刘建纯

(陕西陕煤黄陵矿业有限公司，陕西 延安 727307)

0 引言

陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿一直采用严格的安全措施以确保工作面的正常有序开采，其805工作面采用综合机械方式开采，产能较高，推进速度较快，综采工作面上隅角瓦斯局部积聚的现象时有发生。根据对工作面上隅角瓦斯来源的分析可知，其来源主要有两巷煤壁、工作面煤壁、采空区[1-2]。其中，两巷煤壁存在时间较长，瓦斯涌出量较少且稳定，工作面煤壁暴露时间短，并根据自然通风方向判断瓦斯难以积聚，因此对上隅角积聚的干扰较小。而采空区瓦斯在工作面漏风的作用下主要从工作面上隅角处涌出，同时采空区垮落后顶板随周期来压的周期性破碎，会对采空区近上隅角侧的瓦斯通路产生影响。因此，将以上隅角瓦斯积聚-采空区瓦斯运移-顶板周期来压的思路进行进一步论述，找出其内在联系，并提出治理对策。

1 工程概况

1.1 工程背景

805工作面采用智能综合机械化长壁后退式采煤法，一次采全高，全部垮落法处理采空区顶板。开采煤层属于Ⅱ类自然发火煤层，最短自然发火期为52 d。工作面通风方式为U型通风，进风顺槽长度1 923 m，回风顺槽长度1 986 m，切眼长度235 m。工作面煤层厚度不均匀，平均3.5 m，工作面支架最大支撑高度为3.5 m，采高为3.3 m，工作面循环进度为800 mm，回采时留底煤，不留顶煤。工作面原煤瓦斯含量为3.2～4.67 m3/t，平均3.9 m3/t，经本煤层钻孔预抽后，预计煤层平均残余瓦斯含量为0.19 m3/t。

1.2 上覆岩瓦斯运移特性

“三带”划分：采场上覆岩层在受到采动影响后，其在垂直方向可形成垮落带(冒落带)、断裂带(导水裂隙带)以及弯曲下沉带。水平方向可形成自然堆积区、载荷影响区、压实稳定区，如图1所示。

图1 工作面上覆岩特性图

运移特性：根据钱鸣高院士提出的“关键层”理论[3-4]，结合瓦斯自身的运移特性可知，其采空区内自然堆积区与断裂带交织的区域为采场内瓦斯积聚的区域。一般煤矿在治理采空区瓦斯时，往往是抽放这一区域内的瓦斯，从而达到治理采空区瓦斯的效果[5-8]。但在实际生产中，由于受到工作面移架放顶后冒落岩石垮落的充分程度，以及关键层的断裂程度等影响，会导致高位抽采效果不理想，或上隅角瓦斯积聚严重等问题。同时观察图1可知，在工作面移架放顶后，其采空区近工作面侧会形成一个类似半灯笼形的自由空间，当工作面周期来压不明显，并且上覆岩层岩性较硬时，采空区内游离的瓦斯会在其关键层下有一定程度的积聚，并通过自然风压的作用，涌出至工作面。同时由于关键层的裂隙发育不充分的缘故，即使采用了高位钻孔裂隙抽采措施，这部分瓦斯也难以从抽采钻孔处引排。因此，将结合805工作面的现场数据进行进一步论述。

2 805工作面数据分析

2.1 高位裂隙抽放的钻孔布置

施工参数：805工作面采用高位裂隙抽放为主，上隅角埋管抽放为辅的抽采方式治理采空区瓦斯，同时控制上隅角瓦斯浓度处于一个安全的范围内，其高位裂隙抽放的钻孔布置见表1。

表1 805工作面高位钻孔施工参数

钻孔终孔垂直距离调整：在805工作面实际回采过程中，上下隅角采空区经常悬顶较大，顶板不易垮落，采取放顶措施后随着工作面推进，采空区顶板冒落高度较大，原设计高位裂隙钻孔已不符合实际情况，因此对高位裂隙钻孔进行不断调整，调整后的最终高位裂隙钻孔终孔垂直距离保持在39～55 m之间。

2.2 瓦斯抽采量

数据统计：另统计一个月内的瓦斯相关数据，其中抽采混量为高位钻孔与上隅角埋管的总抽采流量，如图2所示。

图2 瓦斯相关数据图

数据分析：由图2可以看出，抽采混量在245～536 m3/min之间，抽采纯量大多位于30～40 m3/min之间，以及上隅角瓦斯浓度基本在0.4%～0.6%之间。由此可分析，抽采混量与抽采纯量之间并没有直接的线性关系。以及通过查阅805的生产数据并统计分析发现，其瓦斯抽采率(抽采瓦斯量与总排放瓦斯量之比)保持在80%以上。根据相关研究[9-12]，其瓦斯抽采率在80%以上时，上隅角瓦斯浓度可以得到有效的控制，这也与805工作面的实际数据高度一致。同时，根据现场实际调研，在上隅角附近近工作面支架侧未采用封堵措施位置处，其瓦斯浓度最高测得0.83%，因此，工作面安全生产仍一定程度受到采空区瓦斯涌出的影响。

