基于后傾斜高抽巷為主體的堅硬頂板綜放工作面初采期瓦斯綜合治理

張利軍，張東鵬，張天明，羅仁俊，張 超，宋一帆，楊勝強

（1.山西潞安環保能源開發股份有限公司漳村煤礦，山西長治 046204；2.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇徐州 221116；3.中國礦業大學安全工程學院，江蘇徐州 221116）

針對堅硬頂板高瓦斯綜放工作面，初采期的采空區往往呈現出懸頂面積大及初次來壓高等特點[1-2]，導致初次來壓過程中出現瓦斯驟然大量涌出，引起瓦斯超限，甚至于瓦斯爆炸的事故發生[3]，嚴重威脅綜放工作面的生產安全。堅硬頂板綜放工作面初采期基本頂難以垮落，巖層裂隙難以溝通高抽巷或高位鉆孔[4-5]，高抽巷或高位鉆孔無法抽采采動卸壓瓦斯，采動卸壓瓦斯在工作面回風巷的負壓作用下滲流到采場空間，對于“U”型工作面，必然造成上隅角瓦斯頻頻超限[6]，使工作面因超限而斷電，因超限而停產，嚴重制約綜放工作面生產。針對初采期頂板不易垮落、高抽巷或高位鉆孔難以發揮作用、上隅角頻頻超限等問題，漳村煤礦展開有關與切眼貫通的后傾斜高抽巷抽采瓦斯技術研究[7]，對于消除綜放工作面初采期的瓦斯頻頻超限和根除瓦斯爆炸隱患具有十分重要的意義。

1 2601 綜放工作面初采期瓦斯涌出規律

2601 綜放工作面與2603 綜放工作面同屬26采區，處于同一瓦斯地質單元，開采近水平3#煤層，煤層瓦斯含量相近，與2603 綜放工作面初采期的瓦斯治理技術相比，2601 綜放工作面初采期主要利用高抽巷抽采瓦斯。由于堅硬頂板難以垮落，2601 綜放工作面初采期無采動裂隙溝通高抽巷，未能起到抽排卸壓瓦斯作用，從而導致難以垮落的堅硬頂板大面積初次來壓時采空區積聚瓦斯驟然涌出[8-9]，引起風流瓦斯超限。

為了解決2601 綜放工作面初采期采空區瓦斯驟然異常涌出引起瓦斯超限的問題，對2601 綜放工作面初采期回風流瓦斯體積分數隨堅硬頂板壓力變化的觀測數據進行統計分析，2601 綜采工作面初采期回風瓦斯體積分數隨堅硬頂板壓力的變化曲線如圖1。

圖1 2601 綜采工作面初采期回風瓦斯體積分數隨堅硬頂板壓力的變化曲線Fig.1 Mine pressure and gas concentration diagram in the initial mining period of 2601 working face

當綜放工作面推進20 m 時，直接頂垮落，支架壓力激增，則回風流瓦斯體積分數急升至1.4%；當綜放工作面推進37 m 時，基本頂垮落，支架壓力出現又1 個峰值，隨后回風流瓦斯體積分數達到1.5%?，F場觀測表明，因堅硬頂板難以垮落，高抽巷無采動裂隙溝通采空區，未起抽排瓦斯作用，而大面積堅硬頂板的突然垮落將導致綜放工作面回風流瓦斯體積分數超限[10]。

2 2603 綜放工作面初采期后傾斜高抽巷的布置

為了保證高抽巷在初采期起到“削峰平谷、整個初采期發揮作用，并形成采空區含瓦斯漏風匯”的作用，在初采期將高抽巷布置1 段后傾斜高抽巷，初采期“Y+后傾高抽巷”的巷道布置如圖2。

圖2 初采期“Y+后傾高抽巷”的巷道布置Fig.2 Roadway layout of 2603 working

由圖2 可知，后傾斜高抽巷從切眼開始就與綜放工作面相連。基于后傾斜高抽巷中掘進機在切眼上方施工時確保切眼頂板的穩定性，切眼處頂板距離后傾斜高抽巷必須保持10 m 垂高；同時考慮到后傾斜高抽巷的掘進機施工傾角不宜大于7°30′。因此，必須在高抽巷掘進到距離切眼100 m 時，即開始向下按照傾角7°22′向下施工。同時在切眼設置鉆場，采用φ133 mm 鉆頭在切眼鉆場向后傾高抽巷施工鉆孔11 個，其中7 個采用φ320 mm 鉆頭進行擴孔，將后傾高抽巷與切眼貫通，形成利用鉆孔與切眼貫通的后傾斜高抽巷。

