特厚煤层坚硬顶板综放工作面瓦斯动态治理研究

黄旭超

(中煤科工集团 重庆研究院有限公司，重庆 400037)

煤炭在我国一次性能源结构中处于主要位置，是重要的基础能源[1]。随着煤矿综合机械化放顶煤开采强度及开采深度的增大，瓦斯涌出量不断增加，煤与瓦斯突出危险性增高，瓦斯已成为制约矿井安全生产和高产高效的主要因素[2，3]，特别是特厚煤层坚硬顶板回采工作面存在煤炭采出率低、顶板垮落不及时等问题，极易引起上隅角瓦斯超限。

为了研究特厚煤层瓦斯涌出异常的原因，姜福兴、李化敏等通过现场监测数据与实验研究了采空区瓦斯运移规律，发现采空区瓦斯在周期来压期间顶板垮落挤压作用下向工作面运移[4-8]。尹光志、许江等通过监测现场应力和理论分析，数值模拟煤体变形后瓦斯运移规律，研究了在采动作用下工作面前方煤体瓦斯运移规律，研究表明在采动作用影响下，瓦斯渗流通道产生改变引起工作面瓦斯涌出变化[9-14]。在众多学者研究特厚煤层工作面瓦斯涌出规律时大多根据矿压、煤体变形等方式间接反映瓦斯运移规律，无法真实反映整个回采工作面的瓦斯赋存情况，不能准确预测回采期间的瓦斯涌出情况。本文以特厚煤层坚硬顶板回采工作面的瓦斯治理为目的，对回采区域煤体开展瓦斯含量精准测定，绘制瓦斯含量等值线图，掌握整个回采区域瓦斯赋存情况，并结合工作面瓦斯涌出构成对工作面瓦斯涌出量进行精准预测，根据预测结果适时调整瓦斯治理措施，实现采煤工作面瓦斯动态治理。

1 工程概况

小甘沟煤矿11144综采放顶煤工作面煤层倾角12°，平均煤厚9m，采高2.8m，采放比2.2，切眼长度100m，推进长度824m。工作面煤层顶、底板岩石主要为细砂岩、粉砂岩、泥岩及少量的泥质粉砂岩、炭质泥岩。由于地层缓倾，岩层中节理不发育，从岩性特征和节理发育状况评价，工作面煤层的顶底板属稳固性偏弱类型。

在11144工作面回采期间，顶板垮落不及时，采空区遗煤较多，且采空区存在空腔，极易形成采空区瓦斯聚集区，随着工作面推进，空腔内瓦斯进一步聚集并运移至工作面，工作面瓦斯量涌出量逐渐增大，引起了回采过程中上隅角瓦斯超限。

2 工作面瓦斯动态治理研究

为了实现工作面瓦斯动态治理，需要精确掌握工作面瓦斯赋存情况，并准确预测工作面瓦斯涌出量，在此基础上，适时调整工作面瓦斯治理措施，比如高位钻孔布孔数量、层位、深度等参数，埋管抽采的负压、埋管深度等。

2.1 工作面瓦斯含量分布精准测定

通过小间距大量取样测定工作面瓦斯含量、绘制工作面瓦斯含量等值线图，实现工作面瓦斯含量精准测定。11144工作面的瓦斯含量测定以20～25m为间隔进行小间距取样，精准掌握工作面沿走向方向的瓦斯赋存情况，实现工作面瓦斯含量精准测定。工作面共计取样39个，其中回风巷21个，共分为3组，每组7个钻孔，间距为20m，取样深度为32～50m；运输巷取样18个，共分为3组，每组6个钻孔，间距为25m，取样深度为35～50m。测定瓦斯含量最大为3.30m3/t，平均为2.33m3/t，最小为1.82m3/t。瓦斯含量分布等值线如图1所示。

图1 回采区域瓦斯含量分布等值线(m3/t)

2.2 工作面瓦斯涌出构成

根据11144工作面推进期间的瓦斯涌出情况及瓦斯浓度分布规律分析，工作面的瓦斯涌出构成见表1。由表1知，回采期间采空区瓦斯涌出为工作面瓦斯涌出的主要来源，占68.7%。

表1 工作面瓦斯涌出构成

2.3 工作面瓦斯涌出量精准预测

根据11144工作面瓦斯含量精准测定结果和工作面瓦斯涌出量构成观测分析结果[15]，按照《矿井瓦斯涌出量预测方法》沿走向进行工作面瓦斯涌出量精准预测，预测结果如图2所示。从图2可知，在设计日产量2756t时，工作面瓦斯涌出量最大值为9.59m3/min，平均为6.52m3/min，最小值为5.16m3/min。

图2 工作面瓦斯涌出量预测

2.4 工作面瓦斯治理

根据瓦斯参数精准测定结果，风排无法解决瓦斯超限问题，且工作面瓦斯主要来自采空区，因此重点解决采空区瓦斯涌出。采取“顶板走向高位钻孔抽采+采空区埋管抽采”联合工艺。

