低含量高瓦斯涌出量工作面煤層瓦斯治理技術

張東旭

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

超高強度開采煤層普遍具有煤層厚、賦存穩定等特點，1～2 個工作面就可達產。超高強度開采工作面一般瓦斯含量較低，或者抽采后瓦斯含量較低，煤層瓦斯伴隨煤炭超高強度開采，涌出量也呈現上升趨勢，有的超過了100 m3/min，如此高強度的瓦斯涌出在低含量煤層開采過程中是前所未有的，大涌出量的瓦斯治理方法也有待于進一步實踐研究。國內外的學者對瓦斯治理技術[1]進行了大量的研究。隨著抽采設備的發展，從最開始的以通風治理到抽采治理，而抽采是最有效的瓦斯治理方法。高瓦斯礦井的瓦斯治理基本上以抽采為主。針對不同的瓦斯來源抽采方法不同分為本層抽采和采空區及鄰近層抽采。本層抽采以本層鉆孔為主。采空區及鄰近層抽采方法包括：采空區埋管抽采[2-3]、高位鉆孔抽采[4-5]、上隅角插管抽采[6-7]、走向長鉆孔抽采[8-9]等。隨著瓦斯涌出量的增大，很多礦井的抽采方法也在改進，很多采用綜合治理的方法。基于此，以塔山煤礦8103 工作面為試驗地點，進行引排和密閉抽采2 種方式的治理效果試驗，分析了低瓦斯超高強度生產的工作面瓦斯來源及運移規律。利用頂板瓦斯專用巷[10]進行大流量抽采鄰近層和采空區瓦斯，從工作面后方截流采空區瓦斯，徹底解決工作面上隅角和回風巷瓦斯超限問題。

1 低含量超高強度開采煤層瓦斯涌出規律

低瓦斯含量超高強度開采礦井多采用綜采放頂煤開采，根據綜放工作面的開采特點分析，工作面瓦斯的來源主要有本層瓦斯、鄰近層和圍巖瓦斯。本煤層瓦斯分采落煤瓦斯和放落煤瓦斯加上本層殘余煤的瓦斯，本層解吸的全部瓦斯都釋放到了采空區或者回風巷里；本層開采期間，放頂后頂、底板受采動影響在地應力的作用下，向采動空間移動，形成裂隙。鄰近層部分瓦斯通過這些裂隙流向開采層，形成鄰近層瓦斯；煤層圍巖是多孔介質，受瓦斯滲流的影響，也存在部分瓦斯，當采動時，有一部分瓦斯也涌向工作面。

低含量超高強度開采煤層由于本煤層可解吸瓦斯含量較低，掘進初期瓦斯涌出量較小，但隨著工作面的推進煤壁暴露面積增大，煤壁瓦斯涌出增多，之后趨于穩定，當工作面形成后，瓦斯涌出量又呈減小趨勢。工作面形成后初采至初次來壓前，工作面瓦斯涌出量較小，初次來壓后瓦斯涌出量增大，隨著采空區面積增大呈波動式上升，到達一定高度后開始下降。這是因為初次來壓之前是采落煤瓦斯涌出和移動煤壁瓦斯涌出，初次來壓后頂板受采動影響破裂，鄰近層及圍巖瓦斯涌向工作面，增加了工作面的瓦斯量，隨著工作面向前推進采空區丟煤增多，采空區內的瓦斯也涌向工作面，在周期來壓時，鄰近層和采空區瓦斯向工作面涌出的量增大，來壓開采后有減少，因此，造成工作面瓦斯涌出的波動。后期減小的原因是采空區后部逐漸進入窒息帶，采空區瓦斯涌出的量也在減少，采動影響和煤體內部瓦斯從工作面巷道釋放，工作面煤體內的瓦斯總量在減少，所以工作面開采后期瓦斯涌出量減小。在開采期間，由于煤層瓦斯含量較低，因此本層瓦斯涌出量也相對較低，瓦斯主要來源于采空區和鄰近層。

