頂板周期來壓對上隅角瓦斯積聚的影響

劉建純

(陜西陜煤黃陵礦業有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

陜煤黃陵礦業有限公司一號煤礦一直采用嚴格的安全措施以確保工作面的正常有序開采，其805工作面采用綜合機械方式開采，產能較高，推進速度較快，綜采工作面上隅角瓦斯局部積聚的現象時有發生。根據對工作面上隅角瓦斯來源的分析可知，其來源主要有兩巷煤壁、工作面煤壁、采空區[1-2]。其中，兩巷煤壁存在時間較長，瓦斯涌出量較少且穩定，工作面煤壁暴露時間短，并根據自然通風方向判斷瓦斯難以積聚，因此對上隅角積聚的干擾較小。而采空區瓦斯在工作面漏風的作用下主要從工作面上隅角處涌出，同時采空區垮落后頂板隨周期來壓的周期性破碎，會對采空區近上隅角側的瓦斯通路產生影響。因此，將以上隅角瓦斯積聚-采空區瓦斯運移-頂板周期來壓的思路進行進一步論述，找出其內在聯系，并提出治理對策。

1 工程概況

1.1 工程背景

805工作面采用智能綜合機械化長壁后退式采煤法，一次采全高，全部垮落法處理采空區頂板。開采煤層屬于Ⅱ類自然發火煤層，最短自然發火期為52 d。工作面通風方式為U型通風，進風順槽長度1 923 m，回風順槽長度1 986 m，切眼長度235 m。工作面煤層厚度不均勻，平均3.5 m，工作面支架最大支撐高度為3.5 m，采高為3.3 m，工作面循環進度為800 mm，回采時留底煤，不留頂煤。工作面原煤瓦斯含量為3.2～4.67 m3/t，平均3.9 m3/t，經本煤層鉆孔預抽后，預計煤層平均殘余瓦斯含量為0.19 m3/t。

1.2 上覆巖瓦斯運移特性

“三帶”劃分：采場上覆巖層在受到采動影響后，其在垂直方向可形成垮落帶(冒落帶)、斷裂帶(導水裂隙帶)以及彎曲下沉帶。水平方向可形成自然堆積區、載荷影響區、壓實穩定區，如圖1所示。

圖1 工作面上覆巖特性圖

運移特性：根據錢鳴高院士提出的“關鍵層”理論[3-4]，結合瓦斯自身的運移特性可知，其采空區內自然堆積區與斷裂帶交織的區域為采場內瓦斯積聚的區域。一般煤礦在治理采空區瓦斯時，往往是抽放這一區域內的瓦斯，從而達到治理采空區瓦斯的效果[5-8]。但在實際生產中，由于受到工作面移架放頂后冒落巖石垮落的充分程度，以及關鍵層的斷裂程度等影響，會導致高位抽采效果不理想，或上隅角瓦斯積聚嚴重等問題。同時觀察圖1可知，在工作面移架放頂后，其采空區近工作面側會形成一個類似半燈籠形的自由空間，當工作面周期來壓不明顯，并且上覆巖層巖性較硬時，采空區內游離的瓦斯會在其關鍵層下有一定程度的積聚，并通過自然風壓的作用，涌出至工作面。同時由于關鍵層的裂隙發育不充分的緣故，即使采用了高位鉆孔裂隙抽采措施，這部分瓦斯也難以從抽采鉆孔處引排。因此，將結合805工作面的現場數據進行進一步論述。

2 805工作面數據分析

2.1 高位裂隙抽放的鉆孔布置

施工參數：805工作面采用高位裂隙抽放為主，上隅角埋管抽放為輔的抽采方式治理采空區瓦斯，同時控制上隅角瓦斯濃度處于一個安全的范圍內，其高位裂隙抽放的鉆孔布置見表1。

表1 805工作面高位鉆孔施工參數

鉆孔終孔垂直距離調整：在805工作面實際回采過程中，上下隅角采空區經常懸頂較大，頂板不易垮落，采取放頂措施后隨著工作面推進，采空區頂板冒落高度較大，原設計高位裂隙鉆孔已不符合實際情況，因此對高位裂隙鉆孔進行不斷調整，調整后的最終高位裂隙鉆孔終孔垂直距離保持在39～55 m之間。

2.2 瓦斯抽采量

數據統計：另統計一個月內的瓦斯相關數據，其中抽采混量為高位鉆孔與上隅角埋管的總抽采流量，如圖2所示。

圖2 瓦斯相關數據圖

數據分析：由圖2可以看出，抽采混量在245～536 m3/min之間，抽采純量大多位于30～40 m3/min之間，以及上隅角瓦斯濃度基本在0.4%～0.6%之間。由此可分析，抽采混量與抽采純量之間并沒有直接的線性關系。以及通過查閱805的生產數據并統計分析發現，其瓦斯抽采率(抽采瓦斯量與總排放瓦斯量之比)保持在80%以上。根據相關研究[9-12]，其瓦斯抽采率在80%以上時，上隅角瓦斯濃度可以得到有效的控制，這也與805工作面的實際數據高度一致。同時，根據現場實際調研，在上隅角附近近工作面支架側未采用封堵措施位置處，其瓦斯濃度最高測得0.83%，因此，工作面安全生產仍一定程度受到采空區瓦斯涌出的影響。

