基于極近距離煤層綜放工作面回風隅角瓦斯治理研究

2023-02-06 13:51:24崔永樂

中國礦業 2023年1期

崔永樂

(國能神東煤炭集團有限責任公司，陜西榆林 719315)

0 引言

相對于單一煤層或其他煤層群開采，開采極近距離煤層低瓦斯綜放工作面時，近距離煤層群在重復采動條件下，覆巖破壞、裂隙發育、瓦斯分布運移復雜、工作面回風隅角瓦斯超限等現象常有發生[1-3]。生產實踐表明，在處理瓦斯聚積形成瓦斯超限而影響礦井安全生產問題時，采用單一的瓦斯抽采方法得到瓦斯治理效果非常有限，不能滿足煤礦安全、高效生產的要求[4-8]。由于不同礦井地質構造及煤層、瓦斯賦存具有不可重復性，因此針對一個煤層群開采的特定礦井，研究適合自身條件、能夠解決自身在開采過程中瓦斯超限問題的一套綜合瓦斯治理措施具有重大意義[9-11]。針對上述問題，本文以某煤礦EIN56-5工作面為工程背景，分析瓦斯超限原因，確定合理瓦斯抽采方法，并利用數值模擬方法分析合理抽采參數，旨在提高瓦斯抽采效果，杜絕工作面回風隅角瓦斯超限，為極近距離煤層群開采回風隅角瓦斯治理提供參考。

1 工程概況

某煤礦為低瓦斯礦井，主要開采6煤層組(6煤層組分為6-2煤層、6-3煤層、6-4煤層、6-5煤層、6-6煤層、6-7煤層、6-8煤層、6-9煤層)，煤層間距0.17～45.00 m，屬極近距離煤層群開采，6煤層組巖層特征見表1。EIN56-5工作面開采6-5煤層，該煤層平均開采厚度4.85 m，煤層傾角3°～10°，煤層較硬，硬度系數f值在2～3之間，瓦斯含量為1.22 m3/t。6-5煤層直接頂板為含礫砂巖，平均厚度17.9 m；底板以泥巖為主，平均厚度0.25 m。工作面走向長955.3 m，傾斜長126.0 m，綜合機械化放頂煤開采，垮落法管理頂板，“U”型通風方式。工作面上部為6-3煤層采空區，下部為未開采實體煤。工作面初采期間采取了本煤層順層鉆孔抽采、下鄰近層穿層鉆孔卸壓攔截抽采和采空區埋管抽采相結合的綜合瓦斯治理措施，但在工作面推進到28 m時，回風隅角發生瓦斯超限，濃度為1.26%。

表1 6煤層組煤巖層特征

2 回風隅角瓦斯超限影響因素分析

工作面瓦斯超限與工作面通風方式、頂板垮落、鄰近層涌入、地質構造及瓦斯抽采效果等因素相關。

1) 采空區漏風。對于“U”型通風方式的工作面，瓦斯流場具有一定的規律。某煤礦EIN56-5工作面采空區瓦斯流場規律為：沿走向方向，采空區瓦斯流場為拋物線狀態，越遠離工作面，瓦斯濃度越大，在靠近EIN56-5工作面進風巷一側的采空區，瓦斯濃度在采空區深部升高較快；沿傾向方向，采空區瓦斯流場為直線狀態，EIN56-5工作面采空區回風巷一側是瓦斯濃度較高的區域。工作面風流分兩部分，一部分直接經過工作面流過，另一部分流入采空區，經過采空區后再回到工作面上部及回風隅角，回風隅角風流流速較慢，容易形成漩渦，大量瓦斯在此積聚，無法被風流帶入回風巷[12-13]。“U”型通風的漏風流流線示意圖如圖1所示。

