沖擊地壓工作面瓦斯異常涌出原因分析及防治技術(shù)

顏文學(xué)

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

近年來(lái)，隨著采深和開(kāi)采強(qiáng)度的不斷增大，地應(yīng)力、瓦斯含量、瓦斯涌出量不斷增高，沖擊地壓引起的工作面或采空區(qū)瓦斯異常涌出時(shí)有發(fā)生[1-2]。2005年遼寧阜新孫家灣煤礦“2·14”沖擊地壓引發(fā)瓦斯大量涌出，發(fā)生特別重大瓦斯爆炸事故(死亡214人)；義馬千秋煤礦2011年“11·3”和2014年“3·27”沖擊地壓事故后，瓦斯?jié)舛确謩e達(dá)到了5%和9%[3]。沖擊地壓造成瓦斯異常涌出，甚至引起瓦斯或煤塵爆炸等二次災(zāi)害，給礦井安全生產(chǎn)帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。因此，研究沖擊地壓影響下瓦斯異常涌出問(wèn)題，對(duì)于礦井安全生產(chǎn)具有重要意義[4-9]。礦井進(jìn)入深部開(kāi)采后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)始對(duì)沖擊地壓引起的瓦斯問(wèn)題進(jìn)行研究：K.Ogieglo等[10]等通過(guò)研究開(kāi)采擾動(dòng)與回采工作面、掘進(jìn)巷道瓦斯涌出量之間的關(guān)系，得出了不同能量的震動(dòng)下，瓦斯涌出量涌出的變化規(guī)律以及其影響的區(qū)域瓦斯?jié)舛龋焕铊F等[11]對(duì)沖擊地壓和瓦斯的相關(guān)性進(jìn)行了探討；李世愚等研究了礦震和瓦斯突出的內(nèi)在關(guān)系。

瓦斯在煤層內(nèi)主要以滲流流動(dòng)，主要與煤巖體受力形態(tài)相關(guān)[3]。以煤礦井下工作面正常生產(chǎn)為例，隨著工作面向前推進(jìn)，工作面前方煤體受采動(dòng)的影響發(fā)生煤巖破壞[4]，煤巖的受載形態(tài)將在時(shí)間和空間上不斷地發(fā)生變化，亦使得瓦斯形態(tài)在煤層內(nèi)發(fā)生變化。因此，需要一方面深入研究煤巖受載過(guò)程與工作面前方煤巖體內(nèi)的瓦斯異常涌出，另一方面深入研究頂板斷裂采空區(qū)瓦斯異常涌出。

目前，諸多學(xué)者已針對(duì)該問(wèn)題，開(kāi)展了大量的研究，尹光志等[5-7]分別開(kāi)展了不同卸圍壓速度、型煤與原煤全應(yīng)力—應(yīng)變過(guò)程與瓦斯?jié)B透特性之間關(guān)聯(lián)的研究；李鐵等[8-10]進(jìn)行了不同溫度條件下的含瓦斯原煤滲流實(shí)驗(yàn)，建立了受載含瓦斯煤滲透性與溫度和軸向應(yīng)變的定性定量關(guān)系；李鐵等[11-12]分別開(kāi)展了基于加卸載速度影響下的含瓦斯煤力學(xué)及滲透特性實(shí)驗(yàn)、加卸載下原煤力學(xué)及滲透特性的實(shí)驗(yàn)研究；李祥春等[13-14]進(jìn)行了分級(jí)加載—卸載與復(fù)雜應(yīng)力路徑條件下的含瓦斯煤力學(xué)性質(zhì)及滲透屬性演化規(guī)律的研究。

上述研究主要是對(duì)沖擊地壓和瓦斯災(zāi)害的相關(guān)性進(jìn)行解釋，對(duì)沖擊地壓采面瓦斯異常涌出發(fā)生機(jī)制研究較少，且沒(méi)有形成沖擊地壓采面瓦斯異常涌出評(píng)價(jià)方法和防治體系。筆者在對(duì)沖擊地壓及瓦斯異常涌出誘發(fā)因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析的基礎(chǔ)上，探討了沖擊地壓影響下瓦斯異常涌出的發(fā)生機(jī)制、控制技術(shù)與評(píng)價(jià)方法，并成功應(yīng)用于實(shí)踐，以期為類似條件下瓦斯災(zāi)害治理提供借鑒。

