回采工作面瓦斯防治技術(shù)研究

肖 健，黃晶晶，單文選

（華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊065201）

0 引 言

隨著煤炭企業(yè)井下采掘作業(yè)的不斷進行，我國煤礦開采煤層的埋藏深度呈現(xiàn)逐年增大的趨勢。大多數(shù)煤層的瓦斯含量及瓦斯壓力與煤層埋藏深度之間存在一定的相關(guān)性，同一煤層埋藏深度越大瓦斯含量、瓦斯壓力總體上也在不斷增大，隨之而來就是采掘活動危險性增加。

回采工作面瓦斯治理是煤礦企業(yè)瓦斯治理工程中必不可少的一部分，此前諸多學(xué)者對其進行研究。周錦萱[1]以采煤工作面瓦斯絕對涌出量增大為研究對象，設(shè)計使用順層孔預(yù)抽瓦斯、專用瓦斯排放尾巷等措施。胡文浩[2]通過分析工作面瓦斯來源，設(shè)計“偏W型通風+迎面斜交鉆孔抽放”方案。呂斌[3]建議采用采前預(yù)抽、高位鉆孔抽采等等大而全的瓦斯治理措施。李艷奎等[4]按照瓦斯來源將瓦斯抽采方法分為四類，利用數(shù)據(jù)軟件分析將回采面瓦斯治理分為4個級別。袁湘濤等[4]通過研究巖溶瓦斯來源及規(guī)律，最終形成“四位一體”防治技術(shù)。陳功華[5]應(yīng)用穿層和順層相結(jié)合的方式抽采本煤層瓦斯，高位施工瓦斯抽采鉆孔和采空區(qū)埋抽采管的方式進行瓦斯治理。孟凡林[6]針對特厚煤層綜放開采的致裂增透、采前預(yù)抽、上隅角插管抽采等多種方式并舉的瓦斯治理方法。范尚崇[7]提出頂板低位斜向鉆抽采鉆孔孔和高抽巷抽采鉆孔彼此結(jié)合的卸壓煤層瓦斯治理技術(shù)方案。郭四龍[8]提出頂板高位抽放、本煤層增透加強預(yù)抽等多種抽采方式相結(jié)合的抽放方法。張志晶[9]研究回采時存在的瓦斯問題，提出“一段一策”針對性治理方案。以上研究成果能在某些特殊條件下取得良好的效果，但不免存在治理成本高昂，甚至過度治理的情況。本文以平煤股份六礦戊9-10-22120工作面為研究對象，研究識別瓦斯危險性和針對性瓦斯治理，最大程度上減少瓦斯治理成本。

圖1 戊9-10-22120工作面布置示意Fig.1 Layout of No.戊9-10-22120 working face

根據(jù)地勘鉆孔探測和已掘進的巷道情況，工作面煤層厚度為2.3～2.9 m，平均煤厚為2.7 m，最大煤厚達到6 m。煤層賦存具體表現(xiàn)為，里、外段煤厚基本穩(wěn)定，中段煤層受構(gòu)造影響，表現(xiàn)較為復(fù)雜，煤層厚度變化大。該工作面煤層傾角基本穩(wěn)定，大致在7～13°，平均為10°左右，與上部已開采結(jié)束的保護層戊8煤層平均有12 m的間距。

2 瓦斯基本情況

2.1 保護層開采可靠性

《防治煤與瓦斯突出細則》[10]指出開采保護層在煤礦企業(yè)瓦斯治理中應(yīng)當優(yōu)先選用。該礦開采的各煤層中，丁5-6由沈陽煤科院鑒定為突出煤層；戊9-10煤層-650 m等高線以深由河南理工大學(xué)鑒定為突出煤層；戊8煤層在目前的開采范圍內(nèi)為非突出煤層。

戊9-10-22120采面上部的戊8-22100工作面、戊8-22120工作面開采厚度均為2.0 m。戊8煤層為非突出煤層，戊9-10煤層為突出煤層，可將戊8煤層作為戊9-10煤層的組內(nèi)上保護層。

（1）上保護層有效垂距分析。

上保護層保護垂距小于50 m即為保護有效，戊8與戊9-10煤層之間的煤層間距在12 m左右，最大間距未超過50 m，因此戊9-10-22120采面處于戊8-22100工作面、戊8-22120工作面的有效保護垂距范圍之內(nèi)。

