切頂卸壓沿空留巷綜采工作面瓦斯治理技術(shù)

＊高小波

（山西焦煤西山煤電集團礦業(yè)管理有限公司 山西 030053）

切頂卸壓沿空留巷技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中礦壓方面的應(yīng)用效果良好，具有定向斷裂煤礦采空區(qū)頂板的作用，進而有助于在區(qū)段煤柱全部取消的情況下實現(xiàn)切縫自行垮落成巷操作，而該操作的實現(xiàn)具有提升煤炭開采率的作用，可在一定程度上修復(fù)被破壞的巖體，降低沿空巷道支護施工的難度系數(shù)。但是，在實際的煤礦開采過程中，因開采區(qū)巖體較為堅硬，增加了切縫自行垮落成巷的操作難度，不利于冒落自行垮落工作面的形成，加之冒落帶在發(fā)生斷裂時所產(chǎn)生的沖擊力會對采空區(qū)聚集的高濃度瓦斯產(chǎn)生一定推力，進而容易引發(fā)瓦斯突涌問題，需要相關(guān)負責(zé)人利用瓦斯治理技術(shù)進行解決。

1.瓦斯治理技術(shù)概述

近幾年，隨著瓦斯治理技術(shù)研究的逐步深入，我國瓦斯治理技術(shù)的應(yīng)用效果良好，其與煤礦企業(yè)科學(xué)選擇瓦斯治理技術(shù)以及重視瓦斯抽采綜合評價等有關(guān)。

（1）瓦斯治理。安達煤業(yè)的開采屬于近距離煤層群，其中首層以及突出層均為3號煤層，依據(jù)國家相關(guān)規(guī)定，針對突出礦井的開采需要遵循“不掘突出頭，不采突出面”原則。安達煤業(yè)1334運輸巷主要的防突措施是在3號煤層低板施工抽放巷，隨后進行鉆孔施工，以便于完成預(yù)抽施工并實現(xiàn)降低煤層瓦斯的目標，有助于增加巷道開采的安全系數(shù)。與運輸巷的開采不同，輔運巷的開采有距離要求，常規(guī)下需要在50m開外對回采區(qū)煤體進行煤層鉆孔以及抽取瓦斯等，瓦斯抽取過程中需要使用的鋼管規(guī)格為無縫D273mm×8mm，而1334綜采面所形成的瓦斯抽取以及回風(fēng)巷留管抽放均為綜合試抽取模式[1]。

安達煤業(yè)在認真吸取瓦斯事故教訓(xùn)之后，十分重視瓦斯治理技術(shù)，并且十分注重利用先進技術(shù)推進傳統(tǒng)煤礦企業(yè)向現(xiàn)代化方向發(fā)展，為實現(xiàn)保護生命安全以及保護自然環(huán)境的目標，瓦斯治理技術(shù)的應(yīng)用十分重要，且具有一定的治理理念。首先，一切為了發(fā)展，一切為了職工，瓦斯的利用是把雙刃劍，日常的瓦斯抽放應(yīng)轉(zhuǎn)變成瓦斯抽采，且煤礦的開采需要與瓦斯抽采同時進行，合理利用與治理，并做好預(yù)防瓦斯突涌以及超限等工作。其次，先進生產(chǎn)的實現(xiàn)需要保證安全生產(chǎn)，科學(xué)治理瓦斯是煤礦發(fā)展的必然要求，精細化管理瓦斯治理技術(shù)是瓦斯治理的關(guān)鍵，瓦斯的抽采應(yīng)遵循可保盡保、應(yīng)抽盡抽的原則，做到先抽后采、實時監(jiān)管、以風(fēng)定產(chǎn)，而具體治理需要遵循高投入、高素質(zhì)、強基礎(chǔ)以及嚴管理等方針[2]。最后，瓦斯的治理需要做好通風(fēng)工作，掘進先行，以抽采為重點，防止瓦斯突涌。

