布爾臺礦回采工作面瓦斯涌出主控因素及治理措施*

高 亮，李學杰，潘吉成

(神東煤炭集團 布爾臺煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引言

隨著淺部煤炭資源的逐漸減少甚至枯竭，地下開采的深度越來越大，面臨的問題也越來越嚴峻[1]。煤礦開采正經歷著一個由淺到深、由簡單到復雜和開采技術水平顯著提高的過程。隨著開采深度增加，煤層瓦斯壓力、瓦斯含量、地應力加大，原來的低瓦斯、高瓦斯礦井有升級的可能。神東中心礦區多數礦井瓦斯涌出的共同特點是煤層原始瓦斯含量相對較低，但礦井開采強度大、產量高，導致礦井絕對瓦斯涌出量很大。例如，布爾臺、寸草塔、寸草塔二礦均為低瓦斯礦井，布爾臺礦絕對瓦斯涌出量達35.51 m3/min，寸草塔礦絕對瓦斯涌出量達23.99 m3/min，寸草塔二礦絕對瓦斯涌出量達14 m3/min。這3個礦均表現為相對瓦斯涌出量較低，絕對瓦斯涌出量較高且不均衡，隨著開采深度增加，絕對瓦斯涌出量有增大趨勢，因此這3個礦的采煤工作面嚴格按高瓦斯礦井進行管理。低瓦斯礦井一般采用通風方式解決工作面瓦斯問題[2]。但是采煤工作面回風隅角瓦斯易積聚、頂板垮落易造成瓦斯濃度瞬間增高，仍然是這3個礦井瓦斯災害的主要危險源。

國內外學者關于煤礦瓦斯異常涌出做了部分研究，楊宏民等[3]提出低瓦斯煤層高強度開采礦井瓦斯涌出特征及分源治理措施；梁盛開等[4]對土城礦煤層瓦斯賦存規律及瓦斯涌出特征進行的分析，提出了該礦建設高產高效礦井瓦斯治理途徑；陳杰等[5]研究過低瓦斯礦井瓦斯涌出異常區如何劃分與管理；柏發松[6]分析了礦井瓦斯涌出形式，特點及其危害；趙建華[7]在分析礦井瓦斯涌出規律的基礎上，提供了1套行之有效的低瓦斯礦井瓦斯異常區瓦斯治理技術。

綜上，神東礦區的瓦斯問題是威脅煤礦安全生產的主要危險源之一，未來瓦斯災害顯現的頻率和嚴重程度將隨著采掘深度的增加而不斷加強。因此，本文以布爾臺煤礦為例，采用單元法實測了工作面瓦斯涌出特征，并分析了其受開采強度、風量、煤層瓦斯含量、工作面來壓變化規律、氣候條件等相關參數的影響規律，得到影響瓦斯異常涌出的主控因素。針對布爾臺煤礦的特點提出了“頂板水預裂和聯絡巷插管相結合”的瓦斯治理措施。

1 礦井及主要研究煤層概況

布爾臺煤礦井田面積192.63 km2。保有地質儲量31.2億t，剩余可采儲量18.5億t。礦井設計生產能力2 000萬t/a。布爾臺井田范圍內可采煤層10層：12上煤層、12煤層、22煤層、22下煤層、31煤層、42上煤層、43煤層、51煤層、52煤層、52下煤層。目前礦井現采煤層為22煤層、42上煤層。回采工作面主要采用走向長壁后退式綜合機械化放頂煤采煤方法開采全部垮落法管理頂板。

布爾臺煤礦42上煤層，煤層自然厚度0.90～7.90 m，平均4.62 m。煤層結構簡單，層位穩定，對比可靠，屬于全區可采的較穩定煤層。煤層原始瓦斯量為1.81～2.28 m3/t，透氣性系數為0.158 782～0.265 069 m2/MPa2·d。頂板巖性以砂質泥巖為主，底板巖性以砂質泥粉砂巖為主，局部為泥巖、粉砂巖。

根據2018年布爾臺煤礦礦井瓦斯等級鑒定報告結果，礦井的絕對瓦斯涌出量為35.51 m3/min，礦井的相對瓦斯涌出量為0.74 m3/t，回采工作面最大絕對瓦斯涌出量為4.36 m3/min，掘進工作面最大絕對瓦斯涌出量為0.45 m3/min。該回采工作面為42201回采工作面、掘進工作面為42109輔運巷掘進工作面，均屬于42上煤層。但是42上煤層可解吸瓦斯含量僅僅為0.10～0.44 m3/t，可見這是典型的高產高效低瓦斯礦井回采工作面瓦斯異常涌出現象。

