大興礦強沖擊危險首采面瓦斯治理方略實踐

王憲光，張基名

（鐵法煤業（集團）有限責任公司大興煤礦，遼寧 調兵山 112700）

南二903 采煤工作面是大興煤礦首個被鑒定為強沖擊地壓危險的綜采工作面，使大興煤礦在高瓦斯、易自燃、突出的三害基礎上，又增加了一害——強沖擊地壓危害。強沖擊地壓危險工作面，為保證采煤期間人員安全，伴隨施工組織調控、工作面區域禁員等方面的安全要求，原有設計的瓦斯治理方略將接受沖擊地壓危害的檢驗。

1 南二903 工作面概述

1.1 工作面位置與地質條件

大興煤礦南二903 工作面總面積127554m2，其位于南二采區中部，一切眼寬178m，走向長度555m；二切眼寬94m，走向長度306m。東鄰南二902 工作面采空區，間隔8m 煤柱；西鄰南五905 工作面采空區，間隔8m 煤柱；其南部未采動，北部是采區煤柱。工作面上部7-2 煤層，北部未采動，南部為南五717、南五719 上采空區。7-2 煤層厚度1～4.6m，平均厚度2.55m；與9 煤層間距30～37m，平均層間距32.4m。工作面煤層呈黑色，塊狀構造，質較純，以亮煤為主。

1.2 工作面瓦斯涌出情況

南二九層903 區段煤層瓦斯壓力最大值為620kPa，原始煤層瓦斯含量為6.35m3/t，南二采區9 煤層南二903區段無煤與瓦斯突出危險，采煤期間瓦斯絕對涌出量實測為41.6m3/min。

1.3 工作面沖擊地壓情況

南二903 采煤工作面鄰近三個采空區，遇見7 次“四方”，強沖擊危險區域分別為回順0-180m、404-585m、555-645m、885-796m；運順0-180m、485-641、788-882m，見圖1。距工作面200m 范圍內安裝替棚支架，進入工作面作業人員佩戴防沖服裝，工作面生產期間距工作面200m范圍內禁員。

圖1 南二903 頂板瓦斯道平面圖

2 采空區瓦斯運移規律

2.1 采空區三帶發育規律

根據采面礦壓數據觀測，隨工作面推進圍巖應力分段有規律分布，垂向以“豎三帶”分布，即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。平向以橫三區拓展，即煤壁支撐影響區，離層區和重新壓實區（圖2）。冒落帶以碎塊、巨石不規則形狀自然安息，存在較大空隙（通常為采厚的3～5 倍）；裂隙帶發生巖石破裂，可導水導氣（采厚的6～10 倍）；彎曲下沉帶巖層不再破裂，裂隙發育程度低。

圖2 采面垂向“豎三帶”分布示意圖

2.2 采空區瓦斯運移規律

2.2.1 采空區瓦斯來源

煤層既是瓦斯的生成層，又是瓦斯的儲集層。煤層未采動或未受應力擾動時，瓦斯在煤體中以吸附和游離狀態存在，原巖應力下基本不流動。一個待采工作面即使放置很長時間，如果不做瓦斯抽采工作，其煤層內瓦斯總量也不會有大變化。

一旦受采動壓力影響，煤體產生裂隙，原存瓦斯應力平衡受到破壞，瓦斯就會大量涌出（即所謂卸壓瓦斯），沿橫向、縱向裂隙流動，一少部分瓦斯進入工作面空間隨風流排出（絕對涌出量10%左右），而大部分瓦斯通過裂隙進入采空區（絕對涌出量90%左右）。

煤層瓦斯解吸釋放與煤層應力變化有直接關系：

實驗測得，采煤工作面前、后方承壓分布擬態如圖3所示，總體上以應力降低區、應力增高區和原巖應力區的形態分布。工作面前方煤體承壓區間自工作面前方1～3m起，外延30～40m，拓展至煤壁約100m 時發生變量，距煤壁5～15m 為最大應力顯現點。

圖3 采煤工作面前、后方支承壓力的分布示意圖

其分布特點是：

（1）采煤工作面前方煤壁一端幾乎支撐著采煤工作空間上方斷裂帶及其上覆巖層大部分重量，即工作面前方支承壓力遠比后方支承壓力大。

（2）采煤工作面煤壁及采空區垮落帶是隨著推進向前移動的，因而工作面前后方支承壓力也隨著推進向前移動。

在工作面煤體最大應力顯現點煤體被壓裂，煤層中賦存的瓦斯解吸釋放，然后沿裂隙流動進入采空區。而隨工作面推進，支承壓力也隨之前移，煤層瓦斯不斷解吸釋放。

開采煤層附近的上、下鄰近煤層受采動壓力影響，煤層中賦存的瓦斯不斷解吸釋放，透過裂隙涌入開采層。

2.2.2 采空區瓦斯運移規律

回采工作面采空區上方存在大量的垂直裂隙和離層裂隙，這些裂隙是瓦斯運移的主要通道和存儲空間。受瓦斯自身比重小特性影響，從煤體中解吸出的瓦斯首先向采空區頂部運移，并通過覆巖裂隙繼續向上運移至裂隙帶頂部，在此積聚。通過回采，不斷有瓦斯上移、積聚，猶如向水坑注水一樣。而瓦斯在采空區內呈“倒水坑”形態積存，由下至上瓦斯濃度越來越高，頂部可達100%（生產實際中個別鉆孔瓦斯濃度100%，而且流量較大）。