（2）沿傾斜方向保護范圍分析。

傾向卸壓角δ1、δ2與煤層參數(shù)關(guān)系如圖2所示。由于該礦井無實測的卸壓角，卸壓角參考《保護層開采技術(shù)規(guī)范》中所給的參考數(shù)據(jù)，見表1。

圖2 傾向保護范圍示意Fig.2 Tilt protection range

表1 沿傾斜方向的卸壓角取值Table 1 Values of pressure relief angle along the inclined direction

戊9-10-22100采面煤層傾角平均10°，δ1、δ2均為75°。

根據(jù)圖2所示的三角形關(guān)系得：

通過計算得到戊9-10-22100工作面機、風巷與上保護層戊8煤層對應(yīng)位置垂直內(nèi)錯3.22 m。

（3）沿走向方向的保護范圍。

若卸壓時間充分，保護層走向邊界可按δ3=56～60°劃定，如圖3所示。

圖3 保護層工作面始采線、采止線和煤柱的影響范圍Fig.3 Influence range of starting line,stopping line and coal pillar in working face of protective layer

戊8-22100工作面、戊8-22120工作面采完時間距戊9-10-22100工作面開采時間超過3個月，近距離保護層卸壓充分，卸壓角取安全保守值56°。根據(jù)理論計算和實際開采情況相結(jié)合，戊9-10-22100工作面僅西北角的一個小范圍和受上部工作面預(yù)留煤柱影響的一部分不在保護范圍內(nèi)。

2.2 瓦斯涌出量預(yù)測

（1）掘進期間涌出量預(yù)測。

根據(jù)分源預(yù)測方法，掘進工作面瓦斯涌出量預(yù)測用絕對瓦斯涌出量表達，采用式（1）計算掘進工作面巷道煤壁絕對瓦斯涌出量，采用式（2）計算掘進工作面落煤絕對瓦斯涌出量，采用式（3）計算掘進工作面絕對瓦斯涌出量[11]。

式中：q1為掘進工作面巷道煤壁絕對瓦斯涌出量，m3/min；q2為掘進工作面落煤絕對瓦斯涌出量，m3/min；q掘為掘進工作面絕對瓦斯涌出量m3/min；D為巷道斷面內(nèi)暴露煤壁面的周邊長度，m（取2倍開采層厚度，最大煤厚4.0 m）；v為巷道平均掘進速度，m/min；q0為煤壁瓦斯涌出強度，m3/（m2·min）；L為巷道長度，m；S為掘進巷道斷面積，m2；γ為煤的密度，t/m3；W0為煤層原始瓦斯含量，m3/t；；WC為運出礦井后煤的殘存瓦斯含量，m3/t。

經(jīng)計算得到q1=2.43 m3/min，q2=0.07 m3/min，q1+q2=q掘=2.50 m3/min。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)預(yù)測得到戊9-10-22120工作面巷道掘進期間瓦斯涌出量為2.50 m3/min，實際掘進過程中測試數(shù)據(jù)最大值為1.78 m3/min。

（2）回采期間涌出量預(yù)測。

回采期間相對瓦斯涌出量采用式（4）計算。

式中：q采為開采層相對瓦斯涌出量，m3/t；K1為圍巖瓦斯涌出系數(shù)，取1.1～1.3；K2為工作面丟煤瓦斯涌出系數(shù)，取1.05（回采率95%）；K3為采區(qū)內(nèi)準備巷道預(yù)排瓦斯對開采層瓦斯涌出影響系數(shù)，K3=（L-2h）/L，取0.86；L為工作面長度180 m；h為巷道預(yù)排等值寬度12.4 m；m為開采層煤層厚度，2.7 m；M為工作面采高，2.7 m；Wo為煤層原始瓦斯含量，4.44 m3/t；Wc為煤層殘存瓦斯含量，2.10 m3/t

經(jīng)計算得到：q采=2.33 m3/t

戊9-10-22120采面回采時相對瓦斯涌出量為2.33 m3/t，該采面最大日產(chǎn)量3 000 t，其絕對瓦斯涌出量為：

工作面回采期間在日常3 000 t的前提下，絕對瓦斯涌出量預(yù)測值為4.85 m3/min。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造情況