超高強度開采工作面開采期間瓦斯涌出不均衡，但規律較為明顯。具體為：

1）瓦斯涌出隨著工作面推進時間呈波動性變化[11]。采煤機割煤期間瓦斯涌出量較小，移架、放頂期間瓦斯涌出量突然增大：首先由于頂煤在頂板應力和自重的雙重作用下，煤體瞬間破碎，裂隙擴張，煤體總的暴露面積增大，使煤體中更多的游離瓦斯釋放，擴散到采空區和巷道空間；其次，隨著綜采支架的移動，頂底板的受力平衡打破，煤層頂底板向架子后方采空區擠壓，頂底板裂隙增大，卸壓影響區增大，鄰近層瓦斯沿著裂隙方向涌向采空區，在通風負壓的作用下，隨著漏風風流帶到上隅角和回風巷；瓦斯涌出隨著工作面頂板的周期來壓增大，頂板周期來壓期間瓦斯涌出量明顯增高，頂板周期來壓期間，頂板破碎程度增加，基本頂垮落，將采空區深部瓦斯煽出，涌向工作面。

2）瓦斯涌出在空間上隨風速大小不均勻分布。將工作面切眼沿斷面分為3 個區域：I 區風速最高、瓦斯濃度最低；II 區風速是I 區的80%左右，瓦斯濃度為I 區的2 倍；III 區風速是I 區的70%左右，瓦斯濃度為I 區的3 倍甚至更高。由此可見II、III 區是瓦斯主要積聚的地點，這是由于這2 個區域的風速較低，離采空區較近，采空區的瓦斯首先涌出至這2 個區域，但是受風速影響，風流不能將采空區涌出的瓦斯帶走，造成該區域瓦斯濃度較高。工作面切眼分區示意圖如圖1。

圖1 工作面切眼分區示意圖Fig.1 Schematic diagram of cutting area of working face

由于煤層厚度較大，放煤高度較高，放煤后在支架后方形成較大的高位垮落空間，垮落后隨著矸石堆積阻礙了瓦斯流通，大部分瓦斯積聚到高冒空間，工作面的進回風流存在壓差，而且工作面的進回風巷存在漏風帶，這樣使高冒空間都在通風負壓的影響內，漏風風流將高冒空間內的瓦斯向回風方向攜帶，這樣造成切眼靠近回風巷側的一部分區域瓦斯濃度較高，特別是在上隅角附近由于處在風流末端，瓦斯積聚更為嚴重，因此會經常超限。這種工作面開采期間瓦斯治理面臨的問題有：①瓦斯涌出的來源以采空區和鄰近層為主；②瓦斯的涌出強度較大。

2 低含量超高強度開采煤層工作面瓦斯治理技術

2.1 試驗礦井概況

塔山煤礦是典型的低瓦斯含量超高強度開采的礦井，塔山煤礦主采石炭系太原組3#～5#號煤層，煤層厚11.36～25.52 m，平均厚度15.79 m，傾角2°～5°，賦存不穩定。開采工作面走向長度2 500 m 左右，傾斜長度240 m 左右。采用“U”形通風方式，回風風量開采初期為2 000 m3/min，中期調至3 500 m3/min，后期降至2 000 m3/min。綜采放頂煤開采工藝，全陷法管理頂板[12-13]，割煤高度4 m[14-15]。

3#～5#煤層瓦斯基礎參數表見表1，根據分源預測方法預測出的8103 工作面瓦斯涌出構成表見表2。

表1 3#～5#煤層瓦斯基礎參數表Table 1 3#-5# coal seams gas basic parameters table

表2 8103 工作面瓦斯涌出構成表Table 2 Composition of gas emission in 8103 working face

2.2 8103 工作面掘進和采煤期間瓦斯涌出情況

1）掘進期間瓦斯涌出情況。塔山煤礦3#～5#煤層原始瓦斯壓力較小，在開采期間對掘進工作面瓦斯情況進行了考察，在開始掘進時瓦斯濃度在0.05%～0.3%之間，而且隨著工作面的開拓呈增大趨勢，說明隨著巷道暴漏面積的增加，煤壁瓦斯涌出也在不斷增大，但整體上在掘進期間瓦斯濃度較小，掘進巷道卸壓對瓦斯涌出影響有限，瓦斯從吸附到游離狀態的量也較小。瓦斯掘進落煤和煤壁瓦斯涌出相對較小。由此可見，塔山煤礦的瓦斯的放散以擴散為主。