（2）瓦斯治理技術(shù)研究成果。①煤與瓦斯突出動態(tài)預(yù)測技術(shù)。煤與瓦斯突出的非接觸式預(yù)測主要是指實時監(jiān)管瓦斯及媒體信號的一種連續(xù)動態(tài)預(yù)測技術(shù)，該技術(shù)具有實時連續(xù)監(jiān)測以及測試簡單等特點，屬于先進瓦斯治理技術(shù)之一。依據(jù)對瓦斯突涌動態(tài)變化規(guī)律以及危險系數(shù)的分析，實時監(jiān)測瓦斯動態(tài)突涌波形，并將其危險指標系數(shù)進行提取，以此為參考確立煤巷掘進瓦斯動態(tài)突涌指標，以便于用來判斷綜采面所屬地點安全系數(shù)以及潛藏的安全風(fēng)險等，有助于實現(xiàn)對瓦斯突涌的實施觀測，并提供一種新的監(jiān)測方法。AE聲發(fā)射監(jiān)測煤與瓦斯突出屬于一種AE聲發(fā)射濾噪綜合治理技術(shù)，具有多種信號提取方式，如抑噪、隔噪以及濾噪等，屬于濾噪技術(shù)研究的新突破，具有分析、總結(jié)AE發(fā)聲規(guī)律以及瓦斯災(zāi)害的作用[3]。此外，針對于含瓦斯煤巖流變被破壞過程的實時監(jiān)測，過程中產(chǎn)生的電磁輻射信號及脈沖數(shù)會對瓦斯的突涌產(chǎn)生一定影響，加強對二者的研究是做好瓦斯突涌預(yù)測工作的前提條件，其中涉及的臨界值法與動態(tài)趨勢法均具有預(yù)警瓦斯災(zāi)害的作用，可借助連續(xù)監(jiān)測儀對煤巖及瓦斯動態(tài)進行監(jiān)測。

②煤與瓦斯突出區(qū)域預(yù)測技術(shù)。針對于煤礦突出區(qū)域瓦斯的預(yù)測，工作人員可以考慮使用瓦斯地質(zhì)理論與物態(tài)技術(shù)兩種方法，可以利用瓦斯地質(zhì)法創(chuàng)建瓦斯突出區(qū)域預(yù)測新方法，改進方法具有集成化以及多尺度的特點，能夠提出瓦斯地質(zhì)單元的基礎(chǔ)構(gòu)造為軟煤厚度以及煤層瓦斯壓力指標。隨后工作人員可以創(chuàng)建WebGIS信息平臺，并利用地球物理探測技術(shù)對礦井瓦斯富集區(qū)進行勘測，隨后再通過地震反演技術(shù)、瓦斯地質(zhì)技術(shù)以及3D3C地震技術(shù)等構(gòu)成新的地震預(yù)測模式用于探測礦井瓦斯[4]。與此同時，工作人員可以利用地質(zhì)動力區(qū)劃分法找出煤礦掩體應(yīng)力狀態(tài)突出的原因，明確劃分出應(yīng)力升高區(qū)、降低區(qū)以及應(yīng)力梯度等，并通過多因素模式的識別與預(yù)測分析確定最大主應(yīng)力，便于工作人員以此劃分危險區(qū)以及安全區(qū)，有助于實現(xiàn)對突出區(qū)瓦斯預(yù)測的可視化監(jiān)管。除此之外，電磁波透視技術(shù)可以探測煤層中瓦斯災(zāi)害區(qū)域，創(chuàng)建電磁波反射和吸收數(shù)據(jù)系統(tǒng)，以此獲得瓦斯災(zāi)害具體位置以及分布規(guī)律等，有助于相關(guān)臨界值的識別與計算，進而有助于逐步創(chuàng)新與完善煤礦瓦斯預(yù)測技術(shù)體系，提高突出預(yù)測的精準度，降低煤礦掘進、開采過程中瓦斯超限問題出現(xiàn)的幾率，提高掘進效率。

③瓦斯煤塵爆炸危險性預(yù)測評價技術(shù)。煤礦開采過程中經(jīng)常會存在瓦斯煤層爆炸事故，不僅危害人員生命健康，還會增加國家經(jīng)濟損失。為此，針對于煤層瓦斯爆炸的相關(guān)研究十分重要，需要工作人員利用先進技術(shù)創(chuàng)建粉塵燃燒模型，總結(jié)粉塵空氣混合物點火時導(dǎo)熱材料燃燒機理，并根據(jù)瓦斯爆炸相關(guān)特性進行點火試驗，以此得出高溫固體燃料燃燒時所產(chǎn)生的輻射與瓦斯爆炸范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛雀叩陀嘘P(guān)，瓦斯?jié)舛仍礁?，燃燒速度越快且燃點越低，此時如若空氣溫度偏低，則固體燃燒時的火焰會出現(xiàn)加速現(xiàn)象，此時可能會存在輻射熱損失現(xiàn)象，加之空氣中若有粉塵混合物影響火焰燃燒的穩(wěn)定性，則工作人員可以通過對瓦斯煤層環(huán)境下的相關(guān)系數(shù)進行計算，以此總結(jié)出瓦斯爆炸時爆炸波及火焰的變化情況。隨后，煤礦企業(yè)還需要創(chuàng)建礦井瓦斯煤塵爆炸預(yù)防模型，用事故分析方法對礦井的掘進及開采綜合面進行研究，重點研究切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，可以有效防止爆炸事故的發(fā)生，并為礦井開采尋找新途徑，而瓦斯煤層爆炸危險性預(yù)測評價技術(shù)的研發(fā)，是瓦斯治理技術(shù)獲得進步的重要表現(xiàn)。