2 回采工作面瓦斯涌出特征

為探究回采工作面瓦斯涌出的實際情況，選擇布爾臺煤礦42201回采工作面，現場連續跟進測定生產班及檢修班在正常情況下的瓦斯涌出。

在天氣較好，正常生產的情況下，測定采用單元測定法，將42201回采工作面劃分為16個單元，沿工作面布置15個測定站，每個測定站布置5個測點。然后測定每個單元的進出單元體斷面的風速、斷面、瓦斯濃度[8-9]。工作面單元劃分如圖1所示。

圖1 工作面單元劃分示意Fig.1 Schematic diagram of work area unit division

瓦斯和風量平衡示意圖如圖2所示。

圖2 瓦斯平衡和風量平衡計算示意Fig.2 Schematic diagram of working face units division

風量平衡方程為[10]：

式中：Qin為流入單元內風量；Qout為流出單元內風量；Q1為從采空區流入本單元內風量；qg為從采空區涌入本單元內瓦斯量；qf為本單元內煤壁、頂底板及煤層的瓦斯涌出量；c1為漏風流中的瓦斯濃度；cin,cout為流入和流出本單元風流中的瓦斯濃度。

通過推導上述方程組，可以計算出以下幾個參數的數值，落煤及工作面煤壁的瓦斯涌出量，42201回采工作面所對應的采空區的漏風量以及采空區瓦斯涌出量。

根據現場實際測定的數據，對42201回采工作面瓦斯涌出量進行計算，可知：檢修班42201回采工作面采空區的瓦斯涌出量約為0.20 m3/min，煤壁及落煤瓦斯涌出量約為1.061 6 m3/min。生產班42201回采工作面采空區的瓦斯涌出量約為0.15 m3/min，占回采工作面瓦斯涌出量的8.1%，煤壁及落煤瓦斯涌出量約為1.704 4 m3/min，占回采工作面瓦斯涌出量的91.9%。生產和檢修過程中煤壁及落煤的瓦斯涌出量是布爾臺煤礦綜放工作面的主要瓦斯涌出來源。

3 瓦斯異常涌出主要影響因素

回采工作面的瓦斯異常涌出主要表現在時間和空間上比較突然、集中，同時涌出量不均勻、間斷[11]。影響瓦斯涌出量的主要因素有自然因素和開采技術。自然因素主要包括煤層和圍巖的瓦斯含量，開采深度和地面大氣壓力的變化；開采技術因素主要包括開采順序與回采方法、回采的速度與產量、落煤工藝與基本頂來壓步距、通風壓力與采空區密閉質量、采場的通風系統等[12]。對于特定的礦井而言，地質因素、開采技術、通風方式等都是確定的，這里只需要考慮來壓、開采強度和大氣壓力等因素。

3.1 來壓前后瓦斯涌出量變化異常

回采工作面礦壓的變化直接影響著工作面瓦斯涌出量的變化。在煤層開采過程中，礦山壓力通過一定的形式作用在周圍煤巖體上，使煤巖體的孔隙裂隙分布、滲透系數等力學特性發生很大變化[13]。布爾臺煤礦42上煤在實際生產過程中，回采工作面礦山壓力顯現和來壓現象較為突出。在42105，42106，42107和42201工作面回采過程中均發生過較強的礦壓顯現情況。特別是42106工作面初次來壓時發生了較強烈的來壓現象[14]。

因此，通過對42201綜放工作面初采時瓦斯涌出量隨工作面的累積進尺變化關系的分析，如圖3所示。

圖3 42201綜放工作面絕對瓦斯涌出量變化規律Fig.3 Change law of absolute gas emission in 42201 fully mechanized caving face

根據42201回采工作面礦壓分析報告顯示，2017年1月20日中班生產過程中，工作面回采至31.4 m時直接頂全部垮落；2017年1月30日夜班生產過程中，工作面回采至56.1 m時基本頂初次斷裂與垮落。由圖3可知，42201工作面在初采200 m的過程中，工作面的絕對瓦斯涌出量有過幾次異常的變化。第1次異常變化是直接頂初次垮落時，工作面絕對瓦斯涌出量由穩定在1.3 m3/min左右突然增加到1.65 m3/min。第2次異常變化發生在基本頂初次斷裂與垮落時，從1月29日中班開始工作面支架增阻明顯，此時工作面絕對瓦斯涌出量已經出現上升趨勢；直至1月30日夜班基本頂初次來壓時出現峰值。隨后的幾次周期來壓時，工作面絕對瓦斯涌出量都有不同程度的增幅。

