“刀把”形綜采面初采期瓦斯治理技術(shù)研究

李洪先 胡 華 王文利 徐啟飛 杜海剛

（1 貴州黔西能源開(kāi)發(fā)有限公司，貴州畢節(jié) 551700；2 六盤水師范學(xué)院礦業(yè)與機(jī)械工程學(xué)院，貴州六盤水 553004）

在煤礦發(fā)生的眾多災(zāi)害中，無(wú)論是瓦斯災(zāi)害發(fā)生的頻率還是帶來(lái)的后果都比其他災(zāi)害要大，所以瓦斯災(zāi)害更加嚴(yán)重影響著煤礦的安全生產(chǎn)［1-3］。其中，貴州省的煤礦瓦斯災(zāi)害仍然是全國(guó)最嚴(yán)重的省份。如，2021 年2 月9 日，貴州威寧縣爐山鎮(zhèn)孔家溝煤礦發(fā)生疑似瓦斯燃燒事故，2021年4月8日，貴州金沙縣西洛鄉(xiāng)東風(fēng)煤礦發(fā)生煤與瓦斯突出事故，2021 年4 月26 日貴州晴隆縣三寶煤礦發(fā)生煤與瓦斯突出事故，造成人員傷亡。這些造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的事故表明：瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)和煤礦管理水平雖取得了一定的發(fā)展和進(jìn)步，但瓦斯災(zāi)害防治仍是任重道遠(yuǎn)。貴州省的煤礦煤層賦存復(fù)雜，構(gòu)造發(fā)育，導(dǎo)致工作面形狀不規(guī)則，形成“刀把”形工作面，從而增大了工作面發(fā)生瓦斯超限的風(fēng)險(xiǎn)。大部分煤礦的工作面受到斷層等因素的影響，導(dǎo)致工作面形狀不規(guī)則，形成“刀把”形工作面，從而增大了工作面發(fā)生瓦斯超限的風(fēng)險(xiǎn)。然而，目前對(duì)于“刀把”形工作面的瓦斯治理研究成果較少。張曉壘等［4-6］通過(guò)改變邊界綜采工作面的布置方式，研究了“刀把”形工作面的快速對(duì)接技術(shù)。秦忠誠(chéng)［7］研究了淺埋煤層“刀把”形工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及支架適應(yīng)性，得出“刀把”工作面的周期來(lái)壓沿工作面面長(zhǎng)方向分區(qū)域來(lái)壓，由工作面機(jī)尾側(cè)向機(jī)頭側(cè)發(fā)展，工作面中部支架工作阻力較大，工作面兩端支架的工作阻力較小。侯志成［7］實(shí)測(cè)分析了7 m 大采高“刀把”形工作面短、長(zhǎng)面對(duì)接期間工作面的礦壓規(guī)律，得出工作面初采階段呈現(xiàn)出初次來(lái)壓步距較長(zhǎng)、來(lái)壓強(qiáng)度較低的礦壓特征。寧帥［9］研究了“刀把”形工作面二次動(dòng)壓巷道破碎圍巖超前快速控制技術(shù)。劉建兵［10］采用瓦斯抽放系統(tǒng)和局部通風(fēng)機(jī)解決了綜采面“刀把”形煤柱期間的瓦斯管理。

由于煤礦井下地質(zhì)結(jié)構(gòu)形態(tài)千變?nèi)f化、采掘施工條件千差萬(wàn)別，瓦斯防治技術(shù)工藝及技術(shù)人員素質(zhì)存在較大差異，且“刀把”形工作面與普通工作面的來(lái)壓規(guī)律也存在差異。因此，要防止工作面的瓦斯超限，需從頂?shù)装骞芾怼⒒夭晒に嚨榷喾矫鏄?gòu)建瓦斯治理技術(shù)體系。為了防止頂板產(chǎn)生較大懸頂空間，可采用預(yù)裂爆破進(jìn)行切頂卸壓［11-16］。同時(shí)，采取定向鉆孔、普通鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采［16-21］，從而防止采空區(qū)瓦斯向工作面涌出，導(dǎo)致工作面瓦斯超限。本文針對(duì)青龍煤礦21606綜采工作面的瓦斯治理，在原有瓦斯治理技術(shù)基礎(chǔ)上重新構(gòu)建瓦斯治理技術(shù)體系。

