特厚煤層堅硬頂板綜放工作面瓦斯動態(tài)治理研究

黃旭超

(中煤科工集團 重慶研究院有限公司，重慶 400037)

煤炭在我國一次性能源結(jié)構(gòu)中處于主要位置，是重要的基礎(chǔ)能源[1]。隨著煤礦綜合機械化放頂煤開采強度及開采深度的增大，瓦斯涌出量不斷增加，煤與瓦斯突出危險性增高，瓦斯已成為制約礦井安全生產(chǎn)和高產(chǎn)高效的主要因素[2，3]，特別是特厚煤層堅硬頂板回采工作面存在煤炭采出率低、頂板垮落不及時等問題，極易引起上隅角瓦斯超限。

為了研究特厚煤層瓦斯涌出異常的原因，姜福興、李化敏等通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與實驗研究了采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)瓦斯在周期來壓期間頂板垮落擠壓作用下向工作面運移[4-8]。尹光志、許江等通過監(jiān)測現(xiàn)場應(yīng)力和理論分析，數(shù)值模擬煤體變形后瓦斯運移規(guī)律，研究了在采動作用下工作面前方煤體瓦斯運移規(guī)律，研究表明在采動作用影響下，瓦斯?jié)B流通道產(chǎn)生改變引起工作面瓦斯涌出變化[9-14]。在眾多學(xué)者研究特厚煤層工作面瓦斯涌出規(guī)律時大多根據(jù)礦壓、煤體變形等方式間接反映瓦斯運移規(guī)律，無法真實反映整個回采工作面的瓦斯賦存情況，不能準確預(yù)測回采期間的瓦斯涌出情況。本文以特厚煤層堅硬頂板回采工作面的瓦斯治理為目的，對回采區(qū)域煤體開展瓦斯含量精準測定，繪制瓦斯含量等值線圖，掌握整個回采區(qū)域瓦斯賦存情況，并結(jié)合工作面瓦斯涌出構(gòu)成對工作面瓦斯涌出量進行精準預(yù)測，根據(jù)預(yù)測結(jié)果適時調(diào)整瓦斯治理措施，實現(xiàn)采煤工作面瓦斯動態(tài)治理。

1 工程概況

小甘溝煤礦11144綜采放頂煤工作面煤層傾角12°，平均煤厚9m，采高2.8m，采放比2.2，切眼長度100m，推進長度824m。工作面煤層頂、底板巖石主要為細砂巖、粉砂巖、泥巖及少量的泥質(zhì)粉砂巖、炭質(zhì)泥巖。由于地層緩傾，巖層中節(jié)理不發(fā)育，從巖性特征和節(jié)理發(fā)育狀況評價，工作面煤層的頂?shù)装鍖俜€(wěn)固性偏弱類型。

在11144工作面回采期間，頂板垮落不及時，采空區(qū)遺煤較多，且采空區(qū)存在空腔，極易形成采空區(qū)瓦斯聚集區(qū)，隨著工作面推進，空腔內(nèi)瓦斯進一步聚集并運移至工作面，工作面瓦斯量涌出量逐漸增大，引起了回采過程中上隅角瓦斯超限。

2 工作面瓦斯動態(tài)治理研究

為了實現(xiàn)工作面瓦斯動態(tài)治理，需要精確掌握工作面瓦斯賦存情況，并準確預(yù)測工作面瓦斯涌出量，在此基礎(chǔ)上，適時調(diào)整工作面瓦斯治理措施，比如高位鉆孔布孔數(shù)量、層位、深度等參數(shù)，埋管抽采的負壓、埋管深度等。

2.1 工作面瓦斯含量分布精準測定

通過小間距大量取樣測定工作面瓦斯含量、繪制工作面瓦斯含量等值線圖，實現(xiàn)工作面瓦斯含量精準測定。11144工作面的瓦斯含量測定以20～25m為間隔進行小間距取樣，精準掌握工作面沿走向方向的瓦斯賦存情況，實現(xiàn)工作面瓦斯含量精準測定。工作面共計取樣39個，其中回風(fēng)巷21個，共分為3組，每組7個鉆孔，間距為20m，取樣深度為32～50m；運輸巷取樣18個，共分為3組，每組6個鉆孔，間距為25m，取樣深度為35～50m。測定瓦斯含量最大為3.30m3/t，平均為2.33m3/t，最小為1.82m3/t。瓦斯含量分布等值線如圖1所示。