由此可見，雖然42201綜放工作面絕對瓦斯涌出量較小，符合低瓦斯礦井的條件，但是在礦山壓力顯現和來壓時，回采工作面絕對瓦斯涌出量均有較為明顯的異常變化。

3.2 生產強度對瓦斯異常涌出的影響

近些年隨著新工藝、新技術和新裝備在采煤領域的應用，開采技術水平顯著提高，煤礦的開采強度也日益增大。隨之而來的各種煤礦災害，顯現的頻率和嚴重程度也是逐漸增強。石必明[15]、趙晉強等[16]都闡述過開采強度對瓦斯涌出的影響。對于布爾臺這種高產高效的低瓦斯礦井而言，開采強度對瓦斯異常涌出和積聚的影響也是越來越大。

為表征開采強度對瓦斯異常涌出的影響，通過對布爾臺煤礦42201回采工作面上隅角瓦斯體積分數的連續1個月的跟蹤監測。測定結果如圖4所示。

圖4 42201綜放工作面上隅角瓦斯體積分數隨生產強度變化規律Fig.4 Variation of gas concentration at upper corner of 42201 fully-mechanized caving face with production intensity

由圖4可知，在12月14日工作面沒有生產的情況下，上隅角瓦斯體積分數下降到1個月以來的最低值為0.16%；日產煤量超過30 000 t的幾天，對應的瓦斯體積分數也同樣上升到峰值0.24%。在高強度的開采條件下，上隅角瓦斯體積分數的變化趨勢與開采強度的變化趨勢幾乎是一致的。開采強度的幾次峰值變化都引起上隅角瓦斯體積分數的異常，出現同樣的峰值變化。雖然圖4中的監測數據表明上隅角的瓦斯在監測期間并沒有出現超限的情況，但是開采強度對于瓦斯的異常涌出來說，仍然是主要的影響因素。

3.3 大氣壓力對于瓦斯異常涌出的影響

關于大氣壓力對煤礦采掘工作面或采空區的瓦斯涌出有影響與否，所有的研究人員都持肯定態度[13]。同樣對于布爾臺煤礦而言，現階段采、掘深度較淺，地面氣候因素，尤其是大氣壓力變化對瓦斯涌出的影響不言而喻。為此，選取2018年1月17日作為大氣壓力的監測樣點。為避免出現漏取最大值、最小值，連續24小時監測，每5min記錄1次數據。監測結果使用K線圖法[17]與瓦斯涌出情況進行比較。結果如圖5所示。

圖5 礦井大氣壓力K線圖與42201工作面瓦斯體積分數對比Fig.5 Comparison of atmospheric pressure K-line diagramand gas concentration of 42201 working face

地面大氣壓力主要是通過影響煤壁和采空區瓦斯涌出從而影響工作面瓦斯涌出。大氣壓力下降，外界壓力小于煤壁內部壓力，瓦斯向外界涌出，瓦斯濃度升高；反之，隨著大氣壓力升高，外界壓力大于煤壁內部壓力，瓦斯涌出受限，濃度降低。通常情況下，大氣壓力在波動變化時對瓦斯異常涌出呈現負相關關系[18]。

但是，從圖5可以看出，42201工作面的瓦斯濃度較低，且在總體趨勢上并不是完全的與大氣壓力呈現負相關關系。那就說明在這一過程中還有其他因素影響，哪種因素對瓦斯涌出影響更大，需要詳細分析。8時之后，井下會根據實際生產情況停機檢修一段時間。根據分析，此時大氣壓力下降會引起煤壁瓦斯涌出增大，采煤機停機會引起瓦斯濃度減小，而實際的瓦斯濃度是減小了，說明采煤機工作與否即生產強度對瓦斯涌出的影響要大于大氣壓力的影響。

4 高產高效低瓦斯礦井回采工作面瓦斯異常涌出的治理措施

綜放工作面瓦斯防治常采用加強通風的方法解決工作面瓦斯涌出問題[19]。隨著綜合機械化放頂煤技術的應用，綜放工作面開采強度大、生產集中，采煤工作面瓦斯涌出表現出了速度快、較集中和極不均衡等特點。由于綜放工作面采高較大、走向較長、易形成較大面積的采空區，在頂板周期來壓時，常造成煤壁瓦斯涌出增加。同時，工作面推進速度較快，生產強度大，極易造成上隅角瓦斯超限[20]。通過瓦斯來源分析可知，42201綜放工作面瓦斯主要來源為本煤層煤壁瓦斯涌出，開采落煤瓦斯涌出。

針對布爾臺煤礦42上煤層透氣性差、礦壓顯現強烈等實際情況，對布爾臺煤礦綜放工作面采取頂板定向長鉆孔分段水力壓裂強制放頂和聯巷插管或煤柱大直徑鉆孔橋接采空區的瓦斯抽采綜合防治措施。

