切頂卸壓沿空留巷綜采工作面瓦斯治理技術

＊高小波

（山西焦煤西山煤電集團礦業管理有限公司 山西 030053）

切頂卸壓沿空留巷技術在煤礦生產中礦壓方面的應用效果良好，具有定向斷裂煤礦采空區頂板的作用，進而有助于在區段煤柱全部取消的情況下實現切縫自行垮落成巷操作，而該操作的實現具有提升煤炭開采率的作用，可在一定程度上修復被破壞的巖體，降低沿空巷道支護施工的難度系數。但是，在實際的煤礦開采過程中，因開采區巖體較為堅硬，增加了切縫自行垮落成巷的操作難度，不利于冒落自行垮落工作面的形成，加之冒落帶在發生斷裂時所產生的沖擊力會對采空區聚集的高濃度瓦斯產生一定推力，進而容易引發瓦斯突涌問題，需要相關負責人利用瓦斯治理技術進行解決。

1.瓦斯治理技術概述

近幾年，隨著瓦斯治理技術研究的逐步深入，我國瓦斯治理技術的應用效果良好，其與煤礦企業科學選擇瓦斯治理技術以及重視瓦斯抽采綜合評價等有關。

（1）瓦斯治理。安達煤業的開采屬于近距離煤層群，其中首層以及突出層均為3號煤層，依據國家相關規定，針對突出礦井的開采需要遵循“不掘突出頭，不采突出面”原則。安達煤業1334運輸巷主要的防突措施是在3號煤層低板施工抽放巷，隨后進行鉆孔施工，以便于完成預抽施工并實現降低煤層瓦斯的目標，有助于增加巷道開采的安全系數。與運輸巷的開采不同，輔運巷的開采有距離要求，常規下需要在50m開外對回采區煤體進行煤層鉆孔以及抽取瓦斯等，瓦斯抽取過程中需要使用的鋼管規格為無縫D273mm×8mm，而1334綜采面所形成的瓦斯抽取以及回風巷留管抽放均為綜合試抽取模式[1]。

安達煤業在認真吸取瓦斯事故教訓之后，十分重視瓦斯治理技術，并且十分注重利用先進技術推進傳統煤礦企業向現代化方向發展，為實現保護生命安全以及保護自然環境的目標，瓦斯治理技術的應用十分重要，且具有一定的治理理念。首先，一切為了發展，一切為了職工，瓦斯的利用是把雙刃劍，日常的瓦斯抽放應轉變成瓦斯抽采，且煤礦的開采需要與瓦斯抽采同時進行，合理利用與治理，并做好預防瓦斯突涌以及超限等工作。其次，先進生產的實現需要保證安全生產，科學治理瓦斯是煤礦發展的必然要求，精細化管理瓦斯治理技術是瓦斯治理的關鍵，瓦斯的抽采應遵循可保盡保、應抽盡抽的原則，做到先抽后采、實時監管、以風定產，而具體治理需要遵循高投入、高素質、強基礎以及嚴管理等方針[2]。最后，瓦斯的治理需要做好通風工作，掘進先行，以抽采為重點，防止瓦斯突涌。

（2）瓦斯治理技術研究成果。①煤與瓦斯突出動態預測技術。煤與瓦斯突出的非接觸式預測主要是指實時監管瓦斯及媒體信號的一種連續動態預測技術，該技術具有實時連續監測以及測試簡單等特點，屬于先進瓦斯治理技術之一。依據對瓦斯突涌動態變化規律以及危險系數的分析，實時監測瓦斯動態突涌波形，并將其危險指標系數進行提取，以此為參考確立煤巷掘進瓦斯動態突涌指標，以便于用來判斷綜采面所屬地點安全系數以及潛藏的安全風險等，有助于實現對瓦斯突涌的實施觀測，并提供一種新的監測方法。AE聲發射監測煤與瓦斯突出屬于一種AE聲發射濾噪綜合治理技術，具有多種信號提取方式，如抑噪、隔噪以及濾噪等，屬于濾噪技術研究的新突破，具有分析、總結AE發聲規律以及瓦斯災害的作用[3]。此外，針對于含瓦斯煤巖流變被破壞過程的實時監測，過程中產生的電磁輻射信號及脈沖數會對瓦斯的突涌產生一定影響，加強對二者的研究是做好瓦斯突涌預測工作的前提條件，其中涉及的臨界值法與動態趨勢法均具有預警瓦斯災害的作用，可借助連續監測儀對煤巖及瓦斯動態進行監測。