2.3 周期來壓的影響

數據記錄：同時根據現場跟班檢查和礦壓觀察，805工作面老頂周期來壓步距為20～30 m，周期來壓不明顯，并繪制工作面支架工作阻力變化如圖3所示。

圖3 805綜采工作面工作阻力歷史數據分析曲線圖

原因分析：分析其原因主要為805工作面采高為2.8 m，其直接頂的平均厚度為10.5～13.1 m，接頂冒落碎漲后已完全充填采空區，老頂的彎曲下沉及破斷程度較小，這使老頂來壓顯現的不夠明顯，對采面的安全生產影響較小。同時老頂來壓后，高位鉆場瓦斯濃度開始上升：1#高位鉆場瓦斯濃度上升較為明顯，其中6#鉆孔瓦斯濃度峰值為15%；2#高位鉆場瓦斯濃度上升明顯，其中3#鉆孔瓦斯濃度峰值為27%，這與工作面老頂來壓基本保持一致，且稍微滯后老頂來壓，說明老頂來壓后頂板裂隙已逐漸形成，并逐漸發育成為采空區游離瓦斯的抽采通道。但同時結合對瓦斯數據的分析可知，由于工作面周期來壓顯現不明顯的緣故，其優點在于對工作面頂板支護造成的干擾較小，但同樣導致發生了工作面采空區移架放頂后初垮不充分，裂隙帶發育不夠理想的情況。同時，在805工作面的實際生產中，工作面采空區初垮時懸頂現象時有發生，因此，游離的瓦斯一部分在工作面后采空區直接頂下的少量積聚，并通過自然通風路徑，對上隅角瓦斯濃度產生一定的影響。

3 新型膨脹預裂放頂技術

3.1 技術介紹

技術原理：針對上述情況，可采用一種新型膨脹預裂放頂技術，通過對工作面采空區初垮時上覆巖進行膨脹預裂放頂，增大裂隙發育程度，從而使采空區近工作面側游離的瓦斯在自然上浮作用下進入裂隙帶，在增大高位鉆孔抽采效果的同時，降低其對上隅角瓦斯積聚造成的干擾。

具體工藝：爆破預裂工藝是將特定規格的炸藥裝在兩個設定方向有聚能效應的聚能裝置中，炸藥起爆后，炮孔圍巖在非設定方向上均勻受壓，在設定方向上集中受拉，依靠巖石抗壓怕拉的特性，使巖石按設定方向拉裂成型，從而實現被爆破體按設定方向張拉斷裂成型。該爆破技術是在對比研究多種聚能爆破和定向爆破方法的基礎上發展起來的一種新型聚能爆破技術，施工工藝簡單，應用時只需要在預裂線上施工炮孔，采用雙向聚能裝置裝藥，并使聚能方向對應于巖體預裂方向。爆轟產物將在兩個設定方向上形成聚能流，并產生集中張拉應力，使預裂炮孔沿聚能方向貫穿，形成預裂面。可以達到實現預裂的同時又可以保護巷道頂板，使堅硬難冒頂板成為可冒落頂板。盡可能使冒落的巖石基本充滿采空區，形成巖石墊層，從而減弱頂板垮落時的沖擊強度，大大減少氣體的積存空間，防止因頂板垮落而造成的瓦斯瞬間涌出以及大面積頂板垮落時的形成沖擊地壓的可能性，達到隨采隨落。

3.2 應用效果

本技術在黃陵礦業一號井621工作面，1004工作面已進行過兩次試驗，均取得過顯著的效果，即有效降低了工作面初次來壓步距，防止了工作面大面積冒頂的可能性，提高了高位鉆場鉆孔內的抽采濃度。同樣說明了采用新型膨脹預裂放頂技術也可有效地增大工作面移架初垮后的采空區裂隙發育程度，從而使得游離并聚集在頂板附近的瓦斯，向裂隙帶涌去，從而達到降低上隅角瓦斯濃度的目的。

4 結論

(1)通過對上覆巖特性以及805工作面數據的分析可得，由于805工作面周期來壓不明顯，其工作面移架放頂后，采空區懸頂現象時有發生，采空區初垮后裂隙發育不充分，導致一部分的瓦斯在工作面漏風的作用下從上隅角處涌出，從而導致該工作面上隅角瓦斯積聚的現象時有發生。

(2)同時發現，當頂板周期來壓時，高位鉆孔的抽采濃度會升高，上隅角瓦斯濃度也會相應的降低。因此，工作面周期來壓對此類型煤礦的上隅角瓦斯治理工作起著積極的作用。

(3)提出采用一種新型的膨脹預裂放頂技術，并經過現場實踐表明，該技術在有效保護工作面頂板的同時，增大了采空區初垮后的垮落程度，釋放了聚集在采空區近工作面側頂板的瓦斯向裂隙帶涌去，從而達到降低上隅角瓦斯濃度的效果。