2.安達煤業(yè)工程概況

安達煤業(yè)1334綜采工作面的具體區(qū)域是在第一水平東翼13采區(qū)三區(qū)段的第4個工作面，工作面走向長641m，傾斜長120m，煤層平均厚度2.2m，傾斜角度25°左右，區(qū)域以焦煤為主，而區(qū)域內(nèi)的粉塵巖厚度在10m左右，中間夾雜著細沙巖以及磷鐵礦。因磷鐵礦呈現(xiàn)透鏡狀，所以整體巖體的層理為波狀形，此為直接頂，而針對于老頂而言，粉砂質(zhì)泥巖的厚度在8m左右，中間夾雜有細沙巖以及粉砂巖等，日常開采過程中可能還會發(fā)現(xiàn)巖體內(nèi)部存在動物化石[5]。

1334運輸巷巷道的常規(guī)尺寸是4400mm×2500mm，開采與掘進過程中常用的支護施工方法為樹錨、鋼帶以及金屬網(wǎng)等材料，而在工作面的回采期間運輸巷經(jīng)常使用的切頂卸壓沿空留巷技術(shù)需要單體液壓支柱的支持，具體的型號為DW25-300/100，此為金屬鉸接頂梁超前支護施法，隨后沿空留巷技術(shù)的應(yīng)用需要每隔10min完成一次切頂線后方沙袋墻的砌筑，該墻體的厚度大致為0.8m[6]。而運輸巷的內(nèi)距采面煤壁的厚度可在20m左右，并在沿巷道上幫頂板處設(shè)計眼距5m、孔徑為42m的深孔聚能預(yù)裂爆破眼，各眼距之間需間隔0.5m，具體樣式見下圖1所示。當前，安達煤業(yè)1334綜采工作面所應(yīng)用的瓦斯治理技術(shù)包括煤與瓦斯突出動態(tài)預(yù)測技術(shù)以及煤與瓦斯突出區(qū)域預(yù)測技術(shù)。

圖1 切頂卸壓沿空留巷工程圖

3.切頂卸壓沿空留巷綜采工作面瓦斯治理技術(shù)問題

（1）支護方式較為傳統(tǒng)?，F(xiàn)如今，仍然有部分地區(qū)受經(jīng)濟發(fā)展較為落后的影響，煤礦的開采依然使用的是傳統(tǒng)的沿空留巷支護技術(shù)，即巷道上幫沒有砌墻環(huán)節(jié)，僅是在沿空留巷內(nèi)以間隔10m的方式砌筑沙袋墻用以推進支護施工工程，針對于采煤工作面的風(fēng)流部分，工作人員可以通過下尾巷沿空留巷的上幫進入采空區(qū)，以此與下尾巷道形成漏風(fēng)區(qū)域，漏風(fēng)區(qū)的產(chǎn)生容易引發(fā)自然火災(zāi)，進而容易為煤礦的掘進與開采施工留下安全隱患。常規(guī)情況下，煤礦采空區(qū)的瓦斯運移具有特定規(guī)律，且其瓦斯?jié)舛韧ǔ？煞譃?帶，分別是滯留帶、過渡帶以及涌出帶等，而工作面煤壁的距離大小并非一成不變，其會隨著采空區(qū)與工作面的間距大小而改變。采空區(qū)中瓦斯的運移會受通風(fēng)系統(tǒng)的影響，如若采面上隅角的通風(fēng)壓力降低，且采空區(qū)的風(fēng)速呈現(xiàn)U型分布，瓦斯會因漏風(fēng)而集中至上隅角位置，具體見圖2。

圖2 切頂卸壓沿空留巷采空區(qū)漏風(fēng)示意圖

（2）懸頂發(fā)生循環(huán)斷裂。運輸巷頂板在經(jīng)過切頂爆破后會隨著采面進入采空區(qū)，如若此時懸頂?shù)拈L度及寬度達到一定程度，則在受到上覆巖層壓力的作用下，懸頂容易發(fā)生循環(huán)斷裂現(xiàn)象。常規(guī)情況下，若是尚未經(jīng)過運輸巷切頂卸壓采空區(qū)頂板的垮落過程，則采面的中下部兩段不會出現(xiàn)垮落現(xiàn)象，通常都是在采面的上下兩端發(fā)生垮落，隨后利用運輸巷切頂卸壓技術(shù)可將采空區(qū)跨落方向調(diào)整至下端頭后方，使其從下往上逐漸垮落。當1334工作面的頂板巖體斷裂后，垮落的塊體體積較大且形狀規(guī)則，其下端頭懸頂斷裂長度為6.5m左右，再通過強制放頂操作之后，垮落的巖塊長度可達4m左右，厚度約為3m左右，因下端頭采工區(qū)的巖塊垮落具有間斷性特點，所以當有大塊兒巖體垮落時會對采空區(qū)的空氣流動產(chǎn)生不良影響，導(dǎo)致采空區(qū)下半部分空氣發(fā)生混亂，擾亂了瓦斯原有的移動方向及速度，容易引發(fā)瓦斯超限問題[7]。