②煤與瓦斯突出區域預測技術。針對于煤礦突出區域瓦斯的預測，工作人員可以考慮使用瓦斯地質理論與物態技術兩種方法，可以利用瓦斯地質法創建瓦斯突出區域預測新方法，改進方法具有集成化以及多尺度的特點，能夠提出瓦斯地質單元的基礎構造為軟煤厚度以及煤層瓦斯壓力指標。隨后工作人員可以創建WebGIS信息平臺，并利用地球物理探測技術對礦井瓦斯富集區進行勘測，隨后再通過地震反演技術、瓦斯地質技術以及3D3C地震技術等構成新的地震預測模式用于探測礦井瓦斯[4]。與此同時，工作人員可以利用地質動力區劃分法找出煤礦掩體應力狀態突出的原因，明確劃分出應力升高區、降低區以及應力梯度等，并通過多因素模式的識別與預測分析確定最大主應力，便于工作人員以此劃分危險區以及安全區，有助于實現對突出區瓦斯預測的可視化監管。除此之外，電磁波透視技術可以探測煤層中瓦斯災害區域，創建電磁波反射和吸收數據系統，以此獲得瓦斯災害具體位置以及分布規律等，有助于相關臨界值的識別與計算，進而有助于逐步創新與完善煤礦瓦斯預測技術體系，提高突出預測的精準度，降低煤礦掘進、開采過程中瓦斯超限問題出現的幾率，提高掘進效率。

③瓦斯煤塵爆炸危險性預測評價技術。煤礦開采過程中經常會存在瓦斯煤層爆炸事故，不僅危害人員生命健康，還會增加國家經濟損失。為此，針對于煤層瓦斯爆炸的相關研究十分重要，需要工作人員利用先進技術創建粉塵燃燒模型，總結粉塵空氣混合物點火時導熱材料燃燒機理，并根據瓦斯爆炸相關特性進行點火試驗，以此得出高溫固體燃料燃燒時所產生的輻射與瓦斯爆炸范圍內瓦斯濃度高低有關，瓦斯濃度越高，燃燒速度越快且燃點越低，此時如若空氣溫度偏低，則固體燃燒時的火焰會出現加速現象，此時可能會存在輻射熱損失現象，加之空氣中若有粉塵混合物影響火焰燃燒的穩定性，則工作人員可以通過對瓦斯煤層環境下的相關系數進行計算，以此總結出瓦斯爆炸時爆炸波及火焰的變化情況。隨后，煤礦企業還需要創建礦井瓦斯煤塵爆炸預防模型，用事故分析方法對礦井的掘進及開采綜合面進行研究，重點研究切頂卸壓沿空留巷技術，可以有效防止爆炸事故的發生，并為礦井開采尋找新途徑，而瓦斯煤層爆炸危險性預測評價技術的研發，是瓦斯治理技術獲得進步的重要表現。

2.安達煤業工程概況

安達煤業1334綜采工作面的具體區域是在第一水平東翼13采區三區段的第4個工作面，工作面走向長641m，傾斜長120m，煤層平均厚度2.2m，傾斜角度25°左右，區域以焦煤為主，而區域內的粉塵巖厚度在10m左右，中間夾雜著細沙巖以及磷鐵礦。因磷鐵礦呈現透鏡狀，所以整體巖體的層理為波狀形，此為直接頂，而針對于老頂而言，粉砂質泥巖的厚度在8m左右，中間夾雜有細沙巖以及粉砂巖等，日常開采過程中可能還會發現巖體內部存在動物化石[5]。

1334運輸巷巷道的常規尺寸是4400mm×2500mm，開采與掘進過程中常用的支護施工方法為樹錨、鋼帶以及金屬網等材料，而在工作面的回采期間運輸巷經常使用的切頂卸壓沿空留巷技術需要單體液壓支柱的支持，具體的型號為DW25-300/100，此為金屬鉸接頂梁超前支護施法，隨后沿空留巷技術的應用需要每隔10min完成一次切頂線后方沙袋墻的砌筑，該墻體的厚度大致為0.8m[6]。而運輸巷的內距采面煤壁的厚度可在20m左右，并在沿巷道上幫頂板處設計眼距5m、孔徑為42m的深孔聚能預裂爆破眼，各眼距之間需間隔0.5m，具體樣式見下圖1所示。當前，安達煤業1334綜采工作面所應用的瓦斯治理技術包括煤與瓦斯突出動態預測技術以及煤與瓦斯突出區域預測技術。

圖1 切頂卸壓沿空留巷工程圖

3.切頂卸壓沿空留巷綜采工作面瓦斯治理技術問題

（1）支護方式較為傳統?，F如今，仍然有部分地區受經濟發展較為落后的影響，煤礦的開采依然使用的是傳統的沿空留巷支護技術，即巷道上幫沒有砌墻環節，僅是在沿空留巷內以間隔10m的方式砌筑沙袋墻用以推進支護施工工程，針對于采煤工作面的風流部分，工作人員可以通過下尾巷沿空留巷的上幫進入采空區，以此與下尾巷道形成漏風區域，漏風區的產生容易引發自然火災，進而容易為煤礦的掘進與開采施工留下安全隱患。常規情況下，煤礦采空區的瓦斯運移具有特定規律，且其瓦斯濃度通?？煞譃?帶，分別是滯留帶、過渡帶以及涌出帶等，而工作面煤壁的距離大小并非一成不變，其會隨著采空區與工作面的間距大小而改變。采空區中瓦斯的運移會受通風系統的影響，如若采面上隅角的通風壓力降低，且采空區的風速呈現U型分布，瓦斯會因漏風而集中至上隅角位置，具體見圖2。