1 工作面概況

I010202工作面走向長(zhǎng)度1 642 m，傾斜長(zhǎng)200 m，煤層可采厚度10.5 m，煤層密度1.32 t/m3。整個(gè)工作面工業(yè)儲(chǔ)量411.81萬(wàn)t，可采儲(chǔ)量330.11萬(wàn)t，設(shè)計(jì)回采率80%，設(shè)計(jì)日產(chǎn)量6 436 t，工作面服務(wù)期限21個(gè)月。工作面采用綜采放頂煤采煤法，其中機(jī)采高度3.2 m，放頂煤高度6.3 m。工作面布置4條巷道，運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷、工藝巷及泄水巷，運(yùn)輸巷水平標(biāo)高+1 268～+1 300 m，回風(fēng)巷標(biāo)高+1 316～+1 348 m；工藝巷標(biāo)高+1 294～+1 326 m；工作面對(duì)應(yīng)地面標(biāo)高為+1 675～+1 840 m。工作面上部為B4煤層I0104202、I010406和I010408采空區(qū)；下部為實(shí)體煤層。

2 沖擊地壓工作面瓦斯異常涌出原因分析

通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料和報(bào)道，統(tǒng)計(jì)分析了沖擊地壓工作面瓦斯異常涌出原因，大致可分為2類：內(nèi)部因素和外部因素，其中，內(nèi)部因素為煤巖層本身具有的儲(chǔ)能性質(zhì)和煤層瓦斯賦存，主要包括煤巖沖擊傾向性、瓦斯含量(壓力)、開(kāi)采深度、頂板結(jié)構(gòu)地質(zhì)構(gòu)造等；外部因素為外部環(huán)境誘發(fā)的沖擊地壓和瓦斯異常涌出，主要包括開(kāi)采技術(shù)條件、開(kāi)采強(qiáng)度、外界動(dòng)力觸發(fā)等。

(1)煤巖固有的沖擊屬性。煤巖固有的沖擊屬性為沖擊傾向性，為堅(jiān)硬煤巖、高強(qiáng)度、高線彈性、高脆性等因素的有機(jī)組合[6]。沖擊地壓采面瓦斯涌出異常的門檻將會(huì)降低，在沖擊動(dòng)力下誘導(dǎo)發(fā)生。

(2)瓦斯含量(壓力)。高瓦斯含量是瓦斯異常涌出的物質(zhì)基礎(chǔ)。另外，研究表明，解吸膨脹能量與瓦斯吸附壓力有關(guān)[7]，存在高瓦斯壓力在沖擊地壓孕育過(guò)程中起一定助推作用的可能。因此，高瓦斯壓力也是沖擊地壓采面瓦斯涌出異常的一個(gè)動(dòng)力條件。

(3)開(kāi)采深度。隨著開(kāi)采深度的增加，地應(yīng)力不斷增高，煤巖體積聚的彈性能不斷增加；同時(shí)，煤層瓦斯含量不斷增大，煤層和圍巖的透氣性降低，開(kāi)采煤層瓦斯得不到有效的預(yù)抽放。因此，開(kāi)采深度為沖擊地壓伴生瓦斯異常涌出的本質(zhì)因素。

(4)堅(jiān)硬頂板。回采過(guò)程中，堅(jiān)硬頂板難以自行垮落，采場(chǎng)周圍易形成高應(yīng)力場(chǎng)，存在沖擊地壓潛在威脅；工作面后方，由于頂板垮落不及時(shí)或者垮落不完全，形成了較大的瓦斯儲(chǔ)存空間，采空區(qū)漏風(fēng)，上隅角瓦斯易積聚；或者頂板突然垮落，采空區(qū)大量瓦斯將被壓出，給采場(chǎng)及工作面巷道造成威脅。

