特厚煤層堅硬頂板綜放工作面瓦斯動態治理研究

黃旭超

(中煤科工集團 重慶研究院有限公司，重慶 400037)

煤炭在我國一次性能源結構中處于主要位置，是重要的基礎能源[1]。隨著煤礦綜合機械化放頂煤開采強度及開采深度的增大，瓦斯涌出量不斷增加，煤與瓦斯突出危險性增高，瓦斯已成為制約礦井安全生產和高產高效的主要因素[2，3]，特別是特厚煤層堅硬頂板回采工作面存在煤炭采出率低、頂板垮落不及時等問題，極易引起上隅角瓦斯超限。

為了研究特厚煤層瓦斯涌出異常的原因，姜福興、李化敏等通過現場監測數據與實驗研究了采空區瓦斯運移規律，發現采空區瓦斯在周期來壓期間頂板垮落擠壓作用下向工作面運移[4-8]。尹光志、許江等通過監測現場應力和理論分析，數值模擬煤體變形后瓦斯運移規律，研究了在采動作用下工作面前方煤體瓦斯運移規律，研究表明在采動作用影響下，瓦斯滲流通道產生改變引起工作面瓦斯涌出變化[9-14]。在眾多學者研究特厚煤層工作面瓦斯涌出規律時大多根據礦壓、煤體變形等方式間接反映瓦斯運移規律，無法真實反映整個回采工作面的瓦斯賦存情況，不能準確預測回采期間的瓦斯涌出情況。本文以特厚煤層堅硬頂板回采工作面的瓦斯治理為目的，對回采區域煤體開展瓦斯含量精準測定，繪制瓦斯含量等值線圖，掌握整個回采區域瓦斯賦存情況，并結合工作面瓦斯涌出構成對工作面瓦斯涌出量進行精準預測，根據預測結果適時調整瓦斯治理措施，實現采煤工作面瓦斯動態治理。

1 工程概況

小甘溝煤礦11144綜采放頂煤工作面煤層傾角12°，平均煤厚9m，采高2.8m，采放比2.2，切眼長度100m，推進長度824m。工作面煤層頂、底板巖石主要為細砂巖、粉砂巖、泥巖及少量的泥質粉砂巖、炭質泥巖。由于地層緩傾，巖層中節理不發育，從巖性特征和節理發育狀況評價，工作面煤層的頂底板屬穩固性偏弱類型。

在11144工作面回采期間，頂板垮落不及時，采空區遺煤較多，且采空區存在空腔，極易形成采空區瓦斯聚集區，隨著工作面推進，空腔內瓦斯進一步聚集并運移至工作面，工作面瓦斯量涌出量逐漸增大，引起了回采過程中上隅角瓦斯超限。

2 工作面瓦斯動態治理研究

為了實現工作面瓦斯動態治理，需要精確掌握工作面瓦斯賦存情況，并準確預測工作面瓦斯涌出量，在此基礎上，適時調整工作面瓦斯治理措施，比如高位鉆孔布孔數量、層位、深度等參數，埋管抽采的負壓、埋管深度等。

2.1 工作面瓦斯含量分布精準測定

通過小間距大量取樣測定工作面瓦斯含量、繪制工作面瓦斯含量等值線圖，實現工作面瓦斯含量精準測定。11144工作面的瓦斯含量測定以20～25m為間隔進行小間距取樣，精準掌握工作面沿走向方向的瓦斯賦存情況，實現工作面瓦斯含量精準測定。工作面共計取樣39個，其中回風巷21個，共分為3組，每組7個鉆孔，間距為20m，取樣深度為32～50m；運輸巷取樣18個，共分為3組，每組6個鉆孔，間距為25m，取樣深度為35～50m。測定瓦斯含量最大為3.30m3/t，平均為2.33m3/t，最小為1.82m3/t。瓦斯含量分布等值線如圖1所示。

圖1 回采區域瓦斯含量分布等值線(m3/t)

2.2 工作面瓦斯涌出構成

根據11144工作面推進期間的瓦斯涌出情況及瓦斯濃度分布規律分析，工作面的瓦斯涌出構成見表1。由表1知，回采期間采空區瓦斯涌出為工作面瓦斯涌出的主要來源，占68.7%。

表1 工作面瓦斯涌出構成

2.3 工作面瓦斯涌出量精準預測

根據11144工作面瓦斯含量精準測定結果和工作面瓦斯涌出量構成觀測分析結果[15]，按照《礦井瓦斯涌出量預測方法》沿走向進行工作面瓦斯涌出量精準預測，預測結果如圖2所示。從圖2可知，在設計日產量2756t時，工作面瓦斯涌出量最大值為9.59m3/min，平均為6.52m3/min，最小值為5.16m3/min。

圖2 工作面瓦斯涌出量預測

2.4 工作面瓦斯治理

根據瓦斯參數精準測定結果，風排無法解決瓦斯超限問題，且工作面瓦斯主要來自采空區，因此重點解決采空區瓦斯涌出。采取“頂板走向高位鉆孔抽采+采空區埋管抽采”聯合工藝。

