沿采空區不規則回采工作面分區瓦斯治理研究

2021-02-04 11:34:14焦振華林衛國黃洪濤郭克寶袁秋鵬

煤炭工程 2021年1期

焦振華，林衛國，黃洪濤，郭克寶，袁秋鵬

(1.安徽理工大學省部共建深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，安徽淮南 232001；2.濟寧礦業集團有限公司金源煤礦，山東濟寧 272000)

隨著我國煤礦開采深度和開采強度的增加，采掘部署趨于復雜化，采空區面積逐年增大，瓦斯涌出量急劇增加，瓦斯防治形勢嚴峻[1-3]。瓦斯災害種類繁多，除典型的瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出、中毒窒息等災害事故外，還能夠與采空區頂板垮落運動、沖擊地壓和采空區自然發火等其他類型的災害相互作用，形成更加復雜、嚴重的復合動力災害[4]，嚴重威脅礦井安全高效生產。

圍繞煤層瓦斯參數測定、瓦斯涌出量預測、瓦斯抽采與利用、瓦斯監測監控等方面開展了大量有益的研究[5-8]，為有效防治瓦斯災害提供了理論與技術支撐。針對特厚煤層，近距離煤層群，松軟煤層，地質構造區等高瓦斯地質開采條件，進行了瓦斯綜合治理技術探索實踐[9-11]。金源礦3下煤層煤類為1/3焦煤，具有低硫、低灰、高發熱量，是優質的煤炭資源。金源煤礦歷年瓦斯等級鑒定結果雖為(低)瓦斯礦井，然而，局部地段受地質構造和采空區影響出現瓦斯涌出異常情況，且同時有沖擊地壓和煤層自然危險。目前，對于低瓦斯沿采空區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，結合工作面實際生產地質條件、覆巖裂隙分布規律、掘進期間瓦斯涌出規律，對采空區瓦斯富集區進行劃分，提出工作面分區瓦斯治理措施，經濟、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寧市微山縣境內，礦井采用立井單水平上下山開拓，現生產水平-560m水平。23下27工作面位于其二采區，東臨23下21采空區，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則工作面，工作面長度約50～78.2m，平均64.1m。煤層底板標高-541～-388m，底板平均標高-464.5m。工作面煤層總體為一單斜構造，呈南高北低，西高東低。工作面煤層賦存條件較穩定，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粒砂巖、粉砂巖、泥巖。底板以泥巖、粉砂巖為主，局部為炭質泥巖和細粒砂巖。3下煤沖擊傾向性屬于II類，為弱沖擊傾向性煤層。

經測定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，爆炸性指數37.49%。煤層自燃傾向等級數Ⅱ類(自燃)，最短自燃發火期為53d。瓦斯相對涌出量為3.17m3/t，絕對涌出量為3.41m3/min，工作面回采期間計劃風量為600m3/min。

2 工作面回采期間瓦斯來源分析

23下27回風巷為沿空掘進工作面，與23下21采空區預留煤柱寬度僅為6m，且存在防沖鉆孔與采空區溝通。23下21采空區瓦斯平均濃度在10%以上。23下27回風巷掘進期間回風流瓦斯濃度達到0.3%～0.5%，掘進期間局部位置曾發生瓦斯超限現象。

23下27工作面位于23下21采空區西側，且相對位置較高。23下27工作面俯采、下行通風等條件均不利于瓦斯防治?；夭善陂g存在受采動影響導致23下21采空區與23下27采空區溝通，23下21采空區瓦斯涌入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，沖擊地壓顯現可誘發大量高濃度瓦斯瞬間涌入工作面及其他地點，造成瓦斯事故。因此必要對23下27工作面回采期間瓦斯運移規律進行分析，并提出相應瓦斯治理方案，以確保工作面安全回采。

3 工作面瓦斯運移規律分析

3.1 采空區瓦斯富集規律

以往研究表明[12-14]：采動裂隙帶是瓦斯流動和儲集的主要通道和空間。根據3下煤層地質條件，冒落帶和裂隙帶高度可分別按下式計算[15]：

式中，∑M為累計采厚，m；Hm為冒落帶高度，m；Hl為裂隙帶高度，m。

經計算：3下煤層開采后冒落帶高度Hm=5.9～10.3m；裂隙帶高度Hl=27.3～38.5m。

23下21采空區與23下27工作面之間區段煤柱的塑性區大小按下式計算：

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

估算得到研究區域煤柱塑性區ρ≈2.5m，考慮變形和片幫等效應，區段煤柱(煤柱寬度為6m)近似為塑性狀態：煤柱破壞和裂隙發育明顯，能夠形成瓦斯運移與溝通的通道。由此可以得出，23下21采空區與23下27工作面形成瓦斯溝通有：區段窄煤柱發生塑形變形，形成側向瓦斯溝通通道；頂板結構破壞和側向老頂斷裂，形成頂部瓦斯溝通通道。23下21采空區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回風巷一側，如圖2所示。