（3）存在瓦斯超限問題。安達煤業(yè)1334綜采工作面的頂板較為堅硬，常規(guī)下其下端后放的采空區(qū)頂板可能會存在斷裂或者塌方的問題，一旦出現(xiàn)此類安全事故，則會造成超前支撐壓力的傳遞遭受阻礙而無法正常傳送至前方煤壁，長期以往，會使得綜采工作面下端煤體出現(xiàn)瓦斯泄露事故，致使綜采工作面的機道以及回風(fēng)流出現(xiàn)瓦斯超限問題。此外，在煤巷掘進過程中，工作面出現(xiàn)破口、風(fēng)筒脫節(jié)等問題時，可能會導(dǎo)致瓦斯集聚出現(xiàn)超限問題，具體解決方案有兩種，一種是更換高質(zhì)量風(fēng)筒以及解決風(fēng)筒脫節(jié)問題；另一種是工作人員需要注重風(fēng)筒的維修與養(yǎng)護，小心運送，規(guī)范化安裝，并在后期的爆破施工中科學(xué)控制炸藥量，避免爆破損壞風(fēng)筒。

4.切頂卸壓沿空留巷綜采工作面瓦斯治理技術(shù)應(yīng)用

(1)瓦斯治理技術(shù)的改進

解決綜采工作面上隅角瓦斯聚集問題的有效方式是瓦斯治理技術(shù)的改進，修復(fù)采空區(qū)的漏風(fēng)區(qū)域，減少或防止空氣進入工作面，進而能夠避免出現(xiàn)瓦斯積聚現(xiàn)象。1334綜采工作面在剛進行開采階段，其標準配風(fēng)為1440m3/min，為避免出現(xiàn)瓦斯超限問題，回風(fēng)流的瓦斯最大值不應(yīng)超過0.8%，上隅角的瓦斯最大值不應(yīng)超過1.2%，依據(jù)工作人員對于礦井采掘工作面的日常管理，工作人員可以依據(jù)切頂卸壓沿空留巷綜采面的瓦斯治理要求對瓦斯技術(shù)進行改進，以便于技術(shù)改進能夠符合綜采面的瓦斯治理要求。

(2)瓦斯治理技術(shù)應(yīng)用效果

1334綜采工作面開采初期，瓦斯超限問題普遍存在，因生產(chǎn)缺乏規(guī)律性，所以需要礦井管理人員組織各施工人員進行現(xiàn)場情況分析與討論，找出瓦斯超限產(chǎn)生原因，并總結(jié)出瓦斯流動及其變化規(guī)律，有助于瓦斯治理技術(shù)的合理應(yīng)用以及治理方案的科學(xué)制定，如在沿空巷道上幫砌筑超高水材料隔離墻，在下端頭懸頂砌筑擋風(fēng)墻，用以擋住上隅角以及回風(fēng)巷的瓦斯。在采面推進操作中，部分工藝需要做到精細化管理，嚴格按照相關(guān)標準進行改進與調(diào)試，此次工作面的最大瓦斯參數(shù)機道為0.4%，上隅角為0.65%，回風(fēng)流為0.55%，具體的巷道留管抽放體積范圍是3.5%～10%，整體采空區(qū)的瓦斯體積屬于上升期[8]。具體的分源治理方案所對應(yīng)的瓦斯測試參數(shù)值如表格1所示。

表1 瓦斯測試參數(shù)值表

5.結(jié)束語

安達煤業(yè)1334綜采工作面的頂板巖體較為堅硬，實際開采過程中切頂卸壓沿空留巷技術(shù)以及瓦斯治理技術(shù)的應(yīng)用，能夠解決瓦斯突涌以及礦壓突變的問題，相關(guān)負責(zé)人需要依據(jù)技術(shù)操作標準制定瓦斯分離治理方案，以此助力切頂卸壓沿空留巷綜采工作面瓦斯治理技術(shù)的推廣。另外，針對于綜采工作面頂板巖體較為堅硬的問題，開采人員需要優(yōu)先對巖體結(jié)構(gòu)進行分析，并依據(jù)分析結(jié)果采取有效措施解決采空區(qū)懸頂頂板切頂問題，以此完成縮小垮落步距以及塊度的操作，進而減少對采空區(qū)瓦斯的沖擊力，可有效防止瓦斯超限問題的出現(xiàn)。