近距離煤層開采瓦斯與火聯(lián)合防治研究

焦 東

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)塔山白洞井,山西 大同 037029)

煤自燃和瓦斯災(zāi)害始終是制約礦井安全生產(chǎn)的兩大災(zāi)害,特別是綜放開采方式的煤層群開采礦井,由于放頂煤的原因,致使與上覆采空區(qū)貫通,此時(shí)采空區(qū)瓦斯抽采量增加的同時(shí)也將增加煤層自燃的風(fēng)險(xiǎn)。因此,研究近距離開采綜放工作面瓦斯與火聯(lián)合防治技術(shù)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

蔣金泉等[1]采用實(shí)驗(yàn)室模擬開采模型及數(shù)值模擬,研究煤層覆巖采動(dòng)裂隙演化以及采動(dòng)支承應(yīng)力的變化對(duì)覆巖運(yùn)動(dòng)破壞的影響,進(jìn)一步分析探討了卸壓瓦斯運(yùn)移狀態(tài)。徐宇等[2]運(yùn)用數(shù)值模擬方法對(duì)煤自燃與瓦斯的復(fù)合致災(zāi)隱患區(qū)域進(jìn)行了判定與分析。賈寶山等[3]采用數(shù)值模擬的方法,選取不同試驗(yàn)因素計(jì)算得出工作面瓦斯與火協(xié)同防治的平衡點(diǎn),從而解決采空區(qū)瓦斯與火協(xié)同防治問題。景珂寧[4]研究了近距離易自燃煤層開采工作面瓦斯涌出、采動(dòng)覆巖裂隙演化、采場(chǎng)瓦斯運(yùn)移、采空區(qū)遺煤自燃等規(guī)律,形成了一套復(fù)合采空區(qū)瓦斯與火協(xié)同防治技術(shù)。石銀斌等[5]針對(duì)近距離煤層群開采多重采空區(qū)下某工作面瓦斯與火隱患共存的實(shí)際情況,提出了瓦斯與火復(fù)合災(zāi)害治理模式。楊小兵[6]對(duì)比分析了幾種瓦斯治理方法,研究表明用高位鉆孔抽采瓦斯能從根本上解決低瓦斯礦井工作面上隅角瓦斯超限問題。白慶華[7]提出一套高位鉆孔瓦斯抽采工藝,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)抽采效果明顯提高。賈廷貴等[8]模擬了抽采瓦斯對(duì)煤自燃誘導(dǎo)效應(yīng),明確了瓦斯與煤聯(lián)合作用下的礦井災(zāi)害問題。褚廷湘等[9]計(jì)算分析了采空區(qū)瓦斯抽采量對(duì)遺煤氧化進(jìn)而自燃的擾動(dòng)影響。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤層群開采瓦斯治理及采空區(qū)煤自燃防治進(jìn)行了大量研究。但多數(shù)專家學(xué)者忽略了卸壓瓦斯抽采條件下綜放工作面回風(fēng)、上隅角低氧等多種因素共同作用的結(jié)果。本文通過綜合研究覆巖裂隙演化規(guī)律、現(xiàn)場(chǎng)采空區(qū)氣體運(yùn)移特征及注氮量等幾個(gè)主要影響因素,分析研究瓦斯與火聯(lián)合防治下各個(gè)影響因素的關(guān)系效應(yīng),研究制定近距離煤層群綜放工作面采空區(qū)瓦斯與火聯(lián)合防治方案,可為類似礦井提供技術(shù)借鑒。

1 工程概況

山西大同某礦瓦斯涌出量小,絕對(duì)和相對(duì)涌出量分別為0.96 m3/min和0.51 m3/t。8108工作面位于C5#層南部301盤區(qū),工作面所在C5#煤層厚度4.2 m,自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ級(jí)(自燃),采用綜放一次采全高的開采方法。工作面采用“U”型通風(fēng),2108巷進(jìn)風(fēng),5108巷回風(fēng),實(shí)際配風(fēng)為1 720 m3/min,瓦斯絕對(duì)涌出量為0.18 m3/min。由于C3#—C5#層間距為3～5 m,因此該盤區(qū)與上覆層厚為3.3 m的C3#層南部301盤區(qū)屬近距離開采。C3#層南部301盤區(qū)于2008年開采結(jié)束,共封閉8個(gè)采空區(qū),其中8108對(duì)應(yīng)上覆層有C3#層8106工作面采空區(qū),該采空區(qū)積水已排放完,當(dāng)8108工作面進(jìn)入上覆采空區(qū)對(duì)應(yīng)位置開采時(shí),由于與上覆采空區(qū)近距離開采、采空區(qū)漏風(fēng)、采煤工藝(放頂煤)等因素導(dǎo)致工作面上隅角積氣,出現(xiàn)低氧、有害氣體積聚等安全隱患。