2.4.1 走向高位钻孔布孔参数

1)工作面覆岩“三带”分布。工作面回采期间，随顶板冒落，采空区中部被逐渐压实，而围绕中部的环形带透气性较好，且为采空区瓦斯聚集区。经计算，11144工作面的冒落带高度为12.28～16.88m；裂隙带高度为44.40～55.60m。

2)高位钻孔设计。在回风巷上方沿走向煤层顶板布置钻场向采空区施工走向高位钻孔，抽采环形带内瓦斯，切断上邻近层瓦斯涌向工作面的通道并引流采空区下部瓦斯，减少采空区瓦斯向工作面涌入。每个钻场的典型设计为钻孔10个，间距6m，呈扇形布置，分上下两排布置，每排5个，钻孔长度100m，孔径94mm，封孔长度8m，控制工作面斜长约35m。沿回风巷走向每隔80m施工一条垂直回风巷的上山至煤层顶板做出钻场(长5m宽4m高3m)。钻孔数量、深度、终孔层位等会适时调整。

2.4.2 采空区瓦斯分布

采用数值模拟软件模拟采空区瓦斯浓度分布场，如图3所示。靠近回风侧Y方向20m范围、X方向5m范围内瓦斯浓度在1%～3%之间，上隅角瓦斯存在超限风险，需要采用回风侧采空区埋管抽采瓦斯。回风侧采空区内17m位置处氧气浓度为18%，为氧化带和散热带分界点，回风侧采空区内23m位置处瓦斯浓度达到30%，因此，采空区埋管的深度在17～23m较为合适。

图3 采空区瓦斯浓度分布

3 现场应用

3.1 1#高位钻场布置及抽采效果

1#高位钻场在2018年6月开始施工，在2018年8月开始抽采，最大抽采浓度为3.57%，平均为2.64%。1#钻场的5#、10#高位钻孔瓦斯浓度较低，一直在5%以下，平距分别为33m、33.5m，高度分别为28.4m、41.3m。另外1#～5#孔抽采浓度普遍比6#～10#孔抽采浓度高，其中1#～5#孔高度布置在9.7～21m之间。

通过对回采期间回风流、上隅角瓦斯浓度分析，1#高位钻场的抽采效果如图4、图5所示。从图4、5可知，当工作面推进至249m，采空区布置埋管，回风巷最大瓦斯浓度从0.88%降至0.73%，上隅角最大瓦斯浓度从1.4%降至1.1%，最大瓦斯浓度及平均瓦斯浓度比之前有明显降低。当工作面推进至345m，开始布置高位钻场，回风巷最大瓦斯浓度降至0.68%；上隅角最大瓦斯浓度降至0.86%。

图4 工作面回风流瓦斯浓度

图5 工作面上隅角瓦斯浓度

经过高位钻孔和埋管抽采，上隅角和回风巷瓦斯浓度大幅降低；对于1#高位钻场钻孔布置高度在9.7～21m、平距10～20m，抽采效果较好。

3.2 2#高位钻场布置及抽采效果

根据瓦斯含量分布和瓦斯涌出量预测结果，对2#钻场高位钻孔布置进行相应调整以实现瓦斯动态治理，钻孔高度在7.5～23m，平距17～28m之间。

在2#钻场抽采期间最大抽采浓度为3.84%，平均在2.9%。经过对2#钻场布置参数进行优化，抽采浓度较1#钻场有了较大提高，3#、5#、6#、7#单孔浓度最大值均超过10%。

通过对11144工作面回采期间回风流、上隅角瓦斯浓度分析，2#高位钻场的抽采效果如图6所示。从图6可知，通过对2#高位钻孔参数优化，工作面回风巷和上隅角的瓦斯浓度又进一步降低，上隅角瓦斯最大浓度不超过1%，平均在0.2%～0.3%之间；回风瓦斯最大浓度不超过0.8%，大部分在0.3%左右。

图6 工作面瓦斯涌出浓度曲线

3.3 工作面瓦斯涌出量对比分析

为了考察11144工作面回采前测定的参数与回采过程实际瓦斯涌出的关系，对测定的瓦斯参数与工作面回采期间实际统计的参数进行分析，如图7所示。

图7 工作面回采实测参数与采前预测参数对比分析

从图7可知，工作面回采期间实际瓦斯涌出量与回采前瓦斯涌出量预测值基本一致，说明在采前对整个工作面进行的瓦斯参数测定值及瓦斯涌出量预测值是基本准确的。

4 结 论

1)通过小间距大量取样测定工作面瓦斯含量，绘制工作面瓦斯含量等值线图实现工作面瓦斯含量精准测定。根据瓦斯含量精准测定结果和工作面瓦斯涌出量观测结果对工作面瓦斯涌出量进行精准预测，根据预测结果适时调整高位钻孔、采空区埋管抽采参数，可以实现工作面瓦斯动态治理。

2)在开展瓦斯含量精准测定和工作面瓦斯涌出量精准预测情况下，实施工作面瓦斯动态治理后，工作面回风巷和上隅角最大瓦斯浓度分别从0.88%、1.4%下降至0.3%左右，瓦斯治理效果明显。工作面回采期间实际瓦斯涌出量与回采前瓦斯涌出量预测值基本一致，瓦斯涌出量预测值是基本准确的。