圖1 “U”型通風的漏風流流線示意圖

2) 堅硬頂板。6-5煤層賦存約17.9 m的堅硬砂巖頂板，不易垮落。一方面造成回風隅角難以有效封堵，埋管抽采不能有效發揮作用，造成回風隅角瓦斯積聚乃至超限；另一方面，堅硬砂巖頂板懸露過長，一旦垮落，采空區高濃度瓦斯突然壓出，超出風排能力，造成回風隅角瓦斯超限，甚至造成工作面系統性超限[14]。

3) 鄰近煤層及老空區瓦斯涌入。EIN56-5工作面開采時，除本煤層瓦斯涌出外，還有因采動影響，在工作面頂底板的一定范圍內形成大量的裂隙，這些裂隙給上覆6-4煤層、6-3煤層采空區以及下伏的6-6煤層、6-7煤層、6-8煤層、6-9煤層的卸壓瓦斯涌到EIN56-5回采工作面提供了通道和空間，在抽采負壓及通風負壓作用下，鄰近層卸壓瓦斯及老空區瓦斯會涌入EIN56-5工作面采空區。

4) 抽采措施不合理。工作面初采期間采用底板穿層鉆孔、煤層順層鉆孔及回風順槽埋管的瓦斯抽采措施。在工作面進風順槽每10 m施工一個順層鉆孔，鉆孔深度70 m，抽采本煤層瓦斯；每50 m施工一組底板穿層鉆孔，每組3個鉆孔，終孔位置為穿過下部6-7煤層，抽采下部煤層卸壓瓦斯。在回風順槽敷設管路，采用埋管的方法抽采采空區瓦斯。通過對順層鉆孔及底板穿層鉆孔單孔的瓦斯抽采參數測定，鉆孔抽采濃度基本為0%，埋管抽采瓦斯濃度平均為1.2%。經研究可知，工作面回采期間瓦斯主要涌出源為上部老空瓦斯，而并非本煤層及鄰近層瓦斯涌出。初采期間，由于工作面頂板及回風順槽尾巷垮落不及時，回風隅角沒有進行有效封堵，埋管抽采濃度較低，瓦斯抽采效果不佳，造成回風隅角瓦斯超限。

3 采動覆巖結構變化數值模擬

工作面煤層開采過程中，采動覆巖結構的變化及裂隙的發育是影響瓦斯涌出的根本因素。通過數值模擬方法可以直觀地觀察在開采過程中上覆巖層的變化過程，并對“三帶”高度進行估算測量，研究裂隙等發育變化規律，為鉆孔設計及埋管等抽采瓦斯治理措施的制定提供理論基礎[15]。利用UDEC數值模擬軟件對EIN56-5綜放工作面開采過程中覆巖破壞過程進行模擬。

3.1 數值模型建立

EIN56-5工作面地質賦存較為簡單，根據具體賦存情況及煤巖力學性質建立計算模型，并賦予各煤巖層相應力學參數見表2。模型走向長200 m，垂直高72.79 m，模擬采深為500 m。模擬煤層為近水平煤層，模型計算邊界條件為模型底部邊界固定，左右邊界水平方向固定，上部邊界為自由邊界。由于未直接模擬到地表，上部施加荷載，并考慮重力梯度，而水平應力為側壓力系數乘以垂直應力。考慮到消除邊界效應，在左右邊各留設了60 m的保護煤柱后，繼續對模型開挖，開挖總長為80 m，每次推進距離為8 m。物理模型如圖2所示。

表2 煤巖層物理力學參數

圖2 物理模型

3.2 采動覆巖結構破壞過程

鑒于篇幅有限，根據軟件生成的覆巖垮落破壞及裂隙變化情況，選取圖像清晰、變化明顯、具有代表性的幾組模擬圖像，分析討論工作面上覆巖層“三帶”變化及裂隙發育規律。工作面推進16 m、32 m、48 m、80 m時煤巖變形破壞情況如圖3所示。

