山寨煤礦巷道底鼓裂隙瓦斯溢出危害及防治

路廣安

（華亭煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司山寨煤礦，甘肅 平?jīng)?744112）

瓦斯突出等災(zāi)害事故占中國(guó)煤礦安全事故70%左右，是高瓦斯突出礦井安全生產(chǎn)的重大隱患。當(dāng)?shù)V井水或外界水進(jìn)入煤層會(huì)使瓦斯等有害氣體溢出[1-3]，煤層內(nèi)有害氣體會(huì)被封閉在鄰近巖石或煤的孔隙或裂隙中，減少瓦斯等氣體和煤炭自燃。其他氣體的排放對(duì)提高采礦作業(yè)的安全性具有重要意義，當(dāng)煤炭開采過程中排放的氣體超過規(guī)定允許濃度時(shí)，對(duì)煤礦安全開采造成重要影響，必須切斷工作面內(nèi)采煤機(jī)、輸送機(jī)等所有電氣設(shè)備和電源。瓦斯等有害氣體溢出導(dǎo)致整個(gè)開采過程突然停止，擾亂了煤層開采的連續(xù)性和有效性[4-5]。

目前瓦斯等有害氣體溢出研究主要集中在煤礦開采瓦斯涌出異常機(jī)理及防治方面，對(duì)巷道底板底鼓后瓦斯異常涌出引起的瓦斯轉(zhuǎn)移防治技術(shù)研究較少。本文以山寨煤礦25031 工作面切眼為研究對(duì)象，研究底鼓裂縫瓦斯異常涌出機(jī)理及防治措施。

1 工作面簡(jiǎn)介

山寨煤礦25031 綜放工作面位于井田二采區(qū)，礦井煤層分布為東厚西薄，自北向南逐漸變厚。25031 開切眼施工坡度達(dá)到27°，目前該礦使用的EBZ200 型綜掘機(jī)和EBZ160 型綜掘機(jī)施工坡度范圍為±16°，無法滿足開切眼綜合機(jī)械化施工的技術(shù)要求。同時(shí)，巷道掘進(jìn)期間易受水害影響。25031工作面開切眼煤層厚度在6.97～17.12 m之間，屬特厚煤層，煤層含夾矸，層理、節(jié)理發(fā)育，煤層硬度較低，穩(wěn)定性差。巷道采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。

開切眼所采煤層為5 煤，屬長(zhǎng)焰煤，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傾向在SW86°～89°之間，傾角在20°～24°之間。煤層厚度在3.5～5.1 m 之間，平均厚度為4.3 m。含夾矸0～3 層，其厚度在0～0.07 m左右，巖性以泥巖、碳質(zhì)泥巖為主。5 煤抗壓強(qiáng)度在2.68～19.28 MPa 之間，平均為10.77 MPa，抗拉強(qiáng)度在0.26～1.53 MPa 之間，平均為0.62 MPa。煤層硬度f為2～3，煤質(zhì)疏松，易垮落。經(jīng)過地質(zhì)勘探及取樣結(jié)果分析，5 煤瓦斯為12.60～18.00 m3/t，平均含量15.3 m3/t，原始瓦斯壓力1.21 MPa，區(qū)域內(nèi)存在瓦斯突變現(xiàn)象，賦存不均勻，有噴孔動(dòng)力情況。

2 底鼓異常瓦斯泄漏機(jī)理

含瓦斯工作面開采過程中，當(dāng)水侵入煤巖體時(shí)，在水的作用下將瓦斯等有害氣體的空間堵塞，被封閉在煤巖中的氣體溢出[6-7]。如圖1 所示，巷道底鼓嚴(yán)重，水進(jìn)入底板或裂隙水泄出時(shí)，會(huì)有大量密封氣體向上運(yùn)移，涌向采空區(qū)和工作面。非正常水侵入裂隙造成瓦斯涌出容易引起瓦斯運(yùn)移，同時(shí)水軟化了底板巖層，使煤巖底板裂隙增加，造成了瓦斯等有害氣體的溢出，對(duì)礦山安全造成嚴(yán)重威脅。