(5)地質(zhì)構(gòu)造。地質(zhì)構(gòu)造影響因素有斷層、褶曲等。地質(zhì)構(gòu)造帶煤巖層應(yīng)力集中，煤體易破碎，易儲(chǔ)存瓦斯或不利于瓦斯的釋放，瓦斯含量相對(duì)較高。

(6)開(kāi)采技術(shù)條件。開(kāi)采技術(shù)條件也是沖擊地壓伴生瓦斯異常涌出的一個(gè)重要因素。開(kāi)采強(qiáng)度越高，沖擊危險(xiǎn)性越大，伴生瓦斯異常涌出的可能性就越大；另外，采掘面布置、頂板控制方式、煤柱留設(shè)、開(kāi)采速度、采高等也會(huì)對(duì)沖擊地壓伴生瓦斯涌出異常產(chǎn)生影響。

3 沖擊地壓工作面瓦斯異常防治技術(shù)

沖擊地壓煤層采面瓦斯異常涌出的防治原則是“改變煤巖物理力學(xué)性質(zhì)，削減煤巖應(yīng)力集中，破壞煤巖強(qiáng)度條件，降低煤層瓦斯含量，提高巷道承載能力，加強(qiáng)沖擊地壓與瓦斯災(zāi)害在線監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)安全防護(hù)”。沖擊地壓煤層采面瓦斯異常涌出防治技術(shù)主要有以下8類。

(1)大直徑鉆孔煤體超前卸壓。利用大直徑鉆孔卸壓，增大了煤層暴露面積，延伸擴(kuò)大鉆孔周圍裂隙，增加了煤層透氣性的同時(shí)，改變了煤巖應(yīng)力狀態(tài)，削減了煤巖的應(yīng)力集中，有利于沖擊地壓與瓦斯的協(xié)同防治。

(2)預(yù)裂爆破頂板超前弱化。堅(jiān)硬頂板預(yù)裂是沖擊地壓預(yù)防的一項(xiàng)重要手段，提前對(duì)頂板進(jìn)行弱化處理，破壞其整體性，增大頂板充填的垮落高度，減小懸頂步距，消除或減緩沖擊地壓威脅；同時(shí)，采取合理方式對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采，降低或避免頂板型沖擊地壓及采空區(qū)瓦斯異常涌出的危險(xiǎn)。

(3)煤層注水。當(dāng)采面貫通后，在其周圍打鉆注水，煤層注水后，改變煤的力學(xué)性質(zhì)，降低了煤的彈性能，使煤層應(yīng)力重新分布，并減少瓦斯放散初速度[11]。既可降低采面沖擊危險(xiǎn)，又可減少?zèng)_擊地壓后瓦斯涌出量。

(4)深孔預(yù)裂爆破。深孔爆破不但可以對(duì)高應(yīng)力區(qū)進(jìn)行有效卸壓，同時(shí)可對(duì)煤體進(jìn)行增透，提高了瓦斯抽采效率；同時(shí)，卸壓爆破增加了煤體的裂隙數(shù)量和長(zhǎng)度，提高了透氣性，瓦斯能夠有效流動(dòng)和排放，降低瓦斯壓力梯度[12-13]，從而達(dá)到降低沖擊危險(xiǎn)性和瓦斯涌出強(qiáng)度的目的。

(5)強(qiáng)化瓦斯抽采。針對(duì)沖擊地壓采面，采前要對(duì)回采區(qū)域煤層進(jìn)行預(yù)抽，盡可能低降低煤層瓦斯含量；回采期間要對(duì)采空區(qū)、頂板斷裂帶、采面巷道高冒區(qū)強(qiáng)化抽采。

(6)巷道超前支護(hù)。對(duì)于受沖擊載荷影響采面，應(yīng)在工作面超前段及高應(yīng)力區(qū)域，安裝高強(qiáng)度可伸縮支柱或支架進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)，加大巷道承載能力，防止因巷道整體失穩(wěn)造成瓦斯大量涌出。