由圖3(a)～圖3(d)可知，在工作面回采初期，上覆巖層還處于相對穩定的狀態，沒有較大幅度的變形和破壞；當工作面回采至32 m時，基本頂變形形態相對明顯，工作面頂板初次斷裂，裂隙在縱向、橫向上不斷發育，以縱向裂隙為主的發育已于上覆煤巖出現連通，形成了能供瓦斯運移的通道；當工作面推進至48 m時，頂板大面積垮落明星，上覆巖層的形變從下而上不斷發展，裂隙、斷裂等破壞形式相繼發生，形成瓦斯流動的良好通道；回采到80 m時，“三帶”的發育范圍逐漸趨于穩定，高度和區域動態形成了一個比較合理的區間。由圖3可以初步判斷，在研究范圍內EIN56-5綜放工作面，垮落帶最大高度為8.95 m，裂隙帶最大高度為20.33 m，厚度達17.9 m的砂巖為關鍵層，其上覆巖屬整體彎曲下沉帶。

圖3 煤巖變形破壞情況

3.3 工作面應力分布特征

圖4(a)～圖4(d)分別為工作面推進16 m、32 m、48 m、80 m時煤巖應力分布云圖。在回采初期，只在煤層頂板及底板形成一定范圍的卸壓區，而在切眼及工作面煤壁附近出現了應力集中。隨工作面的推進，煤壁附近應力集中的程度和范圍逐漸增大，而在煤層頂板及底板會形成間隔不等的卸壓區和應力升高區，這對應初次來壓及周期來壓期間，采場老頂或上部關鍵層斷裂時在采場采空區觸矸的部位。

圖4 煤巖應力分布情況

為了確定煤壁支承影響區、離層區、重新壓實區的范圍，在距6-9煤層、6-8煤層、6-7煤層、6-6煤層、6-5煤層頂板煤巖交界處，6-4煤層、6-3煤層、6-2煤層底板煤巖交界處設置一條觀測線，考察頂底板上的支承壓力分布規律。通過提取工作面推進80 m時測線測點應力值，分別繪制了6-6煤層、6-7煤層、6-8煤層、6-9煤層頂板煤巖交界測線測點的應力變化曲線，如圖5所示。

圖5 推進80 m時底板應力變化曲線

由圖5可知，在EIN56-5工作面下方形成了應力升高區，最高值位于距工作面10～15 m處，且隨著距作用位置距離的增加而逐漸衰減和擴散。工作面后方卸載范圍達35 m左右，其中距工作面后方20 m處卸壓超過90%。由此可見，支承壓力對與6-5煤層相距僅2～3 m的6-6煤層會產生很大影響，使其先后經歷支承壓力大幅升高和下降，使底板產生導氣裂隙帶，6-6煤層瓦斯涌入EIN56-5工作面采空區。由圖5的煤層應力變化曲線可推測劃定工作面后方自燃“三帶”，其中工作面后方0～25 m為散熱帶，25～70 m為升溫氧化帶，70 m以內為窒息帶，如圖6所示。因此，工作面埋管步距可確定為20～25 m處可提高埋管瓦斯抽采效果。

圖6 工作面“三帶”分布

4 工作面回風隅角瓦斯治理

根據EIN56-5工作面瓦斯超限原因并結合工作面實際地質及開采情況，提出“分階段，差異化”的瓦斯治理思路。分階段即為將工作面瓦斯治理分為采前階段、初采階段、正常回采階段；差異化即為不同階段采取不同的瓦斯治理措施。

1) 采前階段。EIN56-5工作面上部存在6-4煤層及6-3煤層采空區，由于煤層層間距近，若不對上部老空區瓦斯提前抽采，工作面回采階段尤其是初采階段，上部老空區瓦斯在通風負壓及抽采負壓的作用，容易在工作面回風隅角積聚。因此，工作面采前階段采用提前施工抽采鉆孔抽采老空區(巷)瓦斯，并結合風排的瓦斯綜合治理措施。