2.3 周期来压的影响

数据记录：同时根据现场跟班检查和矿压观察，805工作面老顶周期来压步距为20～30 m，周期来压不明显，并绘制工作面支架工作阻力变化如图3所示。

图3 805综采工作面工作阻力历史数据分析曲线图

原因分析：分析其原因主要为805工作面采高为2.8 m，其直接顶的平均厚度为10.5～13.1 m，接顶冒落碎涨后已完全充填采空区，老顶的弯曲下沉及破断程度较小，这使老顶来压显现的不够明显，对采面的安全生产影响较小。同时老顶来压后，高位钻场瓦斯浓度开始上升：1#高位钻场瓦斯浓度上升较为明显，其中6#钻孔瓦斯浓度峰值为15%；2#高位钻场瓦斯浓度上升明显，其中3#钻孔瓦斯浓度峰值为27%，这与工作面老顶来压基本保持一致，且稍微滞后老顶来压，说明老顶来压后顶板裂隙已逐渐形成，并逐渐发育成为采空区游离瓦斯的抽采通道。但同时结合对瓦斯数据的分析可知，由于工作面周期来压显现不明显的缘故，其优点在于对工作面顶板支护造成的干扰较小，但同样导致发生了工作面采空区移架放顶后初垮不充分，裂隙带发育不够理想的情况。同时，在805工作面的实际生产中，工作面采空区初垮时悬顶现象时有发生，因此，游离的瓦斯一部分在工作面后采空区直接顶下的少量积聚，并通过自然通风路径，对上隅角瓦斯浓度产生一定的影响。

3 新型膨胀预裂放顶技术

3.1 技术介绍

技术原理：针对上述情况，可采用一种新型膨胀预裂放顶技术，通过对工作面采空区初垮时上覆岩进行膨胀预裂放顶，增大裂隙发育程度，从而使采空区近工作面侧游离的瓦斯在自然上浮作用下进入裂隙带，在增大高位钻孔抽采效果的同时，降低其对上隅角瓦斯积聚造成的干扰。

具体工艺：爆破预裂工艺是将特定规格的炸药装在两个设定方向有聚能效应的聚能装置中，炸药起爆后，炮孔围岩在非设定方向上均匀受压，在设定方向上集中受拉，依靠岩石抗压怕拉的特性，使岩石按设定方向拉裂成型，从而实现被爆破体按设定方向张拉断裂成型。该爆破技术是在对比研究多种聚能爆破和定向爆破方法的基础上发展起来的一种新型聚能爆破技术，施工工艺简单，应用时只需要在预裂线上施工炮孔，采用双向聚能装置装药，并使聚能方向对应于岩体预裂方向。爆轰产物将在两个设定方向上形成聚能流，并产生集中张拉应力，使预裂炮孔沿聚能方向贯穿，形成预裂面。可以达到实现预裂的同时又可以保护巷道顶板，使坚硬难冒顶板成为可冒落顶板。尽可能使冒落的岩石基本充满采空区，形成岩石垫层，从而减弱顶板垮落时的冲击强度，大大减少气体的积存空间，防止因顶板垮落而造成的瓦斯瞬间涌出以及大面积顶板垮落时的形成冲击地压的可能性，达到随采随落。

3.2 应用效果

本技术在黄陵矿业一号井621工作面，1004工作面已进行过两次试验，均取得过显著的效果，即有效降低了工作面初次来压步距，防止了工作面大面积冒顶的可能性，提高了高位钻场钻孔内的抽采浓度。同样说明了采用新型膨胀预裂放顶技术也可有效地增大工作面移架初垮后的采空区裂隙发育程度，从而使得游离并聚集在顶板附近的瓦斯，向裂隙带涌去，从而达到降低上隅角瓦斯浓度的目的。

4 结论

(1)通过对上覆岩特性以及805工作面数据的分析可得，由于805工作面周期来压不明显，其工作面移架放顶后，采空区悬顶现象时有发生，采空区初垮后裂隙发育不充分，导致一部分的瓦斯在工作面漏风的作用下从上隅角处涌出，从而导致该工作面上隅角瓦斯积聚的现象时有发生。

(2)同时发现，当顶板周期来压时，高位钻孔的抽采浓度会升高，上隅角瓦斯浓度也会相应的降低。因此，工作面周期来压对此类型煤矿的上隅角瓦斯治理工作起着积极的作用。

(3)提出采用一种新型的膨胀预裂放顶技术，并经过现场实践表明，该技术在有效保护工作面顶板的同时，增大了采空区初垮后的垮落程度，释放了聚集在采空区近工作面侧顶板的瓦斯向裂隙带涌去，从而达到降低上隅角瓦斯浓度的效果。