沿采空区不规则回采工作面分区瓦斯治理研究

焦振华，林卫国，黄洪涛，郭克宝，袁秋鹏

(1.安徽理工大学 省部共建深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽 淮南 232001；2.济宁矿业集团有限公司金源煤矿，山东 济宁 272000)

随着我国煤矿开采深度和开采强度的增加，采掘部署趋于复杂化，采空区面积逐年增大，瓦斯涌出量急剧增加，瓦斯防治形势严峻[1-3]。瓦斯灾害种类繁多，除典型的瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、中毒窒息等灾害事故外，还能够与采空区顶板垮落运动、冲击地压和采空区自然发火等其他类型的灾害相互作用，形成更加复杂、严重的复合动力灾害[4]，严重威胁矿井安全高效生产。

围绕煤层瓦斯参数测定、瓦斯涌出量预测、瓦斯抽采与利用、瓦斯监测监控等方面开展了大量有益的研究[5-8]，为有效防治瓦斯灾害提供了理论与技术支撑。针对特厚煤层，近距离煤层群，松软煤层，地质构造区等高瓦斯地质开采条件，进行了瓦斯综合治理技术探索实践[9-11]。金源矿3下煤层煤类为1/3焦煤，具有低硫、低灰、高发热量，是优质的煤炭资源。金源煤矿历年瓦斯等级鉴定结果虽为(低)瓦斯矿井，然而，局部地段受地质构造和采空区影响出现瓦斯涌出异常情况，且同时有冲击地压和煤层自然危险。目前，对于低瓦斯沿采空区回采工作面瓦斯治理研究比较有限。因此，本文以金源矿23下27工作面为工程背景，结合工作面实际生产地质条件、覆岩裂隙分布规律、掘进期间瓦斯涌出规律，对采空区瓦斯富集区进行划分，提出工作面分区瓦斯治理措施，经济、有效的解决瓦斯隐患，以期为类似条件工作面瓦斯治理提供参考借鉴。

1 工作面概况

金源矿位于山东省济宁市微山县境内，矿井采用立井单水平上下山开拓，现生产水平-560m水平。23下27工作面位于其二采区，东临23下21采空区，西邻DF32、F34及F34-2断层，南临1-2钻孔，北邻西翼轨道大巷，23下27工作面布置如图1所示。

图1 23下27工作面布置

23下27工作面受断层影响为不规则工作面，工作面长度约50～78.2m，平均64.1m。煤层底板标高-541～-388m，底板平均标高-464.5m。工作面煤层总体为一单斜构造，呈南高北低，西高东低。工作面煤层赋存条件较稳定，煤层倾角4°～15°，平均9.5°，煤层厚度均厚2.5m，为综采一次采全高工作面。3下煤层直接顶板为灰色细粒砂岩、粉砂岩、泥岩。底板以泥岩、粉砂岩为主，局部为炭质泥岩和细粒砂岩。3下煤冲击倾向性属于II类，为弱冲击倾向性煤层。

经测定3下煤层瓦斯含量为1.90～2.47m3/t，瓦斯压力为0.16～0.23MPa。煤尘有爆炸性危险，爆炸性指数37.49%。煤层自燃倾向等级数Ⅱ类(自燃)，最短自燃发火期为53d。瓦斯相对涌出量为3.17m3/t，绝对涌出量为3.41m3/min，工作面回采期间计划风量为600m3/min。

2 工作面回采期间瓦斯来源分析

23下27回风巷为沿空掘进工作面，与23下21采空区预留煤柱宽度仅为6m，且存在防冲钻孔与采空区沟通。23下21采空区瓦斯平均浓度在10%以上。23下27回风巷掘进期间回风流瓦斯浓度达到0.3%～0.5%，掘进期间局部位置曾发生瓦斯超限现象。

23下27工作面位于23下21采空区西侧，且相对位置较高。23下27工作面俯采、下行通风等条件均不利于瓦斯防治。回采期间存在受采动影响导致23下21采空区与23下27采空区沟通，23下21采空区瓦斯涌入23下27工作面造成工作面瓦斯超限的可能。此外，23下27工作面有冲击地压危险，冲击地压显现可诱发大量高浓度瓦斯瞬间涌入工作面及其他地点，造成瓦斯事故。因此必要对23下27工作面回采期间瓦斯运移规律进行分析，并提出相应瓦斯治理方案，以确保工作面安全回采。