圖1 有毒有害氣體封存

25031 工作面切眼因巷道底鼓裂縫導(dǎo)致底板裂縫瓦斯涌出異常，如圖2 所示。由于底鼓裂隙存在，瓦斯壓力減小，瓦斯含量減小，裂隙位置不同，瓦斯賦存濃度及含量不同。經(jīng)監(jiān)測(cè)，瓦斯含量平均值在8.16 m3/t，原始?jí)毫χ禐?.96 MPa。底板裂縫水封閉的大量瓦斯被解吸，通過底板裂縫釋放到工作面，導(dǎo)致瓦斯涌出量在短時(shí)間內(nèi)大幅增加。

圖2 巷道底鼓后氣體排放

3 底鼓瓦斯治理措施

為控制巷道底鼓裂隙瓦斯異常涌出，采用了巷道底鼓治理、封閉技術(shù)和Y 型均壓通風(fēng)技術(shù)。

1）巷道底鼓治理

目前處理底鼓的方法主要有加固法、解除法和組合法。加固方法主要適用于底板圍巖性質(zhì)較差的底鼓巷道，該方法又分為底板灌漿、底板錨固和混凝土反底拱?？紤]到巷道的重要性和使用壽命，采用底板混凝土反底拱+錨桿聯(lián)合支護(hù)方案。如圖3，采用Φ25 mm × 2400 mm、間距為1000 mm高強(qiáng)注漿錨桿支護(hù)巷道底板，注漿壓力不小于2.3 MPa。注漿材料選用PO42.5 鋁硅酸鹽水泥單體漿體，水灰比為1:2.5。采用強(qiáng)度等級(jí)為C40 的混凝土回填巷道底板，對(duì)巷道底板進(jìn)行混凝土澆筑。對(duì)巷道底板進(jìn)行噴層，噴層厚度為20 mm，保持底板的平整度和完整性，并保護(hù)好錨桿注漿口，防止堵塞。

圖3 巷道底鼓治理方法

2）封閉層+抽采

異常瓦斯涌出初期，瓦斯迅速在采空區(qū)內(nèi)聚集，很快從巷道底鼓處向巷道泄漏，瓦斯量大，通風(fēng)難以驅(qū)散。因此，為了防止瓦斯向巷道釋放，減少瓦斯對(duì)煤礦開采的影響，在巷道內(nèi)采空區(qū)側(cè)設(shè)置了封閉層來限制瓦斯溢出。封閉層采用C30 混凝土澆灌密閉墻體，水灰比0.40，采用42.5 的硅酸鹽水泥作為膠結(jié)物，石子清洗干凈，不含其他雜質(zhì)，按設(shè)計(jì)配比充分拌勻。密閉澆灌完畢后，再對(duì)墻體及四周5 m 范圍內(nèi)進(jìn)行全斷面噴漿封閉，確保密封嚴(yán)實(shí)?；炷烈獢嚢杈鶆?，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)配比下料并使用風(fēng)動(dòng)震動(dòng)棒震實(shí)。施工后養(yǎng)護(hù)28 d。增設(shè)了臨時(shí)瓦斯抽采系統(tǒng)以抽采瓦斯，降低密閉區(qū)域瓦斯?jié)舛?。?dāng)瓦斯?jié)舛冉档偷桨踩綍r(shí)，重新開啟密封，通風(fēng)系統(tǒng)重新工作。在切眼處密封風(fēng)管處連接局部通風(fēng)機(jī)，將密封之間巷道中積聚的瓦斯全部由局部通風(fēng)機(jī)排出。對(duì)工作面的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，使煤礦所有需要空氣的場(chǎng)所都有安全充足的空氣流通。在確認(rèn)各點(diǎn)瓦斯?jié)舛鹊陀谠试S濃度（1%）后，采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)完全恢復(fù)。試驗(yàn)鉆孔直徑94 mm，在平行于抽采鉆孔的左、右端間距2 m 位置施工測(cè)定鉆孔，采用聚氨酯封孔。臨時(shí)抽采系統(tǒng)工作5 d 后瓦斯抽采流量逐漸增加至3.3×104m3/d。抽采瓦斯后，巷道回風(fēng)瓦斯?jié)舛确謩e降至0.4%、0.6%和0.4%。