2）工作面瓦斯涌出情況。通過現場觀測，在掘進和工作面開采初期瓦斯涌出較低，但隨著工作面的推進，瓦斯涌出量呈上升趨勢，到工作面快回采完畢又呈下降趨勢。8103 工作面開采期間觀測的數據如圖2。

圖2 8103 工作面開采期間觀測的數據Fig.2 Observation data of 8103 working face during mining

圖2 中瓦斯涌出量曲線經過了2 次跳躍，第1 次跳躍在2 月28 日左右，因為，此時采用了2BEC62型真空泵對采空區進行了抽采，抽采純量從0.3 m3/min增加到34.2 m3/min。抽采量的增加致使瓦斯流場重新分布，抽采負壓影響半徑增加，采空區內上隅角附近一部分瓦斯被抽出，因此瓦斯抽采量迅速增大。第2 次跳躍是由于采用了頂板專用瓦斯巷排風（密閉抽采）量增大，同樣改變了流場，采空區內的瓦斯通過頂板裝用回風巷排（抽）走，增加了整個工作面的瓦斯涌出量。

采空區局部瓦斯涌出特點是在工作面靠近回風巷50 m 范圍內架間或者架后瓦斯超限嚴重，架間縫隙、架后實測瓦斯濃度為2.5%左右，有時更大。上隅角瓦斯經常超限，如果不采取任何治理手段，上隅角瓦斯濃度經常在5%以上。

3 低含量超高強度開采煤層瓦斯治理技術

3.1 低含量超高強度開采煤層瓦斯治理技術的選擇

根據低含量高強度開采煤層瓦斯來源和分布規律來看，8103 工作面采空區瓦斯主要是由鄰近層及圍巖、采空區丟煤和放落煤等涌出的瓦斯，采空區瓦斯涌出占工作面總瓦斯涌出量的82%。因此，8103工作面瓦斯抽采應以采空區抽采為主，最常用的采空區抽放方法有采空區埋管抽采、頂板走向長鉆孔、高位鉆孔、傾斜高抽巷、尾巷和頂板走向[1]巷道等方法。低含量超高強度開采工作面開采強度大，預測采空區的絕對瓦斯涌出量在38.34 m3/min，小流量的抽采系統，從整體抽采能力來看，解決不了較大的瓦斯涌出量。根據全國低瓦斯含量礦井的調查，采空區抽采的濃度一般在5%～10%，按抽采30 m3/min 純量瓦斯算，需要300～600 m3/min。因此，解決瓦斯問題，就必須采用大流量抽采系統。

采空區抽采濃度低，流量大，頂板走向長鉆孔、高位鉆孔、采空區埋管抽采等瓦斯治理技術由于抽采管徑較小、抽采流量有限，治理的效果不理想。因此，只能選擇巷道密閉抽采或者大管徑管路抽采，大管徑抽放管放在回風巷占用巷道的通風斷面，若采用采空區埋管，管路放在巷道底部，抽采負壓影響半徑較小，只能抽取上隅角靠近巷道底部的瓦斯，而采空區高部瓦斯在通風負壓的影響下還會涌向上隅角和回風巷，出現瓦斯超限。8103 工作面上部有2#煤層，間距為10～20 m，若在2#煤層掘進1 條專用抽瓦斯巷，掘進的煤量也能抵銷部分掘進成本，在經濟和技術上是可行的。因此，選用在2#煤層掘進1 條專用抽瓦斯巷是合理的。

3.2 工作面采空區瓦斯分布數值模擬

針對塔山煤礦8103 工作面，采用專用瓦斯巷道密閉大流量抽采瓦斯的方法進行低瓦斯含量超高強度開采工作面瓦斯治理，選擇FLEUNT 軟件對8103工作面瓦斯流動壓力和瓦斯濃度進行模擬，模擬了當回風量2 500 m3/min、抽放量800 m3/min（工況1）和回風量1 800 m3/min、抽放量500 m3/min（工況2）的狀態下回采工作面瓦斯壓力和濃度分布。數值模擬物理模型如圖3。z=3.0 m 截面壓力分布和瓦斯濃度分布分別如圖4、圖5。