由于呈氣態存在，瓦斯“坑”積存面與空氣接觸面并無絕對界限，其相互滲透漂移，尤其有氣體流動的空間更是如此，所以瓦斯“坑”積存面過低時，有一部分瓦斯會“滲透”到風流中，造成風流瓦斯濃度上升。沒有氣體流動或風速低的空間內，瓦斯就以積存狀態存在，濃度呈上高下低。瓦斯因自身比重小特性哪邊高就向哪邊運移、積存，因此，上行通風工作面上隅角和下行通風工作面下隅角常常會積聚瓦斯。由浮力作用，采空區內瓦斯積存下平面是水平的。采空區積存瓦斯空間是一定的，但瓦斯量隨工作面落煤開采不斷增加，當達到一定量，如果不抽采或抽采量小于解吸量，瓦斯積存面就會降低至采煤工作面空間，一部分瓦斯就會外溢隨風流排出，或積存于風速低的工作面高冒處、隅角等地點，造成瓦斯積聚。

3 瓦斯治理方略

南二903 采煤工作面有開采層落煤瓦斯、開采層采空區瓦斯和鄰近采空區瓦斯三種瓦斯來源，因此采取“三巷、兩孔、一埋”的瓦斯治理方略。“三巷”是指回采區上部頂板瓦斯道和兩個鄰近采空區頂板瓦斯道，“兩孔”是指工作面順層卸壓鉆孔、頂板斜交鉆孔，“一埋”是指工作面上隅角埋管。

3.1 三巷抽采方略

（1）南二903 頂板瓦斯道

本工作面9 煤層上部掘進頂板瓦斯道一條，工程量為800m。布置于7-2 煤層下部5～10m 位置，與回順平距25～50m，與7-2 煤層間距7m，斷面4m×2.8m。見圖1。頂板瓦斯道采取一次性封閉，密閉引兩趟直徑300mm 抽采管路，抽采南二903 采空區卸壓瓦斯。

（2）鄰近采空區頂板瓦斯道

本工作面東鄰南二902 采空區，布置南二902 頂板瓦斯道；西鄰南二905 采空區，布置南二905 頂板瓦斯道。

南二903 工作面的回采將會形成區域性“三空”同存，見圖4“三巷”抽采布置圖。冒落及裂隙將三個采空區聯通互成氣候相似條件，原已靜止的南二902 采空區、南二905 采空區，瓦斯流被擾動打破靜平衡。按垂向分布南二902 采空區位于南二903 采空區上部，南二905 采空區位于南二903 采空區下部，采動打破鄰近采空區靜平衡后，南二905 采空區瓦斯將向上部移動和擴散，南二902 采空區瓦斯在富集后溢滿反向向南二903 采空區倒流，適量抽采鄰近采空區頂板瓦斯道，控制其向開采采空區移動和擴散。

圖4 “三巷”抽采布置圖

3.2 兩孔抽采方略

（1）順層卸壓鉆孔

工作面前方5～15m 范圍內受支撐壓力影響煤體破裂，瓦斯解吸釋放，回采前施工的順層鉆孔是抽采煤體卸壓瓦斯的最佳時期，距工作面30m 范圍的順層鉆孔可增加負壓，提高抽采量，減少煤體解吸瓦斯沿裂隙流入采空區。

（2）頂板斜交鉆孔

在采煤工作面回風道鉆場內向采空區施工斜交鉆孔，鉆孔終孔位置在裂隙帶內，抽采采空區卸壓瓦斯，見圖5。

圖5 斜交鉆孔布置示意圖

南二903 回順的頂板斜交鉆孔主要布置在回順與頂板瓦斯道之間，抽采頂板瓦斯道散漏的瓦斯，使上隅角瓦斯有鉆孔控抽。

3.3 一埋抽采方略

隨采煤工作面推進，在工作面上隅角埋設管路，進入采空區一定距離進行抽采，交替埋設，保證連續抽采，見圖6。

圖6 采空區埋管抽采布置示意圖

4 強沖擊危險首采面瓦斯治理方略實踐淺析

4.1 瓦斯治理方略的施工組織

（1）頂板瓦斯道作為主要、持久、穩定的瓦斯治理手段，一次性封閉加嚴。封閉時埋設兩趟直徑300mm 抽采管路，與回風道抽采干管連接，加設控制閥門，根據需要定量抽采。

