉆孔爆破進(jìn)行卸壓，如圖3所示。

3.4 工作面瓦斯治理

5304工作面29.03%的瓦斯來(lái)自采空區(qū)，且3上煤層瓦斯含量低且透氣性不好，抽采本煤層瓦斯很難取得較好的效果。結(jié)合工程實(shí)際，確定5304工作面采用高位鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯，高位鉆孔抽采瓦斯鉆孔布置如圖4所示。

圖3 爆破卸壓鉆孔布置示意圖

圖4 高位鉆孔抽采瓦斯鉆孔布置圖

3.5 工作面沖擊及瓦斯防治效果及檢驗(yàn)

以鉆屑法為主，結(jié)合微震監(jiān)測(cè)法及常規(guī)礦壓觀測(cè)等方法進(jìn)行效果檢測(cè)，如果檢測(cè)指標(biāo)超過(guò)臨界值，則繼續(xù)采用防沖措施和瓦斯治理措施直至指標(biāo)值回到安全區(qū)間。

(1)5304工作面回采期間，沒(méi)有高能微震事件發(fā)生。

(2)高位鉆孔抽采瓦斯純量達(dá)3940 m3/d，現(xiàn)場(chǎng)回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛缺３衷?.35%～0.58%，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.10%～0.26%之間，將工作面瓦斯?jié)舛瓤刂圃谳^低的安全區(qū)間內(nèi)。

3.6 工作面安全防護(hù)措施

(1)采用“幫—頂一體化非對(duì)稱(chēng)支護(hù)”和高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力讓壓錨索支護(hù)技術(shù)對(duì)工作面巷道實(shí)施全斷面支護(hù)，有效防止錨索受沖擊載荷作用發(fā)生破斷。

(2)在工作面的進(jìn)風(fēng)巷設(shè)置甲烷傳感器，防止沖擊、震動(dòng)等造成進(jìn)風(fēng)巷瓦斯超限，從而引起瓦斯事故。

(3)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域作業(yè)人員必須熟悉沖擊地壓發(fā)生的征兆、應(yīng)急措施和避災(zāi)路線；作業(yè)人員穿戴抗震背心和抗震帽等個(gè)人安全防護(hù)用品等。

4 結(jié)論

(1)基于頂板巖層對(duì)煤體沖擊動(dòng)力影響，分析了沖擊動(dòng)力影響工作面瓦斯異常的基本原理：沖擊動(dòng)力短時(shí)間釋放大量的能量造成工作面周?chē)簬r體結(jié)構(gòu)和應(yīng)力的原有動(dòng)態(tài)平衡被打破，裂隙場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)改變而短時(shí)間內(nèi)釋放大量瓦斯，在瓦斯?jié)舛忍荻取⑼咚箍紫秹毫μ荻入p重作用下突然涌向工作面造成工作面瓦斯異常大量涌出。

(2)從技術(shù)角度提出了以地質(zhì)探測(cè)為基礎(chǔ)，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)為前提，解危減震為手段，抽采瓦斯為根本，效果檢驗(yàn)為關(guān)鍵，安全防護(hù)為保障的“六位一體”受沖擊動(dòng)力影響工作面瓦斯治理技術(shù)。

(3)工作面回采期間，沒(méi)有高能微震事件發(fā)生，工作面沒(méi)有瓦斯異常涌出發(fā)生，回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛仁冀K保持在0.35%～0.58%，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.10%～0.26%，保證了5304工作面安全生產(chǎn)。