圖1 回采區(qū)域瓦斯含量分布等值線(m3/t)

2.2 工作面瓦斯涌出構(gòu)成

根據(jù)11144工作面推進期間的瓦斯涌出情況及瓦斯?jié)舛确植家?guī)律分析，工作面的瓦斯涌出構(gòu)成見表1。由表1知，回采期間采空區(qū)瓦斯涌出為工作面瓦斯涌出的主要來源，占68.7%。

表1 工作面瓦斯涌出構(gòu)成

2.3 工作面瓦斯涌出量精準預(yù)測

根據(jù)11144工作面瓦斯含量精準測定結(jié)果和工作面瓦斯涌出量構(gòu)成觀測分析結(jié)果[15]，按照《礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法》沿走向進行工作面瓦斯涌出量精準預(yù)測，預(yù)測結(jié)果如圖2所示。從圖2可知，在設(shè)計日產(chǎn)量2756t時，工作面瓦斯涌出量最大值為9.59m3/min，平均為6.52m3/min，最小值為5.16m3/min。

圖2 工作面瓦斯涌出量預(yù)測

2.4 工作面瓦斯治理

根據(jù)瓦斯參數(shù)精準測定結(jié)果，風(fēng)排無法解決瓦斯超限問題，且工作面瓦斯主要來自采空區(qū)，因此重點解決采空區(qū)瓦斯涌出。采取“頂板走向高位鉆孔抽采+采空區(qū)埋管抽采”聯(lián)合工藝。

2.4.1 走向高位鉆孔布孔參數(shù)

1)工作面覆巖“三帶”分布。工作面回采期間，隨頂板冒落，采空區(qū)中部被逐漸壓實，而圍繞中部的環(huán)形帶透氣性較好，且為采空區(qū)瓦斯聚集區(qū)。經(jīng)計算，11144工作面的冒落帶高度為12.28～16.88m；裂隙帶高度為44.40～55.60m。

2)高位鉆孔設(shè)計。在回風(fēng)巷上方沿走向煤層頂板布置鉆場向采空區(qū)施工走向高位鉆孔，抽采環(huán)形帶內(nèi)瓦斯，切斷上鄰近層瓦斯涌向工作面的通道并引流采空區(qū)下部瓦斯，減少采空區(qū)瓦斯向工作面涌入。每個鉆場的典型設(shè)計為鉆孔10個，間距6m，呈扇形布置，分上下兩排布置，每排5個，鉆孔長度100m，孔徑94mm，封孔長度8m，控制工作面斜長約35m。沿回風(fēng)巷走向每隔80m施工一條垂直回風(fēng)巷的上山至煤層頂板做出鉆場(長5m寬4m高3m)。鉆孔數(shù)量、深度、終孔層位等會適時調(diào)整。

2.4.2 采空區(qū)瓦斯分布

采用數(shù)值模擬軟件模擬采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植紙觯鐖D3所示。靠近回風(fēng)側(cè)Y方向20m范圍、X方向5m范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛仍?%～3%之間，上隅角瓦斯存在超限風(fēng)險，需要采用回風(fēng)側(cè)采空區(qū)埋管抽采瓦斯。回風(fēng)側(cè)采空區(qū)內(nèi)17m位置處氧氣濃度為18%，為氧化帶和散熱帶分界點，回風(fēng)側(cè)采空區(qū)內(nèi)23m位置處瓦斯?jié)舛冗_到30%，因此，采空區(qū)埋管的深度在17～23m較為合適。

圖3 采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植?/p>

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 1#高位鉆場布置及抽采效果

1#高位鉆場在2018年6月開始施工，在2018年8月開始抽采，最大抽采濃度為3.57%，平均為2.64%。1#鉆場的5#、10#高位鉆孔瓦斯?jié)舛容^低，一直在5%以下，平距分別為33m、33.5m，高度分別為28.4m、41.3m。另外1#～5#孔抽采濃度普遍比6#～10#孔抽采濃度高，其中1#～5#孔高度布置在9.7～21m之間。