圖2 切頂卸壓沿空留巷采空區漏風示意圖

（2）懸頂發生循環斷裂。運輸巷頂板在經過切頂爆破后會隨著采面進入采空區，如若此時懸頂的長度及寬度達到一定程度，則在受到上覆巖層壓力的作用下，懸頂容易發生循環斷裂現象。常規情況下，若是尚未經過運輸巷切頂卸壓采空區頂板的垮落過程，則采面的中下部兩段不會出現垮落現象，通常都是在采面的上下兩端發生垮落，隨后利用運輸巷切頂卸壓技術可將采空區跨落方向調整至下端頭后方，使其從下往上逐漸垮落。當1334工作面的頂板巖體斷裂后，垮落的塊體體積較大且形狀規則，其下端頭懸頂斷裂長度為6.5m左右，再通過強制放頂操作之后，垮落的巖塊長度可達4m左右，厚度約為3m左右，因下端頭采工區的巖塊垮落具有間斷性特點，所以當有大塊兒巖體垮落時會對采空區的空氣流動產生不良影響，導致采空區下半部分空氣發生混亂，擾亂了瓦斯原有的移動方向及速度，容易引發瓦斯超限問題[7]。

（3）存在瓦斯超限問題。安達煤業1334綜采工作面的頂板較為堅硬，常規下其下端后放的采空區頂板可能會存在斷裂或者塌方的問題，一旦出現此類安全事故，則會造成超前支撐壓力的傳遞遭受阻礙而無法正常傳送至前方煤壁，長期以往，會使得綜采工作面下端煤體出現瓦斯泄露事故，致使綜采工作面的機道以及回風流出現瓦斯超限問題。此外，在煤巷掘進過程中，工作面出現破口、風筒脫節等問題時，可能會導致瓦斯集聚出現超限問題，具體解決方案有兩種，一種是更換高質量風筒以及解決風筒脫節問題；另一種是工作人員需要注重風筒的維修與養護，小心運送，規范化安裝，并在后期的爆破施工中科學控制炸藥量，避免爆破損壞風筒。

4.切頂卸壓沿空留巷綜采工作面瓦斯治理技術應用

(1)瓦斯治理技術的改進

解決綜采工作面上隅角瓦斯聚集問題的有效方式是瓦斯治理技術的改進，修復采空區的漏風區域，減少或防止空氣進入工作面，進而能夠避免出現瓦斯積聚現象。1334綜采工作面在剛進行開采階段，其標準配風為1440m3/min，為避免出現瓦斯超限問題，回風流的瓦斯最大值不應超過0.8%，上隅角的瓦斯最大值不應超過1.2%，依據工作人員對于礦井采掘工作面的日常管理，工作人員可以依據切頂卸壓沿空留巷綜采面的瓦斯治理要求對瓦斯技術進行改進，以便于技術改進能夠符合綜采面的瓦斯治理要求。

(2)瓦斯治理技術應用效果

1334綜采工作面開采初期，瓦斯超限問題普遍存在，因生產缺乏規律性，所以需要礦井管理人員組織各施工人員進行現場情況分析與討論，找出瓦斯超限產生原因，并總結出瓦斯流動及其變化規律，有助于瓦斯治理技術的合理應用以及治理方案的科學制定，如在沿空巷道上幫砌筑超高水材料隔離墻，在下端頭懸頂砌筑擋風墻，用以擋住上隅角以及回風巷的瓦斯。在采面推進操作中，部分工藝需要做到精細化管理，嚴格按照相關標準進行改進與調試，此次工作面的最大瓦斯參數機道為0.4%，上隅角為0.65%，回風流為0.55%，具體的巷道留管抽放體積范圍是3.5%～10%，整體采空區的瓦斯體積屬于上升期[8]。具體的分源治理方案所對應的瓦斯測試參數值如表格1所示。

表1 瓦斯測試參數值表

5.結束語

安達煤業1334綜采工作面的頂板巖體較為堅硬，實際開采過程中切頂卸壓沿空留巷技術以及瓦斯治理技術的應用，能夠解決瓦斯突涌以及礦壓突變的問題，相關負責人需要依據技術操作標準制定瓦斯分離治理方案，以此助力切頂卸壓沿空留巷綜采工作面瓦斯治理技術的推廣。另外，針對于綜采工作面頂板巖體較為堅硬的問題，開采人員需要優先對巖體結構進行分析，并依據分析結果采取有效措施解決采空區懸頂頂板切頂問題，以此完成縮小垮落步距以及塊度的操作，進而減少對采空區瓦斯的沖擊力，可有效防止瓦斯超限問題的出現。