4.1 頂板定向長鉆孔分段水力壓裂強制放頂

42201工作面基本頂堅硬，直接頂垮落后不能充滿采空區，造成基本頂懸頂，回采期間工作面中部-回風巷范圍發生強烈礦壓顯現。為降低工作面來壓時煤壁瓦斯涌出量，同時保證工作面安全回采，需提前對基本頂進行預壓裂。因此，采用頂板定向長鉆孔分段水力壓裂方法弱化工作面頂板巖層，通過42201輔運巷向工作面頂板布置鉆孔，通過分段壓裂施工技術弱化頂板巖層整體性，減小來壓步距和來壓強度[21]。頂板定向長鉆孔分段水力壓裂示意圖如圖6所示。

圖6 頂板定向長鉆孔分段水力壓裂示意Fig.6 Schematic diagram for segmental hydraulic fracturing of roof directional long borehole

實施頂板長鉆孔分段水預裂后，利用礦壓監測系統對頂板支架壓力進行動態監測，收集支架壓力實時數據，采用回采進入壓裂施工區域前后的時空對比方法，對頂板壓裂弱化效果進行了分析。通過分析，壓裂施工后頂板來壓強度明顯降低，最高壓力由59.1 MPa降低至48.0 MPa，來壓步距由44～46 m降低至23 m左右，整體超過40 MPa的來壓范圍明顯降低，尤其是1次見方位置，除40支架對應的上覆22煤層遺留集中煤柱極少部分出現40 MPa以上來壓，其余位置來壓不明顯。

頂板長鉆孔分段壓裂技術能夠有效地弱化頂板巖層整體性，減小來壓步距，減少來壓次數，顯著降低來壓強度。從而，減少基本頂初次來壓以及回采期間周期來壓時，強烈的礦壓顯現對煤壁瓦斯涌出的影響。

4.2 聯巷插管或煤柱大直徑鉆孔橋接采空區的瓦斯抽采

對于生產強度較大造成的上隅角瓦斯異常集中問題，依靠降低綜放工作面生產效率解決是不現實的。雖然布爾臺煤礦不需要建立地面的永久抽采系統或井下的臨時抽采系統。但布爾臺煤礦曾經多次出現上隅角瓦斯超限，造成斷電停產，威脅煤礦人員的生命安全。因此，上隅角瓦斯治理是重中之重。對于上隅角瓦斯治理，利用聯絡巷插管或煤柱大直徑鉆孔橋接的局部抽采方法。在42202輔運巷，通過聯絡巷向42201主運巷施工大直徑鉆孔。隨著采煤活動的延續，封閉聯巷，在上隅角后部采空區形成1個負壓區域，從而改變瓦斯運移的方向，避免出現瓦斯積聚的情況。

聯巷插管或煤柱大直徑鉆孔橋接示意圖如圖7所示。選擇測風當天檢修班和生產班，對42201綜放工作面上隅角瓦斯抽采效果進行測定。

圖7 聯巷插管或煤柱大直徑鉆孔橋接示意Fig.7 Schematic diagram of connecting lane pipe laying or coal pillar large-diameter borehole bridging

由測定結果可知，生產班上隅角聯巷插管抽采瓦斯量相對于當天的檢修班上隅角瓦斯抽采量大。說明由于生產班生產強度較大，落煤迅速，導致上隅角瓦斯快速聚集。其中，聯巷插管瓦斯抽采效果如圖8所示。

圖8 上隅角瓦斯抽采量與風排瓦斯量對比Fig.8 Comparison between quantity of gas extraction at upper corner and volume of gas in wind

由圖8可知，上隅角瓦斯抽采量為2.70～3.79 m3/min，平均為3.25 m3/min，風排瓦斯量為1.61～1.69 m3/min，平均為1.65 m3/min。上隅角瓦斯抽采量占總瓦斯涌出量的比例為62.65%～69.16%。可以看出，聯巷插管或煤柱大直徑鉆孔橋接采空區抽采瓦斯效果明顯。

5 結論

1)通過現場實測發現，高產高效低瓦斯礦井回采工作面煤壁及落煤是瓦斯涌出的主要來源，而采空區瓦斯涌出不明顯。

2)頂板來壓主要影響煤壁瓦斯涌出，開采強度主要影響落煤瓦斯涌出，二者是導致高產高效低瓦斯礦井回采工作面瓦斯異常涌出的主要因素。同時，通過對比還發現，高產高效低瓦斯礦井地面大氣壓力對工作面瓦斯涌出的影響程度遠小于開采強度。

3)對存在煤層透氣性差、開采強度大、礦壓顯現強烈等現象的礦井來說，采用頂板定向長鉆孔分段水力壓裂強制放頂技術能有效減少來壓次數并降低來壓強度，而采用聯巷插管或煤柱大直徑鉆孔橋接采空區的瓦斯抽采技術可有效控制上隅角瓦斯超限現象的發生。