通過對回采期間回風(fēng)流、上隅角瓦斯?jié)舛确治觯?#高位鉆場的抽采效果如圖4、圖5所示。從圖4、5可知，當(dāng)工作面推進至249m，采空區(qū)布置埋管，回風(fēng)巷最大瓦斯?jié)舛葟?.88%降至0.73%，上隅角最大瓦斯?jié)舛葟?.4%降至1.1%，最大瓦斯?jié)舛燃捌骄咚節(jié)舛缺戎坝忻黠@降低。當(dāng)工作面推進至345m，開始布置高位鉆場，回風(fēng)巷最大瓦斯?jié)舛冉抵?.68%；上隅角最大瓦斯?jié)舛冉抵?.86%。

圖4 工作面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?/p>

圖5 工作面上隅角瓦斯?jié)舛?/p>

經(jīng)過高位鉆孔和埋管抽采，上隅角和回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛却蠓档停粚τ?#高位鉆場鉆孔布置高度在9.7～21m、平距10～20m，抽采效果較好。

3.2 2#高位鉆場布置及抽采效果

根據(jù)瓦斯含量分布和瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果，對2#鉆場高位鉆孔布置進行相應(yīng)調(diào)整以實現(xiàn)瓦斯動態(tài)治理，鉆孔高度在7.5～23m，平距17～28m之間。

在2#鉆場抽采期間最大抽采濃度為3.84%，平均在2.9%。經(jīng)過對2#鉆場布置參數(shù)進行優(yōu)化，抽采濃度較1#鉆場有了較大提高，3#、5#、6#、7#單孔濃度最大值均超過10%。

通過對11144工作面回采期間回風(fēng)流、上隅角瓦斯?jié)舛确治觯?#高位鉆場的抽采效果如圖6所示。從圖6可知，通過對2#高位鉆孔參數(shù)優(yōu)化，工作面回風(fēng)巷和上隅角的瓦斯?jié)舛扔诌M一步降低，上隅角瓦斯最大濃度不超過1%，平均在0.2%～0.3%之間；回風(fēng)瓦斯最大濃度不超過0.8%，大部分在0.3%左右。

圖6 工作面瓦斯涌出濃度曲線

3.3 工作面瓦斯涌出量對比分析

為了考察11144工作面回采前測定的參數(shù)與回采過程實際瓦斯涌出的關(guān)系，對測定的瓦斯參數(shù)與工作面回采期間實際統(tǒng)計的參數(shù)進行分析，如圖7所示。

圖7 工作面回采實測參數(shù)與采前預(yù)測參數(shù)對比分析

從圖7可知，工作面回采期間實際瓦斯涌出量與回采前瓦斯涌出量預(yù)測值基本一致，說明在采前對整個工作面進行的瓦斯參數(shù)測定值及瓦斯涌出量預(yù)測值是基本準確的。

4 結(jié) 論

1)通過小間距大量取樣測定工作面瓦斯含量，繪制工作面瓦斯含量等值線圖實現(xiàn)工作面瓦斯含量精準測定。根據(jù)瓦斯含量精準測定結(jié)果和工作面瓦斯涌出量觀測結(jié)果對工作面瓦斯涌出量進行精準預(yù)測，根據(jù)預(yù)測結(jié)果適時調(diào)整高位鉆孔、采空區(qū)埋管抽采參數(shù)，可以實現(xiàn)工作面瓦斯動態(tài)治理。

2)在開展瓦斯含量精準測定和工作面瓦斯涌出量精準預(yù)測情況下，實施工作面瓦斯動態(tài)治理后，工作面回風(fēng)巷和上隅角最大瓦斯?jié)舛确謩e從0.88%、1.4%下降至0.3%左右，瓦斯治理效果明顯。工作面回采期間實際瓦斯涌出量與回采前瓦斯涌出量預(yù)測值基本一致，瓦斯涌出量預(yù)測值是基本準確的。