圖2 23下21采空區兩帶特征與瓦斯富集

3.2 采空區瓦斯富集區劃分

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

23下27回風巷掘進至23下21切眼前后170m范圍內瓦斯涌出量偏高，掘進至23下21切眼后施工瓦斯監測孔實測采空區瓦斯濃度為42.86%，約為采空區平均瓦斯濃度的4倍，驗證了采空區瓦斯富集區的存在。結合掘進期間瓦斯涌出規律，將采空區瓦斯富集程度劃分為三個區域，如圖3所示。

圖3 23下21采空區瓦斯運移富集情況

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

不同區域分別采取針對性防治瓦斯措施，對于實體煤區和采空區瓦斯不富集區，主要采用“風排”瓦斯的方式，并鋪設一路抽排管路備用，以下著重介紹采空區瓦斯富集區瓦斯治理措施。

4 采空區瓦斯富集區治理

4.1 封堵漏風通道

為控制采空區由于漏風導致大量瓦斯涌出，分別在進、回風隅角設置擋風障。風障長度為10m，與頂底板、煤幫接嚴實，減少向采空區漏風，同時有利于防止煤層自然發火。

使用LFM輕型噴涂材料噴涂在23下27回風巷靠近采空區一側巷幫、頂板噴涂。LFM輕型噴涂材料具有快速、高膨脹率，且有一定強度不易破裂等性能。在采空區瓦斯富集區域采取集中噴涂方式，用于防止采空區瓦斯受氣流擾動等因素影響導致采空區瓦斯外溢。另外，對煤幫發現防沖鉆孔及時封堵。

4.2 回風隅角埋管抽放

采用回風隅角埋管方式，間歇性抽排回風隅角內范圍內瓦斯，形成負壓區，改變回風隅角的風流場，從而排除回風隅角的積聚瓦斯，同時監測CO濃度，防止采空區自然發火。

具體實施為：沿23下27工作面的回風巷的埋設兩趟D200mm防爆瓦斯抽放管，距底板距離約0.5m，兩趟管路交替使用。在每趟管路安設三通，三通上方安設1m的立管(花管)，立管離地板不少于1.5m，并打麻花眼，以加大抽放量和擴大流場范圍，提高抽放效果。花管頂部用細絲網包裹，防止落煤將吸入口堵塞，周圍用木垛保護，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)

當一趟管路的立管進入切頂線時開啟本路抽放，隨著工作面繼續推進，花管逐步進入采空區深部時停止本管路抽放，如此循環。在實際操作中，以3個循環作為考察對象，統計分析抽排效果與花管離切頂線距離關系，按照實踐結果及時調整花管與切頂線的距離，改變抽放步距。工作面推進54m后，對回風隅角及切頂線以內1.5m位置的瓦斯濃度進行統計分析，如圖5所示。

圖5 瓦斯濃度與抽放花管位置關系

由圖5可知：花管離切頂線的距離基本上在3～9m之間時，回風隅角瓦斯濃度低于0.20%，此時切頂線以內1.5m處的瓦斯基本在0.50%以下，隨著花管的深入，隅角及切頂線以內的瓦斯逐步上升，從安全角度考慮，應確認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置為3～9m。瓦斯抽放泵流量實際測定為31～35m3/min，抽放管內瓦斯濃度平均為1.2%，抽放量平均為0.42m3/min。

4.3 采空區高位鉆孔抽放

采用高位鉆孔對采空區富集瓦斯進行抽放，在回風巷向煤層頂板施工鉆孔，終孔位置設計層位為離煤層頂板15m的位置。設計3個鉆孔，其中靠近23下21采空區一側布置，用以攔截23下21采空區瓦斯向23下27采空區涌出，并同時抽放23下27采空區瓦斯。其中，3號高位孔偏上隅角10m，向工作面方向，設計目的為了擴大隅角區域的抽放范圍，該區域瓦斯流場對隅角瓦斯影響較大，高位鉆孔布置如圖6所示，具體設計參數見表1。

圖6 高位鉆孔布置方式

表1 高位鉆孔參數表

當高位鉆孔的終孔的位置距離(平距)工作面煤壁20m時，開始進行抽放，工作面繼續推進至離下一個鉆場54m時，停止前一個鉆場的抽放，進行下一個鉆場的抽放，以此類推。抽采鉆孔直徑75mm，全長下抽采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 現場治理效果

23下27工作面未采取分區瓦斯治理措施前，23下27回風巷掘進期間回風流瓦斯濃度約0.5%，局部最大瓦斯濃度達到5.3%，嚴重影響掘進生產。對采空區瓦斯富集區實施分區瓦斯綜合措施后，對23下27工作面推過23下21采空區切眼位置90m的瓦斯數據進行統計，瓦斯濃度變化曲線如圖7所示。

圖7 瓦斯濃度變化曲線

由圖7可知，統計數據反映出回風隅角平均濃度為0.19%，回風巷瓦斯平均濃度為0.11%，工作面回采過程中，瓦斯未出現超限現象，回風巷瓦斯濃度穩定在0.06%～0.12%之間，回風隅角瓦斯濃度穩定在0.14%～0.22%之間，沒有出現上升趨勢，瓦斯得到有效控制，實現了安全生產，杜絕了瓦斯超限對安全、生產的影響，提高了回采效率。