回采工作面瓦斯防治技术研究

2021-08-06黄晶晶单文选

煤炭与化工 2021年6期

肖健，黄晶晶，单文选

（华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊065201）

0 引言

随着煤炭企业井下采掘作业的不断进行，我国煤矿开采煤层的埋藏深度呈现逐年增大的趋势。大多数煤层的瓦斯含量及瓦斯压力与煤层埋藏深度之间存在一定的相关性，同一煤层埋藏深度越大瓦斯含量、瓦斯压力总体上也在不断增大，随之而来就是采掘活动危险性增加。

回采工作面瓦斯治理是煤矿企业瓦斯治理工程中必不可少的一部分，此前诸多学者对其进行研究。周锦萱[1]以采煤工作面瓦斯绝对涌出量增大为研究对象，设计使用顺层孔预抽瓦斯、专用瓦斯排放尾巷等措施。胡文浩[2]通过分析工作面瓦斯来源，设计“偏W型通风+迎面斜交钻孔抽放”方案。吕斌[3]建议采用采前预抽、高位钻孔抽采等等大而全的瓦斯治理措施。李艳奎等[4]按照瓦斯来源将瓦斯抽采方法分为四类，利用数据软件分析将回采面瓦斯治理分为4个级别。袁湘涛等[4]通过研究岩溶瓦斯来源及规律，最终形成“四位一体”防治技术。陈功华[5]应用穿层和顺层相结合的方式抽采本煤层瓦斯，高位施工瓦斯抽采钻孔和采空区埋抽采管的方式进行瓦斯治理。孟凡林[6]针对特厚煤层综放开采的致裂增透、采前预抽、上隅角插管抽采等多种方式并举的瓦斯治理方法。范尚崇[7]提出顶板低位斜向钻抽采钻孔孔和高抽巷抽采钻孔彼此结合的卸压煤层瓦斯治理技术方案。郭四龙[8]提出顶板高位抽放、本煤层增透加强预抽等多种抽采方式相结合的抽放方法。张志晶[9]研究回采时存在的瓦斯问题，提出“一段一策”针对性治理方案。以上研究成果能在某些特殊条件下取得良好的效果，但不免存在治理成本高昂，甚至过度治理的情况。本文以平煤股份六矿戊9-10-22120工作面为研究对象，研究识别瓦斯危险性和针对性瓦斯治理，最大程度上减少瓦斯治理成本。

图1 戊9-10-22120工作面布置示意Fig.1 Layout of No.戊9-10-22120 working face

根据地勘钻孔探测和已掘进的巷道情况，工作面煤层厚度为2.3～2.9 m，平均煤厚为2.7 m，最大煤厚达到6 m。煤层赋存具体表现为，里、外段煤厚基本稳定，中段煤层受构造影响，表现较为复杂，煤层厚度变化大。该工作面煤层倾角基本稳定，大致在7～13°，平均为10°左右，与上部已开采结束的保护层戊8煤层平均有12 m的间距。

2 瓦斯基本情况

2.1 保护层开采可靠性

《防治煤与瓦斯突出细则》[10]指出开采保护层在煤矿企业瓦斯治理中应当优先选用。该矿开采的各煤层中，丁5-6由沈阳煤科院鉴定为突出煤层；戊9-10煤层-650 m等高线以深由河南理工大学鉴定为突出煤层；戊8煤层在目前的开采范围内为非突出煤层。

戊9-10-22120采面上部的戊8-22100工作面、戊8-22120工作面开采厚度均为2.0 m。戊8煤层为非突出煤层，戊9-10煤层为突出煤层，可将戊8煤层作为戊9-10煤层的组内上保护层。

（1）上保护层有效垂距分析。

上保护层保护垂距小于50 m即为保护有效，戊8与戊9-10煤层之间的煤层间距在12 m左右，最大间距未超过50 m，因此戊9-10-22120采面处于戊8-22100工作面、戊8-22120工作面的有效保护垂距范围之内。

（2）沿倾斜方向保护范围分析。

倾向卸压角δ1、δ2与煤层参数关系如图2所示。由于该矿井无实测的卸压角，卸压角参考《保护层开采技术规范》中所给的参考数据，见表1。

图2 倾向保护范围示意Fig.2 Tilt protection range

表1 沿倾斜方向的卸压角取值Table 1 Values of pressure relief angle along the inclined direction

戊9-10-22100采面煤层倾角平均10°，δ1、δ2均为75°。

根据图2所示的三角形关系得：

通过计算得到戊9-10-22100工作面机、风巷与上保护层戊8煤层对应位置垂直内错3.22 m。

（3）沿走向方向的保护范围。

若卸压时间充分，保护层走向边界可按δ3=56～60°划定，如图3所示。

图3 保护层工作面始采线、采止线和煤柱的影响范围Fig.3 Influence range of starting line,stopping line and coal pillar in working face of protective layer

戊8-22100工作面、戊8-22120工作面采完时间距戊9-10-22100工作面开采时间超过3个月，近距离保护层卸压充分，卸压角取安全保守值56°。根据理论计算和实际开采情况相结合，戊9-10-22100工作面仅西北角的一个小范围和受上部工作面预留煤柱影响的一部分不在保护范围内。

2.2 瓦斯涌出量预测

（1）掘进期间涌出量预测。

根据分源预测方法，掘进工作面瓦斯涌出量预测用绝对瓦斯涌出量表达，采用式（1）计算掘进工作面巷道煤壁绝对瓦斯涌出量，采用式（2）计算掘进工作面落煤绝对瓦斯涌出量，采用式（3）计算掘进工作面绝对瓦斯涌出量[11]。