圖3 數值模擬物理模型Fig.3 Physical model of numerical simulation

圖4 z=3.0 m 截面壓力分布Fig.4 Pressure distribution of z=3.0 m section

圖5 z=3.0 m 截面瓦斯濃度分布Fig.5 Gas concentration distribution of z=3.0 m section

由圖5、圖6 可見，采用頂板瓦斯抽放巷抽采瓦斯后，采空區瓦斯在大流量的抽采作用下，大部分從該巷道分流，減少了采空區整體瓦斯量，在負壓的作用下，涌向上隅角的瓦斯明顯減少，上隅角和工作面回風中的瓦斯濃度降低明顯，在持續抽采作用下，上隅角的瓦斯超限問題得到徹底改善。當風量不變時，抽采量越大，分流的采空區瓦斯量也越大，越有利于阻止采空區瓦斯向上隅角涌出，為增強頂板瓦斯抽放巷抽采效果，應采取“大流量”抽采，但不能盲目增大抽采量，應而根據進回風量和漏風量合理確定抽采量。

從模擬結果來看，8103 工作面瓦斯采空區瓦斯濃度較高的區域集中在工作面靠近回風側1/3 到回風巷及綜采支架后頂部以上到5 倍采高的范圍內。

3.3 瓦斯專用巷位置及斷面的確定

8103 工作面瓦斯較大區域是切眼內距回風巷上幫60 m 范圍內，其中40 m 范圍是瓦斯易超限，如抽采負壓影響半徑為20 m，那么就可以解決瓦斯超限問題。從8103 工作面開采工藝看，上隅角處有4 架不放煤，使專用抽瓦斯巷抽采負壓影響范圍縮小，故專用抽瓦斯巷布置位置應盡量靠近上隅角，如布置在2#煤層內，專用抽瓦斯巷水平投影距回風巷20 m 較為適宜。從8103 工作面煤層頂板壓力看，專用抽瓦斯巷距回風巷越近，巷道變形較大，斷面變小影響抽放效果。綜合分析認為8103 工作面專用排瓦斯巷水平投影距回風巷20～25 m 為合適的位置。

專用巷的斷面根據掘進和掘進期間行人運料方便，斷面采用了2 m×2 m 的大小。采用錨網支護。

3.4 瓦斯專用巷治理瓦斯效果評價

3.4.1 專用瓦斯巷引排和密閉抽放瓦斯治理效果

專用瓦斯巷掘完之后，分別采取了專用瓦斯巷引排和密閉抽放2 種方式進行瓦斯治理，針對這2種方法分別進行效果評價。

在專用瓦斯巷未與采空區塌通以前，8103 工作面采空區流場形成扇形的流場。與采空區連通后，通風方式改變、專用瓦斯巷在抽采負壓和通風負壓的雙重作用下，采空區流場改變，大部分瓦斯流進入專用瓦斯巷，8103 工作面“U”和“U+I”型通風采空區流場分布如圖6。

圖6 8103 工作面“U”和“U+I”型通風采空區流場分布Fig.6 Distribution of flow field in goaf with“U”and“U+ I”ventilation in 8103 working face

3.4.2 工作面瓦斯治理效果考察

1）專用排瓦斯巷引排采空區瓦斯效果分析。專用瓦斯巷與采空區連通后，首先作為回風巷對采空區瓦斯進行導流，經過近7 d 的觀測，專用瓦斯巷分流效果明顯，觀測期間最大瓦斯純量61 m3/min，平均35 m3/min，工作面上隅角和回風超限次數明顯減少[12]，專用排瓦斯巷引排瓦斯觀測變化圖如圖7，工作面瓦斯涌出量觀測變化圖如圖8。工作面回風巷、專用瓦斯巷引排風量觀測變化圖如圖9。由圖7～圖9 可見，專用瓦斯巷與采空區連通初期，隨著專用瓦斯巷連通斷面不斷增大，巷道的通風斷面增加，巷道內瓦斯流量增大，濃度隨之降低。專用瓦斯巷內瓦斯濃度和流量呈周期性波動。波動周期3 d 左右，與工作面周期來壓步距基本相符。

圖7 專用排瓦斯巷引排瓦斯觀測變化圖Fig.7 Gas drainage observation change chart of special gas drainage roadway

圖8 工作面瓦斯涌出量觀測變化圖Fig.8 Observation variation diagram of gas emission in working face