2 覆巖裂隙演化及氣體運(yùn)移規(guī)律

研究采用平面模擬試驗(yàn)裝置,根據(jù)實(shí)驗(yàn)室裝置尺寸和實(shí)際巖層確定幾何相似比為1∶100,模型模擬不到的巖層采用金屬塊配重代壓。根據(jù)幾何相似比與時(shí)間相似比之間的關(guān)系,確定時(shí)間相似比為1∶10;本試驗(yàn)相似模擬材料選用河砂、淀粉、石膏和水,密度相似比確定為1∶1.5;最后根據(jù)幾何相似比與密度相似比的關(guān)系確定應(yīng)力相似比為1∶150。模型尺寸為:長(zhǎng)×寬×高=2.0 m×0.2 m×1.1 m;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用10 cm×10 cm網(wǎng)格位移測(cè)線,記錄離層和裂隙的演變過程;底部布置應(yīng)力傳感器進(jìn)行采動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

2.1 近距離煤層開采覆巖垮落規(guī)律

由圖1可以看出C3#煤8106工作面推進(jìn)75 m時(shí),覆巖垮落影響范圍擴(kuò)展到6#測(cè)線即粉砂巖附近,此時(shí)高度距離C3#煤層頂板35 m。3#測(cè)線上測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)較大下沉且表現(xiàn)為不規(guī)則下沉垮落。4#—6#測(cè)線下沉量較小,表明該區(qū)域巖層受下方垮落巖層影響出現(xiàn)緩慢下沉,僅產(chǎn)生離層裂隙未發(fā)生垮落現(xiàn)象,此時(shí)該區(qū)域處于煤層采動(dòng)覆巖裂隙帶中。8106工作面推進(jìn)110 m后,處于垮落帶中的3#測(cè)線與其他測(cè)線下沉量差距變大,3#測(cè)線最大下沉量是其他測(cè)線測(cè)點(diǎn)最大下沉量的2倍。此時(shí),覆巖垮落影響范圍繼續(xù)向上發(fā)展,7#測(cè)線所在附近巖層出現(xiàn)離層下沉現(xiàn)象,其上測(cè)點(diǎn)采空區(qū)中部最大下沉量達(dá)到0.9 m。工作面推進(jìn)150 m后,處于巖層垮落帶內(nèi)的3#測(cè)線以及距離垮落帶最近的4#測(cè)線所在巖層位移下沉現(xiàn)象突出,其它測(cè)線下沉量較小。

圖1 C3#煤推進(jìn)過程位移變化特征Fig.1 Displacement variation of C3# coal seam during advancing process

由圖2可以看出,C5#煤8108工作面回采過程中,煤層群采動(dòng)裂隙相互貫通,2#測(cè)線范圍內(nèi)覆巖產(chǎn)生大的下沉,最大位移量2.7 m,導(dǎo)致其上3#—9#測(cè)線位移下沉量再次增大。C5#8108工作面推進(jìn)150 m時(shí)位于煤層間隔層內(nèi)的1#、2#測(cè)線位移下沉量變化較大,3#—9#測(cè)線則隨著覆巖高度的增大整體位移表現(xiàn)為逐漸減小的趨勢(shì)。

2.2 重復(fù)采動(dòng)下工作面支承應(yīng)力分布

C3#煤8106工作面回采完成后采空區(qū)上覆巖層整體性破壞,在下層C5#煤上方形成塑性區(qū)。隨著采空區(qū)下方C5#煤層的開采,應(yīng)力狀態(tài)重新分布,兩側(cè)邊界煤柱應(yīng)力集中，見圖3所示。

(a)不同推進(jìn)距下應(yīng)力集中系數(shù)

(b)不同回采時(shí)期應(yīng)力分布圖3 重復(fù)采動(dòng)下應(yīng)力分布特征Fig.3 Stress distribution under repeated mining