3 工作面瓦斯运移规律分析

3.1 采空区瓦斯富集规律

以往研究表明[12-14]：采动裂隙带是瓦斯流动和储集的主要通道和空间。根据3下煤层地质条件，冒落带和裂隙带高度可分别按下式计算[15]：

式中，∑M为累计采厚，m；Hm为冒落带高度，m；Hl为裂隙带高度，m。

经计算：3下煤层开采后冒落带高度Hm=5.9～10.3m；裂隙带高度Hl=27.3～38.5m。

23下21采空区与23下27工作面之间区段煤柱的塑性区大小按下式计算：

式中，M为煤层的厚度，取平均值2.8m；δ为侧压系数，δ=μ/(1-μ)，泊松比μ=0.18，δ=0.22；c0为煤层界面间的黏结力，一般取1.2MPa；ψ0为煤体的内摩擦角，取20°；pZ为煤帮受到的平均支护阻力，取值范围为0～1MPa，一般近似0.25MPa；K为煤体应力集中系数，平均取1.8；γ为覆岩平均容重，25kN/m3；H为巷道埋深，H=500m。

估算得到研究区域煤柱塑性区ρ≈2.5m，考虑变形和片帮等效应，区段煤柱(煤柱宽度为6m)近似为塑性状态：煤柱破坏和裂隙发育明显，能够形成瓦斯运移与沟通的通道。由此可以得出，23下21采空区与23下27工作面形成瓦斯沟通有：区段窄煤柱发生塑形变形，形成侧向瓦斯沟通通道；顶板结构破坏和侧向老顶断裂，形成顶部瓦斯沟通通道。23下21采空区瓦斯主要富集在裂隙带，受到煤层倾角变化影响，“两带”偏向23下27回风巷一侧，如图2所示。

图2 23下21采空区两带特征与瓦斯富集

3.2 采空区瓦斯富集区划分

23下21采空区底板等高线具有“北低、南高”的基本特征，高差约150m。在23下21切眼和回风巷(近区段煤柱一侧)之间存在“三角”区域。此外，北侧采空区宽度较小，南侧采空区宽度相对较大，两方面共同造成了局部“三角”区域瓦斯转移(由低向高)和富集(浅部尖角区域)。

23下27回风巷掘进至23下21切眼前后170m范围内瓦斯涌出量偏高，掘进至23下21切眼后施工瓦斯监测孔实测采空区瓦斯浓度为42.86%，约为采空区平均瓦斯浓度的4倍，验证了采空区瓦斯富集区的存在。结合掘进期间瓦斯涌出规律，将采空区瓦斯富集程度划分为三个区域，如图3所示。

图3 23下21采空区瓦斯运移富集情况

由图3可知：第Ⅰ阶段为实体煤区(240m)，从23下27工作面切眼到距离23下21采空区60m左右；第Ⅱ阶段为采空区瓦斯富集区(280m)，推采到23下21工作面、23下27工作面两个工作面“见方”的位置；第Ⅲ阶段为采空区瓦斯不富集区(370m)，推采过23下27工作面剩余区域。

不同区域分别采取针对性防治瓦斯措施，对于实体煤区和采空区瓦斯不富集区，主要采用“风排”瓦斯的方式，并铺设一路抽排管路备用，以下着重介绍采空区瓦斯富集区瓦斯治理措施。

4 采空区瓦斯富集区治理

4.1 封堵漏风通道

为控制采空区由于漏风导致大量瓦斯涌出，分别在进、回风隅角设置挡风障。风障长度为10m，与顶底板、煤帮接严实，减少向采空区漏风，同时有利于防止煤层自然发火。

使用LFM轻型喷涂材料喷涂在23下27回风巷靠近采空区一侧巷帮、顶板喷涂。LFM轻型喷涂材料具有快速、高膨胀率，且有一定强度不易破裂等性能。在采空区瓦斯富集区域采取集中喷涂方式，用于防止采空区瓦斯受气流扰动等因素影响导致采空区瓦斯外溢。另外，对煤帮发现防冲钻孔及时封堵。

4.2 回风隅角埋管抽放

采用回风隅角埋管方式，间歇性抽排回风隅角内范围内瓦斯，形成负压区，改变回风隅角的风流场，从而排除回风隅角的积聚瓦斯，同时监测CO浓度，防止采空区自然发火。

具体实施为：沿23下27工作面的回风巷的埋设两趟D200mm防爆瓦斯抽放管，距底板距离约0.5m，两趟管路交替使用。在每趟管路安设三通，三通上方安设1m的立管(花管)，立管离地板不少于1.5m，并打麻花眼，以加大抽放量和扩大流场范围，提高抽放效果。花管顶部用细丝网包裹，防止落煤将吸入口堵塞，周围用木垛保护，防止花管被压裂和堵塞，影响抽放效果，如图4所示。