2.4.1 走向高位鉆孔布孔參數

1)工作面覆巖“三帶”分布。工作面回采期間，隨頂板冒落，采空區中部被逐漸壓實，而圍繞中部的環形帶透氣性較好，且為采空區瓦斯聚集區。經計算，11144工作面的冒落帶高度為12.28～16.88m；裂隙帶高度為44.40～55.60m。

2)高位鉆孔設計。在回風巷上方沿走向煤層頂板布置鉆場向采空區施工走向高位鉆孔，抽采環形帶內瓦斯，切斷上鄰近層瓦斯涌向工作面的通道并引流采空區下部瓦斯，減少采空區瓦斯向工作面涌入。每個鉆場的典型設計為鉆孔10個，間距6m，呈扇形布置，分上下兩排布置，每排5個，鉆孔長度100m，孔徑94mm，封孔長度8m，控制工作面斜長約35m。沿回風巷走向每隔80m施工一條垂直回風巷的上山至煤層頂板做出鉆場(長5m寬4m高3m)。鉆孔數量、深度、終孔層位等會適時調整。

2.4.2 采空區瓦斯分布

采用數值模擬軟件模擬采空區瓦斯濃度分布場，如圖3所示。靠近回風側Y方向20m范圍、X方向5m范圍內瓦斯濃度在1%～3%之間，上隅角瓦斯存在超限風險，需要采用回風側采空區埋管抽采瓦斯。回風側采空區內17m位置處氧氣濃度為18%，為氧化帶和散熱帶分界點，回風側采空區內23m位置處瓦斯濃度達到30%，因此，采空區埋管的深度在17～23m較為合適。

圖3 采空區瓦斯濃度分布

3 現場應用

3.1 1#高位鉆場布置及抽采效果

1#高位鉆場在2018年6月開始施工，在2018年8月開始抽采，最大抽采濃度為3.57%，平均為2.64%。1#鉆場的5#、10#高位鉆孔瓦斯濃度較低，一直在5%以下，平距分別為33m、33.5m，高度分別為28.4m、41.3m。另外1#～5#孔抽采濃度普遍比6#～10#孔抽采濃度高，其中1#～5#孔高度布置在9.7～21m之間。

通過對回采期間回風流、上隅角瓦斯濃度分析，1#高位鉆場的抽采效果如圖4、圖5所示。從圖4、5可知，當工作面推進至249m，采空區布置埋管，回風巷最大瓦斯濃度從0.88%降至0.73%，上隅角最大瓦斯濃度從1.4%降至1.1%，最大瓦斯濃度及平均瓦斯濃度比之前有明顯降低。當工作面推進至345m，開始布置高位鉆場，回風巷最大瓦斯濃度降至0.68%；上隅角最大瓦斯濃度降至0.86%。

圖4 工作面回風流瓦斯濃度

圖5 工作面上隅角瓦斯濃度

經過高位鉆孔和埋管抽采，上隅角和回風巷瓦斯濃度大幅降低；對于1#高位鉆場鉆孔布置高度在9.7～21m、平距10～20m，抽采效果較好。

3.2 2#高位鉆場布置及抽采效果

根據瓦斯含量分布和瓦斯涌出量預測結果，對2#鉆場高位鉆孔布置進行相應調整以實現瓦斯動態治理，鉆孔高度在7.5～23m，平距17～28m之間。

在2#鉆場抽采期間最大抽采濃度為3.84%，平均在2.9%。經過對2#鉆場布置參數進行優化，抽采濃度較1#鉆場有了較大提高，3#、5#、6#、7#單孔濃度最大值均超過10%。

通過對11144工作面回采期間回風流、上隅角瓦斯濃度分析，2#高位鉆場的抽采效果如圖6所示。從圖6可知，通過對2#高位鉆孔參數優化，工作面回風巷和上隅角的瓦斯濃度又進一步降低，上隅角瓦斯最大濃度不超過1%，平均在0.2%～0.3%之間；回風瓦斯最大濃度不超過0.8%，大部分在0.3%左右。

圖6 工作面瓦斯涌出濃度曲線

3.3 工作面瓦斯涌出量對比分析

為了考察11144工作面回采前測定的參數與回采過程實際瓦斯涌出的關系，對測定的瓦斯參數與工作面回采期間實際統計的參數進行分析，如圖7所示。

圖7 工作面回采實測參數與采前預測參數對比分析

從圖7可知，工作面回采期間實際瓦斯涌出量與回采前瓦斯涌出量預測值基本一致，說明在采前對整個工作面進行的瓦斯參數測定值及瓦斯涌出量預測值是基本準確的。

4 結 論

1)通過小間距大量取樣測定工作面瓦斯含量，繪制工作面瓦斯含量等值線圖實現工作面瓦斯含量精準測定。根據瓦斯含量精準測定結果和工作面瓦斯涌出量觀測結果對工作面瓦斯涌出量進行精準預測，根據預測結果適時調整高位鉆孔、采空區埋管抽采參數，可以實現工作面瓦斯動態治理。

2)在開展瓦斯含量精準測定和工作面瓦斯涌出量精準預測情況下，實施工作面瓦斯動態治理后，工作面回風巷和上隅角最大瓦斯濃度分別從0.88%、1.4%下降至0.3%左右，瓦斯治理效果明顯。工作面回采期間實際瓦斯涌出量與回采前瓦斯涌出量預測值基本一致，瓦斯涌出量預測值是基本準確的。