在工作面回采初期,其上覆巖層無法對(duì)底板形成壓力,工作面位于上煤層采空區(qū)壓實(shí)區(qū)外,工作面前方應(yīng)力集中系數(shù)2.0～2.2,遠(yuǎn)小于兩側(cè)邊界煤柱處的支承應(yīng)力,邊界煤柱處的應(yīng)力集中系數(shù)約是工作面前方應(yīng)力峰值的1.75倍,如圖3(a)所示。隨著工作面的推進(jìn),下層煤頂板隨采隨冒,煤層群采動(dòng)裂隙相互貫通,C5#煤層8108工作面處于C3#煤層采空區(qū)壓實(shí)區(qū)內(nèi),采空區(qū)下工作面形成不對(duì)稱的馬鞍形應(yīng)力分布,如圖3(b)所示。工作面回采后期,采空區(qū)中部形成新的壓實(shí)區(qū),應(yīng)力集中系數(shù)逐漸向原巖應(yīng)力狀態(tài)靠近。

2.3 煤層群重復(fù)采動(dòng)氣體運(yùn)移特征分析

如圖4所示為采空區(qū)上隅角混合氣體運(yùn)移狀態(tài)分布圖。可以看出,C3#煤層回采后,其上覆巖層下沉垮落,在采空區(qū)橫向方向上形成兩側(cè)裂隙區(qū)以及采空區(qū)中部覆巖垮落壓實(shí)區(qū)。C5#煤層開采后,采動(dòng)裂隙在重復(fù)開采的影響下相互貫通,卸壓瓦斯沿瓦斯運(yùn)移通道升浮、擴(kuò)散;底板方向的鄰近層也會(huì)因卸壓膨脹變形,使底板方向鄰近層瓦斯通過張裂隙進(jìn)入開采層采空區(qū)[10]。

圖4 煤層群采空區(qū)氣體運(yùn)移分布Fig.4 Gas migration and distribution in the goaf of coal seam group

瓦斯上升和擴(kuò)散過程中不斷摻入周圍CO2、CO、O2以及對(duì)采空區(qū)進(jìn)行防火、滅火的高濃度N2。氣體間在采空區(qū)氣體運(yùn)移通道(裂隙區(qū)內(nèi)橫向和縱向裂隙)內(nèi)發(fā)生了自平衡置換。大部分密度較大的CO2和O2向下運(yùn)移,在通風(fēng)負(fù)壓的作用下在巷道內(nèi)流通。密度較小的采空區(qū)遺煤瓦斯則沿著縱向裂隙向上運(yùn)移至垮落帶及裂隙帶臨界處的卸壓瓦斯儲(chǔ)集空間,而鄰近層及本煤層中殘留的CO和向采空區(qū)注入的高濃度N2則會(huì)隨著采空區(qū)漏風(fēng)帶出到上隅角從而造成低氧現(xiàn)象。

3 瓦斯與火聯(lián)合防治方案

分析和治理工作面上覆采空區(qū)積氣對(duì)解決工作面上隅角低氧,有害氣體積聚等隱患尤為重要,在8108工作面回風(fēng)順槽5108巷掘進(jìn)期間向上覆采空區(qū)間隔施工鉆孔,通過鉆孔閥門來定期檢測(cè)分析上覆采空區(qū)積氣并利用上覆采空區(qū)和工作面回風(fēng)順槽之間壓差來釋放上覆采空區(qū)積氣至回風(fēng)巷來達(dá)到減少工作面上隅角低氧、有害氣體積聚等問題。

1)在8108工作面回風(fēng)順槽5108巷施工鉆孔,通過鉆孔閥門把8108工作面上覆采空區(qū)積氣釋放至回風(fēng)巷已達(dá)到減少工作面上隅角低氧、有害氣體積聚等問題。

2)采用全風(fēng)壓導(dǎo)風(fēng)對(duì)上隅角積氣進(jìn)行稀釋,采用直徑400 mm風(fēng)筒從上隅角接至回風(fēng)繞道,利用工作面全風(fēng)壓對(duì)上隅角積氣進(jìn)行導(dǎo)流稀釋。