1 工作面概況

貴州黔西能源開(kāi)發(fā)有限公司青龍煤礦（簡(jiǎn)稱青龍煤礦）21606 綜采工作面位于一采區(qū)西翼，該工作面布置在16煤層，煤層總體趨勢(shì)呈一寬緩的背斜構(gòu)造，工作面中間高、兩翼低；煤層產(chǎn)狀變化較大，走向?yàn)?225°～242°～51°，傾向?yàn)?315°～332°～141°，煤層傾角為10°～14°，平均12°，16煤厚1.4～4.1 m。煤層自燃傾向性為不易自燃煤層（Ⅲ類）。煤層最大瓦斯含量為14.385 4 m3/t，經(jīng)鑒定為煤與瓦斯突出礦井。21606 工作面運(yùn)順長(zhǎng)1 556 m，軌順長(zhǎng)1 558.5 m（補(bǔ)軌順段長(zhǎng)175 m），傾斜長(zhǎng)108.8/156.9 m，工作面為不規(guī)則刀把工作面，工作面全風(fēng)壓“U+L”式通風(fēng)，SF47 斷層橫穿整個(gè)采區(qū)，其工作面及相鄰工作面關(guān)系如圖1所示。

圖1 21606工作面及相鄰工作面布置示意

2 工作面初采期瓦斯治理方案設(shè)計(jì)

2.1 回采初期瓦斯治理存在問(wèn)題分析

21606 工作面初期主要采用兩順槽施工順層鉆孔，21604 底抽巷、21604 邊界巷、21606 底抽巷施工穿層鉆孔抽采本煤層瓦斯和鄰近層瓦斯，軌順?lè)笤O(shè)低負(fù)壓管路抽采上隅角瓦斯?；夭汕?，對(duì)21606綜采工作面里程0 m～242.5 m段區(qū)域防突措施進(jìn)行了效果檢驗(yàn)和抽采達(dá)標(biāo)評(píng)判，該區(qū)域?qū)崪y(cè)最大殘余瓦斯含量為5.787 3 m3/t，最大殘余瓦斯壓力為0.092 MPa?；夭蛇^(guò)程中，當(dāng)工作面推進(jìn)至100 m范圍內(nèi)時(shí)，工作面出現(xiàn)了兩次高值超限。通過(guò)對(duì)兩次高值超限進(jìn)行調(diào)查分析，其可能原因?yàn)椴煽諈^(qū)老頂大面積垮落，將采空區(qū)內(nèi)積聚的瓦斯瞬間壓出，以及前煤體片幫瓦斯涌出、下鄰近煤層和圍巖瓦斯涌出。表明前期的采空區(qū)瓦斯治理技術(shù)仍然存在缺陷。

2.2 瓦斯治理方案設(shè)計(jì)

根據(jù)21606工作面布置方式和工作面瓦斯涌出特點(diǎn)分析表明：隨著工作面的推進(jìn)至補(bǔ)切眼段，由于初采期間補(bǔ)切眼懸頂面積大，且工作面外部邊界為斷層集中區(qū)域，補(bǔ)切眼進(jìn)風(fēng)側(cè)鄰近斷層，該區(qū)段煤層為構(gòu)造煤，采空區(qū)易積聚瓦斯，頂板初次垮落時(shí)極有可能造成采空區(qū)瓦斯大量涌出，再次導(dǎo)致工作面高值超限，從回采工藝、頂板、瓦斯綜合抽采技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)管理四個(gè)方面入手，構(gòu)建工作面初期的瓦斯綜合治理技術(shù)體系，如圖2所示。

圖2 21606工作面瓦斯治理技術(shù)體系

3 瓦斯治理效應(yīng)分析

3.1 工作面吊面回采

為了減少上風(fēng)口段漏入采空區(qū)的風(fēng)量從回風(fēng)隅角側(cè)涌出，從而降低采空區(qū)的瓦斯涌出量，將21606 工作面采取吊采方式，即機(jī)頭超前于機(jī)尾，超前距離大于等于20 m，使得工作面與軌順處于銳角相交狀態(tài)，如圖3所示。

圖3 21606工作面調(diào)面回采前后示意

通過(guò)吊面回采，從而改變采空區(qū)的漏風(fēng)流場(chǎng)。同時(shí)，控制支架后方頂板依次由機(jī)頭向機(jī)尾方向逐步垮落，增大機(jī)尾段支架后方頂板未垮落空間，消除瓦斯積聚問(wèn)題，防止支架后方頂板大面積垮落將瓦斯壓出造成超限。通過(guò)采用示蹤氣體SF6檢測(cè)吊采前后工作面的漏風(fēng)量及流場(chǎng)分布，結(jié)果表明：吊采后工作面的漏風(fēng)量減少54%，漏風(fēng)流場(chǎng)分布主要形態(tài)如圖4 所示，即進(jìn)風(fēng)巷側(cè)流入采空區(qū)的風(fēng)量主要從工作面的中斷流出，部分漏風(fēng)流入進(jìn)風(fēng)側(cè)的采空區(qū)深部。