式中：q1为掘进工作面巷道煤壁绝对瓦斯涌出量，m3/min；q2为掘进工作面落煤绝对瓦斯涌出量，m3/min；q掘为掘进工作面绝对瓦斯涌出量m3/min；D为巷道断面内暴露煤壁面的周边长度，m（取2倍开采层厚度，最大煤厚4.0 m）；v为巷道平均掘进速度，m/min；q0为煤壁瓦斯涌出强度，m3/（m2·min）；L为巷道长度，m；S为掘进巷道断面积，m2；γ为煤的密度，t/m3；W0为煤层原始瓦斯含量，m3/t；；WC为运出矿井后煤的残存瓦斯含量，m3/t。

经计算得到q1=2.43 m3/min，q2=0.07 m3/min，q1+q2=q掘=2.50 m3/min。根据现有数据预测得到戊9-10-22120工作面巷道掘进期间瓦斯涌出量为2.50 m3/min，实际掘进过程中测试数据最大值为1.78 m3/min。

（2）回采期间涌出量预测。

回采期间相对瓦斯涌出量采用式（4）计算。

式中：q采为开采层相对瓦斯涌出量，m3/t；K1为围岩瓦斯涌出系数，取1.1～1.3；K2为工作面丢煤瓦斯涌出系数，取1.05（回采率95%）；K3为采区内准备巷道预排瓦斯对开采层瓦斯涌出影响系数，K3=（L-2h）/L，取0.86；L为工作面长度180 m；h为巷道预排等值宽度12.4 m；m为开采层煤层厚度，2.7 m；M为工作面采高，2.7 m；Wo为煤层原始瓦斯含量，4.44 m3/t；Wc为煤层残存瓦斯含量，2.10 m3/t

经计算得到：q采=2.33 m3/t

戊9-10-22120采面回采时相对瓦斯涌出量为2.33 m3/t，该采面最大日产量3 000 t，其绝对瓦斯涌出量为：

工作面回采期间在日常3 000 t的前提下，绝对瓦斯涌出量预测值为4.85 m3/min。

2.3 地质构造情况

根据上下部采空区及戊9-10-22100工作面机、风巷掘进统计，落差8.5、4.5、6.0 m这3条对戊9-10-22120采面有影响较大，其它落差大于1m且影响较小的断层有11条，共计14条。戊9-10-22100工作面地质资料统计中并未发现褶皱，初步确定戊9-10-22120无褶皱影响。

3 瓦斯危险性识别

3.1 瓦斯参数验证

工作面回采过程中，使用复合指标法进行不间断验证，每间隔10 m布置1个孔长为10 m、孔径为42 mm验证孔，布置示意如图4所示。钻孔开孔位置附近若存在软分层，应当将钻孔布置在软分层。使用风煤钻带动麻花钻杆，钻进速度控制在1 m·min-1，每钻进1 m用WY-1型瓦斯涌出初速度测定仪测定瓦斯涌出初速度q值，并搜集钻进过程中钻孔所排出的所有煤粉，用弹簧秤测定S值。钻孔瓦斯涌出初速度和钻屑量均取一个测试循环中的最大值进行验证。

图4 验证孔布置Fig.4 Arrangement of verification holes

如果测得的指标都在突出危险临界值以上或超前钻孔等发现突出预兆时，该区域验证为突出危险区。验证孔数据未显现突出危险时，允许进尺48 m。

3.2 断层探测

为保障回采过程安全高效需进行回采面断层情况精确探测，以回采面中心点为基点布置3个探构造孔，钻孔间距和钻孔深度分别为50 m、30 m，如图5所示。断层探测过程中，为充分提高钻孔利用效率，在钻孔深度10、20、30 m时分别取1个煤样进行瓦斯含量测试，用以掌握前方瓦斯情况。

图5 探构造孔布置示意Fig.5 Arrangement of prospecting holes

4 瓦斯治理措施

4.1 瓦斯排放

回采工作面出现验证数据超标时，停止采掘作业。在工作面每隔1.5 m施工1个φ89 mm的瓦斯排放钻孔，孔深为25 m，保留20 m超前距，工作面上下各留3架，钻孔间距1.5 m，呈三花眼布置，如图6所示。排放时间以最后一个钻孔结束不低于2 h为准。

图6 措施孔及校检孔布置示意Fig.6 Arrangement of measuring hole and checking hole

在施工措施孔期间制定专项措施，内容包括防火、防尘、防机械损伤、防冒顶片帮等，并在实施中严格执行。效检过程中任一点任一参数超标时均为措施无效，效检不超标且无其他异常情况时，工作面允许进尺4.8 m。当效检超标时，必须采取重新施工排放钻孔措施或延长钻孔瓦斯释放时间的措施后重新效检，直至不超标为止。

4.2 过断层技术措施

近距离上保护层开采后对该工作面有卸压和瓦斯释放作用，相关的断层等地质构造也相对清晰，发生危险的可能性较小。当探构造孔发现前方有断层时，工作面回采应在距离断层7 m时停止回采，立即施工钻孔对断层处进行煤层瓦斯含量、钻屑量、钻孔涌出初速度3个参数的测定。若发现有任何一个参数超过规定的突出危险临界值时，进行措施布孔密度施工瓦斯排放钻孔。最后一个钻孔结束不低于2 h，再次测量煤层瓦斯含量、钻屑量、钻孔涌出初速度，直至所有参数均低于规定的突出危险临界值，否则进行“措施-校验”的循环。