2) 初采階段。工作面回采初期，采空區及回風隅角難以垮實，伴隨系統性漏風，回風隅角是瓦斯治理的重點區域。主要采用高(低)位鉆孔+埋管+風排的瓦斯治理方案，其中，高位鉆孔抽采裂隙帶瓦斯，低位鉆孔抽采冒落帶及回風隅角瓦斯；埋管抽采對高(低)位鉆孔作以補充。

3) 正常回采階段。工作面頂板已進入周期性垮落階段，工作面上部及回風隅角部分漏風較小，根據以往工作面瓦斯治理實際，埋管抽采已能滿足工作面瓦斯治理需要。正常回采階段采取回風順槽埋管并結合風排的綜合治理措施對回風隅角瓦斯超限進行治理。“分階段，差異化”瓦斯治理總體思路如圖7所示。

圖7 “分階段，差異化”瓦斯治理

4.1 老空區瓦斯抽采

EIN56-5工作面上覆6-3煤層采空區，間距較近，為防止上覆采空區瓦斯在通風負壓和抽采負壓的作用下涌向EIN56-5工作面，造成回風隅角或工作面瓦斯超限。在回風順槽頂板每間隔30 m施工一組垂直巷道頂板的穿層鉆孔，每組2個鉆孔，鉆孔孔徑Φ75 mm，組內間距1 m，以穿透6-5煤層上覆巖層為止，鉆孔施工完畢后，進行聯孔抽采。

4.2 頂板高(低)位走向鉆孔瓦斯抽采

為了有效解決正常回采期間采空區瓦斯、冒落帶和裂隙帶的瓦斯，在采用懸掛風障的同時，采用高位鉆孔抽采裂隙帶的瓦斯，采用低位鉆孔抽采垮落帶和采空區的瓦斯[16-17]。根據EIN56-5工作面地質情況及開采條件，并結合數值模擬“三帶”范圍的確定，在EIN56-5工作面回風順槽下幫每隔50 m布置一組抽采鉆孔，每組鉆孔布置2排，每排5個，第一排(低位鉆孔)控制高度為6-5煤層頂板8 m，第二排(高位鉆孔)控制高度為6-5煤層頂板16 m，控制范圍以EIN56-5工作面采面上段傾向方向35～40 m范圍，鉆孔沿工作面走向壓茬長度不小于20 m，鉆孔封孔采用“兩堵一注”封孔方法[18]，封孔長度不小于8 m，注漿壓力不小于1 MPa。

4.3 埋管抽采

合理的埋管深度是提高瓦斯抽采濃度及解決回風隅角瓦斯抽采的關鍵[19]。根據礦井瓦斯抽采經驗及對埋管深度的不斷調試，并結合數值模擬采空區后方應力分布情況，確定埋管步距。在EIN56-5工作面沿回風順槽上幫設一趟瓦斯抽采管道，抽采管道每隔18～36 m安裝一個Φ25 cm三通管件，三通管件上安裝Φ25 cm蝶閥等組件，作為埋入采空區的過渡管連接口，過渡管長度設計為20～25 m。隨著工作面的推進，當過渡管進入采空區時，打開過渡管蝶閥進行調節抽采。

4.4 治理效果

EIN56-5工作面回風隅角瓦斯超限后，通過瓦斯超限原因分析，強化瓦斯抽采措施、優化瓦斯抽采參數，不僅提高了工作面瓦斯抽采效果，而且確保了工作面的安全回采。通過對上部老空區間歇性抽采，上部老空區瓦斯濃度由65%降至9%；工作面從28 m推采至100 m范圍初采階段，瓦斯抽采量穩定在4.46～5.15 m3/min，回風隅角瓦斯濃度未超過0.7%，并隨著抽采的持續性逐步降低；正常回采階段該階段工作面共推進100～795 m，回風隅角瓦斯濃度0.12%～0.48%，回風瓦斯濃度0.14%～0.54%，瓦斯抽采率平均為77%，工作面日推進度由3 m/d提高至7 m/d。回風隅角及回風流瓦斯濃度變化曲線，如圖8所示。