圖4 21606工作面吊面前后漏風(fēng)路徑示意

3.2 切頂卸壓

為保證21606工作面回采時(shí)采空區(qū)頂板及時(shí)垮落，在21606采空區(qū)、軌順側(cè)進(jìn)行預(yù)裂爆破切頂卸壓，如圖5所示。

圖5 21606工作面切頂卸壓爆破孔平面示意

其施工參數(shù)如下：

采空區(qū)（工作面）：爆破孔間距1.5 m～2 m，孔深12 m，裝藥量：4+4+3+3+2+2=18（5.4 kg），裝藥方式采用聚能管分段正向裝藥，每節(jié)聚能管長(zhǎng)度為1.5 m，單節(jié)炸藥長(zhǎng)度0.3 m，第一段4 節(jié)炸藥聚能管裝藥長(zhǎng)度1.2 m內(nèi)未裝藥段為0.3 m。即第一段藥包與第二段藥包間距為0.3 m，第二段藥包與第三段藥包間距0.3 m，第三段藥包與第四段藥包間距0.6 m，第四段藥包與第五段藥包間距0.6 m，第五段藥包與第六段藥包間距0.9 m。雷管為煤礦許用三段毫秒延期電雷管，每節(jié)聚能管裝一發(fā)雷管，單個(gè)爆破孔內(nèi)共裝入6發(fā)雷管，爆破孔內(nèi)雷管采用串聯(lián)方式連接，起爆時(shí)一次起爆。爆破初期一次起爆一個(gè)爆破孔，后期根據(jù)窺孔結(jié)果調(diào)整裝藥方式，無(wú)異常后每次最多串聯(lián)爆破5 個(gè)孔。爆破孔在工作面向采空區(qū)與頂板成夾角60°，沿工作面走向每組切頂孔間距30 m，若單組爆破后，仍然未能進(jìn)行卸壓，則可減小兩組之間的爆破孔間距，如圖6所示。

軌順側(cè)：爆破孔距非采幫1.3 m，孔深10 m，孔間距0.6 m，垂直頂板施工，裝藥方式、藥包間距、裝藥量、起爆方式等均與采空區(qū)方式一致，如圖6所示。

圖6 21606工作面切頂卸壓爆破孔剖面示意

在21606 工作面回采過(guò)程中，按照上述方案切頂后，與相鄰原16 煤工作面相比，軌順側(cè)頂板來(lái)壓和垮落提前10 m～16 m，采空區(qū)工作面來(lái)壓和垮落提前10m～12m，運(yùn)順側(cè)頂板來(lái)壓和垮落提前5m～9m，不存在較大的懸頂空間。

3.3 瓦斯抽采

3.3.1 雙高位鉆孔瓦斯抽采

考慮到工作面回采的來(lái)壓期間頂板垮落及裂隙帶高度較低，在21606 軌順利用普通鉆機(jī)施工中高位抽采鉆孔，抽采鉆孔控制非采幫煤體及軌順裂隙帶瓦斯，每組鉆孔數(shù)5 個(gè)，共計(jì)10 組，終孔控制傾向范圍50～70 m，各鉆孔終孔平面間距分別為10 m、鉆孔終孔位置距16 煤層頂板范圍7～15 m，如圖7所示。

圖7 21606軌順中高位抽采鉆孔示意

同時(shí)，在21606 補(bǔ)軌順與補(bǔ)切眼合茬點(diǎn)，21606軌順里程600 m處布置高抽硐室，每個(gè)高抽硐室共施工6 個(gè)定向高位抽采鉆孔，鉆孔終孔位置距16煤層頂板范圍10m～20 m，如圖8所示。由普鉆施工的中高位鉆孔和定向鉆機(jī)施工的定向高位鉆孔形成雙高位鉆孔瓦斯抽采。

圖8 21606軌順定向高位鉆孔示意

回采期間，通過(guò)對(duì)雙高位鉆孔抽采參數(shù)測(cè)定統(tǒng)計(jì)，高位抽采鉆孔每組抽采管的抽采流量和濃度總體呈先逐漸增加，然后逐漸降低，最終趨于穩(wěn)定，如圖9～圖12所示。

圖9 第二組中高位組抽采管抽采流量變化

圖12 第二組定向高位組抽采管抽采濃度變化

圖10 第二組中高位組抽采管抽采濃度變化

圖11 第二組定向高位組抽采管抽采流量變化

通過(guò)對(duì)個(gè)別單孔抽采參數(shù)測(cè)定統(tǒng)計(jì)，控制層位較高的鉆孔，回采過(guò)程中隨著采空區(qū)垮落該孔抽采流量、濃度未發(fā)生明顯變化，低層位鉆孔抽采濃度及流量總體為先升高后降低，與抽采管整體趨勢(shì)保持一致。結(jié)果表明：高位鉆孔對(duì)采空區(qū)瓦斯抽采起到明顯的高位攔截作用，有效減少了采空區(qū)瓦斯涌入上隅角，造成風(fēng)排瓦斯量增大。