(7)沖擊地壓與瓦斯災(zāi)害在線監(jiān)測(cè)。沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警主要利用鉆屑法、應(yīng)力監(jiān)測(cè)法、礦壓監(jiān)測(cè)法、地音法及微震監(jiān)測(cè)法等；瓦斯監(jiān)測(cè)主要采取人工檢測(cè)、甲烷傳感器監(jiān)測(cè)等。

(8)安全防護(hù)。主要包括完善“壓風(fēng)自救、供水施救、通信聯(lián)絡(luò)、人員定位、緊急避險(xiǎn)、監(jiān)測(cè)監(jiān)控”六大系統(tǒng)等，同時(shí)采取遠(yuǎn)距離放炮、加強(qiáng)支護(hù)、加強(qiáng)瓦斯監(jiān)測(cè)及檢查、穿戴防沖服帽以及瓦斯異常區(qū)域禁放電器設(shè)備等。

4 應(yīng)用案例

根據(jù)工作面的地質(zhì)條件，并結(jié)合瓦斯含量，將I010202工作面劃分為3個(gè)瓦斯異常區(qū)(圖1)，即：工作面前485 m，585～885 m，1 185～1 385 m。

圖1 I010202工作面瓦斯異常區(qū)域劃分示意Fig.1 Schematic of the division of abnormal gas area in I010202 working face

工作面回采前，對(duì)工作面整個(gè)回采區(qū)域?qū)嵤┿@孔卸壓、工作面煤層大面積預(yù)抽，以此降低煤體應(yīng)力集中程度和煤層瓦斯含量。利用鉆屑法或應(yīng)力監(jiān)測(cè)法判斷煤體應(yīng)力是否異常，若異常，繼續(xù)進(jìn)行鉆孔卸壓或爆破卸壓；對(duì)煤層實(shí)施大面積預(yù)抽后，要對(duì)工作面煤層進(jìn)行瓦斯含量測(cè)定，確保抽采達(dá)標(biāo)。若抽采未達(dá)標(biāo)，應(yīng)繼續(xù)抽采或采取工作面煤層增透措施。

工作面回采期間，對(duì)煤層堅(jiān)硬頂板實(shí)施爆破以預(yù)裂弱化頂板，避免大面積懸頂造成采場(chǎng)周圍應(yīng)力積聚，并縮小工作面后方瓦斯儲(chǔ)存空間；利用分源瓦斯治理方法，施工高位鉆孔，并結(jié)合回風(fēng)隅角插(埋)管的方式抽采采空區(qū)瓦斯。

工作面回采期間沖擊地壓主要采用微震能量在線監(jiān)測(cè)；瓦斯監(jiān)測(cè)主要采取甲烷傳感器在線監(jiān)測(cè)，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)個(gè)人安全防護(hù)等措施。

5 結(jié)論

(1)沖擊地壓采面瓦斯異常涌出發(fā)生時(shí)，煤(巖)層受沖擊或震動(dòng)，造成應(yīng)力集中區(qū)域突然卸壓，裂隙擴(kuò)展，大量卸壓瓦斯解析擴(kuò)散并涌向采場(chǎng)，工作面后方采空區(qū)隨著頂板斷裂，瓦斯被突然壓出，造成瓦斯涌出異常。

(2)提出了沖擊地壓煤層采面瓦斯異常涌出的防治原則是“改變煤巖物理力學(xué)性質(zhì)，削減煤巖應(yīng)力集中，破壞煤巖強(qiáng)度條件，降低煤層瓦斯含量，提高巷道承載能力”；相應(yīng)的防治技術(shù)為鉆孔卸壓、頂板預(yù)裂爆破、煤層注水、深孔爆破、瓦斯抽采、強(qiáng)化支護(hù)、在線監(jiān)測(cè)、安全防護(hù)。

(3)工作面回采過(guò)程中，雖發(fā)生煤層震動(dòng)，但未發(fā)生巷道失穩(wěn)，瓦斯無(wú)超限和涌出異常情況。