后傾斜高抽巷在整個綜放工作面的初采期均能發揮削峰平谷的作用：①當風排瓦斯能力不足以排放采空區瓦斯涌出量時，開啟后傾斜高抽巷及其相連的高抽巷抽采瓦斯，彌補風排瓦斯能力不足，確保工作面及回風巷瓦斯不超限；②當直接頂或基本頂具有來壓跡象時，為了防治直接頂或基本頂來壓過程中瓦斯驟然被壓出，造成工作面及回風巷的瓦斯超限，立刻啟動后傾斜高抽巷抽采瓦斯，確保工作面及回風巷瓦斯不超限；③在綜放工作面的推進過程中直接頂到基本頂是逐層垮落的，產生的溝通裂隙是逐漸增加的，通過布置后傾高抽巷使采動裂隙能夠及時導通后傾高抽巷和高抽巷，從而及時抽走采空區的卸壓瓦斯，確保風流中瓦斯不超限。

3 基于后傾斜高抽巷的初采期瓦斯綜合治理機理

為了充分發揮高抽巷在2603 綜放工作面初采期抽采卸壓瓦斯及防治采空區瓦斯驟然涌出的作用，徹底消除2603 綜放工作面初采期的瓦斯超限問題，特創建基于后傾斜高抽巷為主體的初采期瓦斯治理技術體系，主要包括頂板預裂減少頂板垮落步距、隨著瓦斯涌出量的增加而增加供風量、切眼處打鉆貫通后傾斜高抽巷、與后傾斜高抽巷相連的高抽巷抽采瓦斯和“Y”型通風消除上隅角瓦斯積聚條件。

作用機理為：①在綜放工作面開采前，爆破預裂堅硬頂板，縮短初次來壓步距，減少初次來壓時的瓦斯驟然涌出量，確保初次來壓時風流中瓦斯不超限；②在頂板采動裂隙貫通后傾斜高抽巷之前，隨著瓦斯涌出量的增加而增加供風量，確保風流中瓦斯不超限；③為了提前發揮后傾斜高抽巷“削峰平谷”的抽采瓦斯作用，在后傾高抽巷的下方，切眼的后幫布置鉆場打鉆溝通后傾高抽巷。當風排瓦斯能力不足以排放采空區瓦斯涌出量時，開啟高抽巷抽采瓦斯，采空區卸壓瓦斯通過切眼鉆孔到達后傾斜高抽巷，被高抽巷抽走；④隨著綜放工作面推進，直接頂到基本頂逐層垮落，產生采動裂隙，但是裂隙溝通頂板的距離是逐漸增加的，通過后傾斜高抽巷使采動裂隙能夠及時導通后傾斜高抽巷和高抽巷，及時抽走采空區的卸壓瓦斯，確保風流中瓦斯不超限；⑤“Y”型通風方式徹底消除了上隅角的瓦斯積聚條件。這5 個方面的作用確保了2603 綜放工作面初采期處于“本質安全型”狀態。切眼打鉆溝通后傾高抽巷剖面圖如圖3。

圖3 切眼打鉆溝通后傾高抽巷剖面圖Fig.3 Sectional view of the rear-inclined high-draining roadway

4 “Y+高抽巷”工作面采空區瓦斯涌出規律數值模擬

通過分析采空區瓦斯來源，應用comsol 進行了數值模擬采空區的瓦斯設置，模型網格劃分如圖4。

圖4 模型網格劃分Fig.4 Cloud map of gas concentration distribution

將采空區遺煤、圍巖作為1 個瓦斯釋放源，將工作面作為1 個瓦斯釋放源。根據漳村礦3#煤層2603工作面瓦斯源單元法現場測定，煤壁及采落煤的瓦斯涌出量為10.35 m3/min，取遺煤厚度0.4 m，遺煤瓦斯涌出量為19.75 m3/min。

式中：Qs為模型瓦斯質量源，kg/（m3/s）；Qg為瓦斯涌出量，m3/s；ρg為瓦斯密度，取0.716 7 kg/m3；V為瓦斯質量源項所占總體積，m3。

可得，工作面煤壁瓦斯涌出質量源為2.7×10-5kg/（m3/s），采空區及鄰近層瓦斯涌出質量源為5.1×10-6kg/（m3/s）。幾何模型基本參數設置見表1。