（2）順層卸壓鉆孔在距工作面30m 范圍內抽采負壓達到13kPa，及時觀測和系統巡查。出現漏氣積水及時處理，與工作面距離不足一日回采時封堵報廢。

（3）南二903 工作面為強沖擊危險工作面，距工作面200m 范圍內生產期間兩順禁止任何人作業，斜交鉆孔需要連續施工，因此斜交鉆孔應超前工作面200～250m 打完。工作面支撐壓力對抽采鉆孔是不利的，過早會導致縮徑、垮塌或斷裂，直接影響斜交鉆孔的抽采效果，為此要求斜交鉆孔下全程套管護孔，維護和延遲孔壁破壞。

（4）及時按步距埋設上隅角抽放管，埋管的管口要貼近硬幫頂板，加防護罩遮擋頂板，管口進入封堵墻后，及時摔斷深部埋管。

4.2 瓦斯治理方略實踐應用效果分析

大興煤礦首個強沖擊危險工作面采用的“三巷、兩孔、一埋”瓦斯治理方略是否得當，應從瓦斯抽采量、風排瓦斯量、上隅角及工作面瓦斯濃度三個方面進行考量分析。

一般來說瓦斯抽采量越高，占工作面涌出量比率越大，風排瓦斯量越小；上隅角及工作面瓦斯濃度越低，考評效果越好；反之考評效果越差。

南二903 工作面從回采到結束瓦斯抽采數據觀測是連續的，從數據堆棧中擇選4 天的抽采數據進行分析，如表1 所示。

表1 大興煤礦南二903 工作面瓦斯治理方略瓦斯抽采數據表

分析結論：

（1）三巷抽采即南二903 頂板瓦斯道、南二902 頂板瓦斯道、南二905 頂板瓦斯道，其中南二903 頂板瓦斯道平均抽采瓦斯量為39.93m3/min，抽采瓦斯濃度25～46%，約占工作面瓦斯涌出量51%以上，瓦斯濃度與瓦斯量有區間性變化，見圖7、圖8。

圖7 瓦斯抽采流量變化趨勢圖

圖8 瓦斯抽采流量占比圖

分析原因是：大面頂板瓦斯道與回順平距一致，抽采量持穩，上隅角瓦斯控制較好；小面頂板瓦斯道與回順平距沿回順方向漸寬，抽采量穩中有變，上隅角瓦斯趨向增高。其鄰近工作面的頂板瓦斯道（南二902、905 頂板瓦斯道）平均抽采瓦斯流量9.92m3/min，瓦斯濃度在80～100%，大約占工作面瓦斯涌出量25%以上。三巷抽采方略中抽采瓦斯量一般為30.54m3/min，是瓦斯治理主導措施，在實踐中起到了關鍵作用。頂板瓦斯道設計應與回順等距，不等距對抽采有一定影響。

（2）兩孔抽采，其中斜交鉆孔平均抽采瓦斯量2.82m3/min，瓦斯濃度2～75%，一般占工作面涌出量7%，順層卸壓鉆孔平均抽采瓦斯量0.66m3/min，瓦斯濃度1-9%，基本上占工作面涌出量2%左右。從實際分析，頂板斜交鉆孔抽采效果較差，鉆孔濃度低，抽采量小，鉆孔通透性差。

分析原因是：鉆孔超前200m 施工，采取的全程套管護孔措施護孔材料強度不足以抵抗超前支撐壓力。

小回采自160m 至采止線段，為了既要適應采煤期間回順禁員，又要保證斜交鉆孔的有序施工，調整勞動組織時間，采取白班4 時20 分到礦入井，趕到零點班采煤機停產后進入回順200m 范圍內打鉆施工。通過鉆孔施工和數據觀測，單孔瓦斯濃度40～80%，單孔瓦斯混量5.45～13.61m3/min。該數據表明工作面支撐壓力對斜交鉆孔確有影響。

（3）一埋抽采，平均抽采量為1.85m3/min，抽采瓦斯濃度1～3%，占工作面抽采比率為5%。埋管作為瓦斯抽采的末端治理手段，選擇合理埋設管頭步距至關重要，從本工作面來看步距15～20m 較為合理。

5 結束語

南二903 強沖擊危險首采工作面采取以三巷抽采為主導，兩孔抽采為輔，一埋抽采為末的瓦斯治理抽采方略，從實際考評來看，總體上是合理的、有成效的。三巷瓦斯抽采方略規避了強沖擊危險對人的安全威脅，以超前、持穩的方式治理瓦斯。兩孔瓦斯抽采方略應充分考慮工作面支撐壓力帶來的縮徑、塌孔問題，調整勞動組織是一種方式，研究護孔工藝作為另一種積極策略。