圖9 工作面回風巷、專用瓦斯巷引排風量觀測變化圖Fig.9 Observation and variation diagram of air volume of return air roadway and special gas roadway in working face

2）從治理回風巷濃度變化分析治理效果。專用瓦斯巷與采空區連通后，通風流場發生變化，采空區漏風流攜帶大量瓦斯，流向專用瓦斯巷沿著巷道排到回風，阻斷采空區瓦斯向上隅角涌出，減少了工作面回風流的瓦斯涌出量。專用瓦斯巷與采空區連通后，回風巷道中瓦斯濃度在0.2%以下，上隅角瓦斯濃度在0.4%以下[12,16]。徹底解決了工作面瓦斯超限的問題，從觀測數據和治理效果可以看出，專用瓦斯巷導流治理采空區瓦斯的方法是有效的。

3）治理后溜子通道瓦斯超限效果分析。在專用瓦斯巷未與采空區連通之前，120#～130#支架之間后溜通道在放煤時瓦斯濃度在1.2%左右，連通之后，架間及后溜通道放煤期間瓦斯濃度在0.4%左右，消除了放煤時支架后溜子通道瓦斯濃度超限現象，表明專用瓦斯巷治理工作面后溜子通道瓦斯超限的效果是顯著的[13,15-16]。

3.4.3 專用瓦斯巷道密閉抽采瓦斯效果

8103 工作面采用專用瓦斯巷導流空區瓦斯，因巷內瓦斯濃度大多在2.5%以上, 存在安全隱患，同時違反《煤礦安全規程》第137 條的規定，因此，可以對專用瓦斯巷進行巷道密閉抽放措施。

專用瓦斯巷密閉后相當于大管徑抽采管路，對于抽采管路內的瓦斯濃度沒有限制。密閉后抽采6個月，巷道內抽采混合量500～700 m3/min，純瓦斯量30～50 m3/min，平均瓦斯純量40 m3/min。抽采期間，上隅角瓦斯濃度為0.3%～0.7%之間；回風巷瓦斯濃度在0.4%以下；支架后溜通道放煤時瓦斯濃度降到0.5%以下，消除了放煤時后溜通道瓦斯超限現象[13,16]。專用瓦斯巷道密閉大流量抽采瓦斯的治理方法，解決了上隅角和回風流瓦斯超限問題，治理效果明顯。專用排瓦斯巷道密閉抽放期間上隅角和回風瓦斯濃度曲線如圖10。

圖10 專用排瓦斯巷道密閉抽放期間上隅角和回風瓦斯濃度曲線Fig.10 Concentration curves of upper corner and return air during closed drainage of special gas drainage roadway

瓦斯專用巷密閉抽采和直接導流采空區瓦斯，從流場上看都改變了采空區瓦斯流場分布，密閉抽采的效果和導流效果相似。從抽采影響半徑來看專用巷道在工作面投影距回風巷幫20 m，抽采期間上隅角瓦斯明顯降低，因此，上隅角處在抽采負壓影響范圍內。從抽采量來看，當抽采量為500 m3/min 時，上隅角瓦斯濃度在1%左右，抽采量大于500 m3/min后，上隅角瓦斯濃度降低到1%以下。因此，當抽采量超過500 m3/min，就能夠將上隅角瓦斯稀釋到1%以下，同時，回風中的瓦斯濃度也隨之變低。從治理方法的有效性和穩定性來看，抽采負壓遠大于通風負壓，采空區冒落煤、巖石在抽采負壓的作用下抽采量穩定，即使在周期來壓期間，專用瓦斯巷道密閉抽放量減小不大，能夠滿足工作面瓦斯治理的需要。因此，對于低瓦斯含量超高強度開采的8103 工作面采用專用瓦斯巷密閉抽采瓦斯的治理方法是最有效措施之一。

4 結 語

通過對大采高綜放面瓦斯涌出規律的分析，瓦斯涌出以采空區和鄰近層瓦斯涌出為主，以塔山煤礦8103 工作面為試驗場地，采用瓦斯專用巷密閉大流量抽采瓦斯的治理方案，抽采后瓦斯超限得到徹底解決，治理效果較好。試驗表明：采用專用瓦斯巷密閉抽采大流量抽采的瓦斯治理方法，能夠解決超強度開采引起的瓦斯超限問題。