表1 幾何模型基本參數設置Table 1 Basic parameter setting of geometric model

瓦斯體積分數分布云圖如圖5。截取模擬結果中采空區z=5、10、15 m 3 個水平層位的瓦斯體積分數分布云圖進行分析。

圖5 瓦斯體積分數分布云圖Fig.5 Cloud diagrams of gas concentration distribution

由圖5 可知，層位越低瓦斯體積分數也越低，下部孔隙率較上部低，所以瓦斯多積聚在上部，高抽巷的負壓也導致混合氣體傾向于向高抽巷斷頭處聚集。這與采空區孔隙率、瓦斯密度、高抽巷抽采負壓3 個因素有關?？拷ぷ髅娴牟煽諈^瓦斯體積分數出現波浪分布趨勢，與采空區漏風有關，瓦斯體積分數較低。采空區深度瓦斯體積分數很高，尤其是在靠近高抽巷斷頭處的瓦斯體積分數最高，主進風巷漏入的風流攜帶著采空區內瓦斯運移到高抽巷附近時，高抽巷發揮出明顯的截流作用，將瓦斯抽到采空區內。2 條進風巷瓦斯體積分數為0，工作面瓦斯體積分數約為0.3%，沿空留巷瓦斯也很低，符合安全生產要求。

5 基于后傾斜高抽巷的初采期瓦斯綜合治理效果

通過對比分析2603 工作面與2601 工作面初采期的瓦斯抽采效果，可充分驗證基于后傾斜高抽巷為主體的初采期瓦斯綜合治理效果。2601 工作面與2603 工作面初采期高抽巷抽采量對比如圖6。

圖6 2601 工作面與2603 工作面初采期高抽巷抽采量對比Fig.6 Comparison of the extraction volume of the highdrainage roadway during the initial mining period of the 2601 and 2603 working faces

由圖6 可知，將2601 工作面的“高抽巷”改為2603 工作面的“與切眼貫通的后傾斜高抽巷”后，2603 工作面的后傾斜高抽巷抽采瓦斯能力隨時可以發揮作用，徹底消除了堅硬頂板條件下因高抽巷不起作用所造成的瓦斯積聚與超限。

從圖6 可以看出，直接頂垮落時，2601 高抽巷的瓦斯抽采量為13.1 m3/min，而2603 高抽巷為14.1 m3/min；基本頂垮落時，2601 高抽巷為16 m3/min，而2603 高抽巷為19.6 m3/min；同時統計計算得出2603工作面初采期后傾斜高抽巷的平均瓦斯抽采量為7.72 m3/min，大于2601 高抽巷的平均瓦斯抽采量5.94 m3/min；后傾斜高抽巷治理頂板垮落的驟然瓦斯涌出能力和整體治理瓦斯能力大大增強。2601 工作面與2603 工作面初采期回風流瓦斯體積分數變化對比如圖7。

圖7 2601 工作面與2603 工作面初采期回風流瓦斯體積分數變化對比Fig.7 Comparison chart of gas concentration change of return air flow during initial mining period of 2601 and 2603 working faces

由圖7 可知，在整個初采期2603 工作面回風流瓦斯體積分數均不超限，而2601 工作面初采期的瓦斯體積分數均較高，在直接頂和基本頂垮落時回風流瓦斯體積分數均超限，對初采期的工作面安全生產構成嚴重威脅。

通過以上分析得知，與切眼貫通的后傾斜高抽巷瓦斯抽采能力明顯提高，生產安全得到保障，后傾斜高抽巷在初采期發揮了巨大的作用。

6 結 語

1）通過分析2601 綜放工作面初采期瓦斯體積分數變化規律，發現初采期的直接頂和基本頂垮落是造成瓦斯驟然涌出和上隅角及回風流瓦斯超限的直接原因，而高抽巷在初采期沒有發揮抽采瓦斯作用是主要的技術原因。

2）按照“削峰平谷、整個初采期發揮作用，并形成采空區含瓦斯漏風匯”的原則，在初采期將高抽巷布置一段后傾斜高抽巷，有效解決了風排瓦斯能力不足、直接頂或基本頂來壓過程中瓦斯驟然被壓出及高抽巷不能隨時發揮作用等原因所導致的工作面和回風巷瓦斯超限問題。

3）創建了基于后傾斜高抽巷為主體的初采期瓦斯治理技術體系，包括頂板預裂、隨著瓦斯涌出量的增加而增加供風量、切眼處打鉆貫通后傾斜高抽巷、高抽巷抽采瓦斯和“Y”型通風。

4）通過2603 工作面與2601 工作面初采期的瓦斯抽采效果對比分析，驗證了后傾斜高抽巷在初采期的瓦斯抽采效果及其瓦斯治理能力，有效解決了堅硬頂板高瓦斯工作面初采期驟然瓦斯涌出和瓦斯超限問題，瓦斯綜合治理的效果突出。