3.3.2 非采幫卸壓抽采

為降低采空區(qū)頂板垮落后本煤層及鄰近煤層瓦斯涌出，對(duì)21606 補(bǔ)切眼非采幫煤體施工順成鉆孔進(jìn)行卸壓抽采，鉆孔間距3 m，如圖13 所示，鉆孔控制非采幫最小距離44 m、最大61 m，工作面回采前利用高負(fù)壓抽采系統(tǒng)進(jìn)行連抽，工作面回采后改至低負(fù)壓抽采系統(tǒng)進(jìn)行連抽。

圖13 21606補(bǔ)切眼非采幫卸壓抽采鉆孔示意

3.3.3 采空區(qū)埋管抽采

工作面未吊面回采之前，軌順間隔30 m 在DN400 低負(fù)壓抽采管路上安裝1 根 DN300 的“T”型篩孔站管進(jìn)行埋管抽采采空區(qū)瓦斯。吊面回采后，在“T”型篩孔站管篩管外側(cè)用編織袋裝矸石施工一道隔離墻，保護(hù)篩管及封堵抽采空間，如圖14所示。

圖14 21606軌順采空區(qū)埋管抽采示意

3.4 現(xiàn)場(chǎng)管理

3.4.1 抽采系統(tǒng)管理

對(duì)21606 工作面50 m 范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的運(yùn)順、軌順的順層鉆孔，高抽鉆孔、定向高位鉆孔、采空區(qū)埋管低負(fù)壓等抽采系統(tǒng)，21606 底抽巷、21604 底抽巷延伸段施工的穿層鉆孔和卸壓鉆孔進(jìn)行人工測(cè)流分析，形成日測(cè)流分析記錄，并實(shí)行專人專管，同時(shí)，對(duì)于抽采系統(tǒng)容易積水的地點(diǎn)及時(shí)防水。

3.4.2 通風(fēng)系統(tǒng)管理

21606 工作面供風(fēng)量范圍1 700～1 800 m3/min，回采期間，每日由專人對(duì)進(jìn)回風(fēng)量測(cè)定，確保風(fēng)量滿足需求。利用探杖對(duì)采空區(qū)支架后方瓦斯進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢查，調(diào)節(jié)工作面鄰近采空區(qū)的風(fēng)壓，減少相鄰采空區(qū)瓦斯向21606工作面軌順涌出。

3.4.3 上隅角管理

每日專人對(duì)上隅角及支架后方瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)瓦斯變化情況及時(shí)采取和調(diào)整采空區(qū)低負(fù)壓邁步管或站管的抽采濃度。上隅角頂板垮落不及時(shí)或不徹底時(shí)，采取隔離墻和矸石對(duì)切頂線以內(nèi)的空間進(jìn)行阻隔和充填，防止瓦斯積聚，同時(shí)采取人工強(qiáng)制放頂?shù)拇胧?/p>

通過(guò)以上瓦斯綜合治理技術(shù)體系實(shí)施，結(jié)果表明：未調(diào)整措施前，工作面瓦斯?jié)舛葹?.4%～0.6%，日平均推進(jìn)速度0.8 m。綜合技術(shù)體系實(shí)施后，工作面瓦斯?jié)舛冉抵?.1%以下，日平均推進(jìn)速度3.1 m，且隨著工作面的推進(jìn)，未出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象，有效減少了初采期間工作面的瓦斯涌出。

4 結(jié)論

（1）21606工作面初采期采用吊面回采后，不僅減少了工作面的漏風(fēng)量，同時(shí)，改變了采空區(qū)的漏風(fēng)流場(chǎng)，即進(jìn)風(fēng)巷側(cè)流入采空區(qū)的風(fēng)量主要從工作面的中段流出，部分漏風(fēng)流入進(jìn)風(fēng)側(cè)的采空區(qū)深部。

（2）對(duì)工作面和軌順實(shí)施切頂卸壓，保證了工作面回采期間的頂板隨采隨跨，有效杜絕了采空區(qū)頂板大面積垮落現(xiàn)象。

（3）通過(guò)構(gòu)建新的瓦斯綜合抽采技術(shù)，即雙高位瓦斯抽采、非采幫卸壓抽采、上隅角邁步埋管結(jié)合隔離墻抽采，有效改變了瓦斯擴(kuò)散運(yùn)移路徑，采空區(qū)大部分瓦斯被雙高位瓦斯抽走，減少了瓦斯涌出，結(jié)合吊面回采和切頂卸壓，從源頭上解決了工作面瓦斯涌出問(wèn)題，工作面回采速度提高了3.8倍。