根據(jù)上下部采空區(qū)及戊9-10-22100工作面機、風巷掘進統(tǒng)計，落差8.5、4.5、6.0 m這3條對戊9-10-22120采面有影響較大，其它落差大于1m且影響較小的斷層有11條，共計14條。戊9-10-22100工作面地質(zhì)資料統(tǒng)計中并未發(fā)現(xiàn)褶皺，初步確定戊9-10-22120無褶皺影響。

3 瓦斯危險性識別

3.1 瓦斯參數(shù)驗證

工作面回采過程中，使用復(fù)合指標法進行不間斷驗證，每間隔10 m布置1個孔長為10 m、孔徑為42 mm驗證孔，布置示意如圖4所示。鉆孔開孔位置附近若存在軟分層，應(yīng)當將鉆孔布置在軟分層。使用風煤鉆帶動麻花鉆桿，鉆進速度控制在1 m·min-1，每鉆進1 m用WY-1型瓦斯涌出初速度測定儀測定瓦斯涌出初速度q值，并搜集鉆進過程中鉆孔所排出的所有煤粉，用彈簧秤測定S值。鉆孔瓦斯涌出初速度和鉆屑量均取一個測試循環(huán)中的最大值進行驗證。

圖4 驗證孔布置Fig.4 Arrangement of verification holes

如果測得的指標都在突出危險臨界值以上或超前鉆孔等發(fā)現(xiàn)突出預(yù)兆時，該區(qū)域驗證為突出危險區(qū)。驗證孔數(shù)據(jù)未顯現(xiàn)突出危險時，允許進尺48 m。

3.2 斷層探測

為保障回采過程安全高效需進行回采面斷層情況精確探測，以回采面中心點為基點布置3個探構(gòu)造孔，鉆孔間距和鉆孔深度分別為50 m、30 m，如圖5所示。斷層探測過程中，為充分提高鉆孔利用效率，在鉆孔深度10、20、30 m時分別取1個煤樣進行瓦斯含量測試，用以掌握前方瓦斯情況。

圖5 探構(gòu)造孔布置示意Fig.5 Arrangement of prospecting holes

4 瓦斯治理措施

4.1 瓦斯排放

回采工作面出現(xiàn)驗證數(shù)據(jù)超標時，停止采掘作業(yè)。在工作面每隔1.5 m施工1個φ89 mm的瓦斯排放鉆孔，孔深為25 m，保留20 m超前距，工作面上下各留3架，鉆孔間距1.5 m，呈三花眼布置，如圖6所示。排放時間以最后一個鉆孔結(jié)束不低于2 h為準。

圖6 措施孔及校檢孔布置示意Fig.6 Arrangement of measuring hole and checking hole

在施工措施孔期間制定專項措施，內(nèi)容包括防火、防塵、防機械損傷、防冒頂片幫等，并在實施中嚴格執(zhí)行。效檢過程中任一點任一參數(shù)超標時均為措施無效，效檢不超標且無其他異常情況時，工作面允許進尺4.8 m。當效檢超標時，必須采取重新施工排放鉆孔措施或延長鉆孔瓦斯釋放時間的措施后重新效檢，直至不超標為止。

4.2 過斷層技術(shù)措施

近距離上保護層開采后對該工作面有卸壓和瓦斯釋放作用，相關(guān)的斷層等地質(zhì)構(gòu)造也相對清晰，發(fā)生危險的可能性較小。當探構(gòu)造孔發(fā)現(xiàn)前方有斷層時，工作面回采應(yīng)在距離斷層7 m時停止回采，立即施工鉆孔對斷層處進行煤層瓦斯含量、鉆屑量、鉆孔涌出初速度3個參數(shù)的測定。若發(fā)現(xiàn)有任何一個參數(shù)超過規(guī)定的突出危險臨界值時，進行措施布孔密度施工瓦斯排放鉆孔。最后一個鉆孔結(jié)束不低于2 h，再次測量煤層瓦斯含量、鉆屑量、鉆孔涌出初速度，直至所有參數(shù)均低于規(guī)定的突出危險臨界值，否則進行“措施-校驗”的循環(huán)。

5 結(jié) 論

（1）分析得到戊8-22120工作面及戊8-22100工作面開采對戊9-10-22120工作面有保護效果。

（2）計算得到戊9-10-22120采面回采期間瓦斯涌出量，最大絕對瓦斯涌出量為4.85 m3/min。

（3）有針對性的提出了戊9-10-22120采面瓦斯治理措施和過斷層技術(shù)措施。