3）Y 型均壓通風(fēng)

開采初期，采用U 型通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)和瓦斯治理。由于瓦斯釋放水平和瓦斯?jié)舛鹊囊?guī)定，將通風(fēng)系統(tǒng)改為Y 型通風(fēng)。采用新型臨時(shí)抽采系統(tǒng)和Y型通風(fēng)，成功地消除了巷道通過裂隙溢出的瓦斯。通過改變礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的壓力分布來控制煤礦風(fēng)量，可控制瓦斯涌出異常引起的瓦斯聚集。采用Y型通風(fēng)，通風(fēng)配風(fēng)量為1800 m3/min。在開采初期，由于頂板破碎帶可能無法延伸到巷道區(qū)域，需要從巷道鉆一些鉆孔進(jìn)入頂板垮落帶，以獲得有效的瓦斯抽放。瓦斯有效抽放巷道的最佳位置為保護(hù)煤層頂板25 m 左右。巷道末端共設(shè)計(jì)9 個(gè)直徑94 mm的鉆孔。密封材料包括壓電管、注射管、回流管、水泥、聚氨酯泡沫。采用水泥漿和膨脹劑封堵井眼。為了完全封堵井眼，在水泥漿中加入一定量的膨脹劑，在水泥漿凝固收縮后，用膨脹劑來填充井眼空間。

4 應(yīng)用效果

為控制巷道底鼓裂隙瓦斯異常涌出，采用了巷道底鼓治理、封閉技術(shù)、Y 型均壓通風(fēng)和瓦斯抽采技術(shù)進(jìn)行耦合治理。通過對(duì)巷道和工作面中氣體濃度變化的分析表明，巷道底鼓耦合治理工作面的氧氣對(duì)比圖如圖4，耦合治理的氧氣濃度比單一治理措施稍高，說明了單一治理方案中有害氣體溢出，采空區(qū)煤發(fā)生了氧化反應(yīng)等。在這種反應(yīng)過程中，巷道中氧氣的濃度降低，與氧化、自發(fā)加熱和自燃過程相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體比例增加，這可以通過一氧化碳、二氧化碳的濃度來證實(shí)。在煤的開采過程中，一氧化碳是導(dǎo)致煤自燃的氧化和自發(fā)加熱反應(yīng)的基本指示氣體。自燃過程使空氣中二氧化碳濃度增加，氧氣濃度降低。

圖4 氧氣濃度變化

采用耦合治理后瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.1%以下，工作面未發(fā)生瓦斯超限事故，如圖5 所示，底板裂隙瓦斯異常釋放得到較好控制，瓦斯速率明顯較小。

圖5 瓦斯速率變化對(duì)比

5 結(jié)論

1）為控制巷道底鼓裂隙瓦斯異常涌出，采用了巷道底鼓治理、封閉技術(shù)、Y 型均壓通風(fēng)技術(shù)和瓦斯抽采進(jìn)行治理，成功解決了底鼓因裂隙造成的瓦斯災(zāi)害。2）在控制瓦斯轉(zhuǎn)移災(zāi)害的過程中，采用密封技術(shù)和Y 型通風(fēng)技術(shù)，對(duì)巷道內(nèi)的裂隙瓦斯進(jìn)行了可控排放。3）耦合治理的氧氣濃度比單一治理措施稍高，說明了單一治理方案中有害氣體溢出，采空區(qū)煤發(fā)生了氧化反應(yīng)。