3)上、下隅角退錨和端頭封堵墻。在工作面回采過程中,及時(shí)采取退錨索措施,避免懸頂面積過大造成的采空區(qū)低氧氣體涌出、渦流積聚區(qū)面積增大、大面積垮落時(shí)大量低氧氣體瞬間涌出造成的持續(xù)低氧。同時(shí)施工端頭封堵墻,減少采空區(qū)漏風(fēng),從而保證上隅角風(fēng)流及時(shí)將有害氣體稀釋、吹散。

4)調(diào)整工作面注氮量。在保證采空區(qū)防、滅火情況穩(wěn)定的前提條件下,合理調(diào)整注氮量,減少采空區(qū)氮?dú)庖绯?從而保證上隅角氧氣濃度。采空區(qū)注氮量的大小是造成上隅角低氧的重要因素,當(dāng)注氮量為600～800 m3/h時(shí),上隅角氧氣體積分?jǐn)?shù)較未注氮時(shí)至少要下降0.5%。合理控制注氮量也能提高上隅角氧氣含量,在8108面設(shè)計(jì)注氮量為526 m3/h,為不出現(xiàn)上隅角低氧現(xiàn)象并同時(shí)在保證工作面沒有自燃隱患的要求下,將8108工作面注氮量降到420 m3/h～450 m3/h之間。

5)每天對(duì)上隅角不同氣體進(jìn)行體積濃度變化分析,及時(shí)調(diào)整風(fēng)量大小從而形成對(duì)有害氣體的稀釋作用。

4 現(xiàn)場(chǎng)鉆孔氣體成分分析

4.1 鉆孔施工方案

在8108工作面回風(fēng)順槽5108巷掘進(jìn)期間，向C3#煤層采空區(qū)施工鉆孔,其中5108巷1256 m處為1#鉆孔，1206 m為2#鉆孔，1156 m處為3#鉆孔，1106 m為4#鉆孔，1056 m為5#鉆孔。每個(gè)鉆孔相鄰50 m,并在鉆孔口加裝閥門,取樣化驗(yàn)后保持關(guān)閉狀態(tài),鉆孔布置位置見圖5所示。

圖5 取樣鉆孔布置示意圖Fig.5 Sampling borehole layout

4.2 鉆孔內(nèi)氣體含量分析

在8108工作面開采期間每天夜班分別對(duì)5108巷的5個(gè)鉆孔內(nèi)氣體情況進(jìn)行取樣化驗(yàn),如圖6所示。累計(jì)分析出瓦斯體積分?jǐn)?shù)最高達(dá)到1.3%,CO體積分?jǐn)?shù)最高為6×10-6,CO2體積分?jǐn)?shù)最大為10.6%,O2體積分?jǐn)?shù)最低達(dá)到8.0%。首先確定了C3#煤層8106采空區(qū)沒有自燃發(fā)火現(xiàn)象,其次針對(duì)上隅角積氣出現(xiàn)的低氧,有害氣體積聚等隱患進(jìn)行有效治理便可初步確保工作面安全生產(chǎn)。

(c)O2含量變化

(b)CO含量變化

(d)CO2含量變化圖6 1#—5#鉆孔內(nèi)不同氣體含量Fig.6 Content of different gasesin boreholes (from No.1 to No.5)

(a)CH4含量變化

5 結(jié)論

1)運(yùn)用物理相似模擬實(shí)驗(yàn),采用位移測(cè)點(diǎn)和底板應(yīng)力傳感器數(shù)據(jù)分析了近距離煤層重復(fù)采動(dòng)條件下覆巖位移變化及煤層應(yīng)力分布情況；為準(zhǔn)確掌握采空區(qū)混合氣體運(yùn)移通道演化趨勢(shì)及進(jìn)一步分析研究采空區(qū)混合氣體積聚、流動(dòng)情況提供了一定的基礎(chǔ)。

2)在綜采工作面回風(fēng)順槽向上覆巖層施工鉆孔,通過不同鉆孔歷史性氣體取樣分析，和8108工作面上隅角氣體濃度分析，得出該工作面上覆采空區(qū)未出現(xiàn)煤體自燃現(xiàn)象和上覆采空區(qū)氣體下泄。

3)通過在工作面回風(fēng)順槽施工鉆孔釋放積氣到回風(fēng)巷,以及對(duì)工作面上隅角采用全風(fēng)壓導(dǎo)風(fēng),上、下隅角退錨和端頭封堵墻等手段治理工作面上隅角積氣出現(xiàn)的低氧、有害氣體積聚等問題具有顯著效果。