图4 上隅角埋管抽放瓦斯(mm)

当一趟管路的立管进入切顶线时开启本路抽放，随着工作面继续推进，花管逐步进入采空区深部时停止本管路抽放，如此循环。在实际操作中，以3个循环作为考察对象，统计分析抽排效果与花管离切顶线距离关系，按照实践结果及时调整花管与切顶线的距离，改变抽放步距。工作面推进54m后，对回风隅角及切顶线以内1.5m位置的瓦斯浓度进行统计分析，如图5所示。

图5 瓦斯浓度与抽放花管位置关系

由图5可知：花管离切顶线的距离基本上在3～9m之间时，回风隅角瓦斯浓度低于0.20%，此时切顶线以内1.5m处的瓦斯基本在0.50%以下，随着花管的深入，隅角及切顶线以内的瓦斯逐步上升，从安全角度考虑，应确认花管的有效抽放范围是深入切顶线3～9m比较合适。因此交替抽放布局设置为3～9m。瓦斯抽放泵流量实际测定为31～35m3/min，抽放管内瓦斯浓度平均为1.2%，抽放量平均为0.42m3/min。

4.3 采空区高位钻孔抽放

采用高位钻孔对采空区富集瓦斯进行抽放，在回风巷向煤层顶板施工钻孔，终孔位置设计层位为离煤层顶板15m的位置。设计3个钻孔，其中靠近23下21采空区一侧布置，用以拦截23下21采空区瓦斯向23下27采空区涌出，并同时抽放23下27采空区瓦斯。其中，3号高位孔偏上隅角10m，向工作面方向，设计目的为了扩大隅角区域的抽放范围，该区域瓦斯流场对隅角瓦斯影响较大，高位钻孔布置如图6所示，具体设计参数见表1。

图6 高位钻孔布置方式

表1 高位钻孔参数表

当高位钻孔的终孔的位置距离(平距)工作面煤壁20m时，开始进行抽放，工作面继续推进至离下一个钻场54m时，停止前一个钻场的抽放，进行下一个钻场的抽放，以此类推。抽采钻孔直径75mm，全长下抽采2寸PVC阻燃防静电防爆管，管前端为筛管(1～2m)，前端封好防止堵孔。钻孔聚氨酯封孔大于5m。

5 现场治理效果

23下27工作面未采取分区瓦斯治理措施前，23下27回风巷掘进期间回风流瓦斯浓度约0.5%，局部最大瓦斯浓度达到5.3%，严重影响掘进生产。对采空区瓦斯富集区实施分区瓦斯综合措施后，对23下27工作面推过23下21采空区切眼位置90m的瓦斯数据进行统计，瓦斯浓度变化曲线如图7所示。

图7 瓦斯浓度变化曲线

由图7可知，统计数据反映出回风隅角平均浓度为0.19%，回风巷瓦斯平均浓度为0.11%，工作面回采过程中，瓦斯未出现超限现象，回风巷瓦斯浓度稳定在0.06%～0.12%之间，回风隅角瓦斯浓度稳定在0.14%～0.22%之间，没有出现上升趋势，瓦斯得到有效控制，实现了安全生产，杜绝了瓦斯超限对安全、生产的影响，提高了回采效率。

6 结 论

1)对23下27工作面回采过程瓦斯来源进行了分析，相邻23下21采空区平均浓度在10%以上，俯采、下行通风等条件均不利于瓦斯防治。

2)分析23下27回采过程中采空区瓦斯运移规律，结合掘进期间瓦斯涌出规律，将采空区瓦斯富集程度划分为三个区域，实体煤区，采空区瓦斯富集区，采空区瓦斯不富集区，不同区域分别采取针对性防治瓦斯措施。

3)针对采空区瓦斯富集区，采用喷堵瓦斯涌出通道、上隅角抽放、采空区高位钻孔抽放瓦斯措施后，工作面回采期间，回风巷瓦斯浓度稳定在0.06%～0.12%之间，回风隅角瓦斯浓度稳定在0.14%～0.22%之间，瓦斯未出现超限现象，经济、有效的解决了瓦斯隐患。