沿空留巷下综放工作面采空区瓦斯运移及抽采特征研究

郭艳飞，李学臣，郝 殿

(焦作煤业(集团)有限责任公司 科学技术研究所，河南 焦作 454002)

近年来，矿井煤与瓦斯突出事故逐步减少，但瓦斯积聚、瓦斯超限等问题仍然未得到有效解决，随着综合机械化开采、放顶煤开采等高强度开采工艺的逐步推广，即使高突矿井实现了采前的抽采达标，但回采工作面瓦斯涌出仍然会在一定程度上制约产能的提高和效率的提升[1，2]。在采空区漏风等多重因素共同作用下，工作面上隅角附近采空区顶板裂隙中往往聚集大量的高浓度瓦斯，并极易涌入工作面造成上隅角瓦斯超限，迫使工作面停产，甚至可能酿成瓦斯爆炸等安全事故[3-5]。

焦作矿区作为严重的煤与瓦斯突出矿区之一，近年来形成了以底板岩巷穿层钻孔预抽煤层瓦斯的区域瓦斯治理技术模式，瓦斯综合治理工作取得了较为显著的进步[6]，使得综采放顶煤开采工艺得以推广应用。工作面高位抽采也在矿区各矿井不断实践，采空区瓦斯治理逐步由回风巷常规高位孔(短孔)技术转变为顶板高位巷、定向高位孔抽采[7，8]。古汉山矿1604工作面是焦煤公司历史上第一个真正意义的突出煤层综合机械化放顶煤开采工作面，为了提高煤炭资源回收率、缓解工作面采掘衔接问题，工作面采用了无煤柱沿空留巷技术和“Y”型通风方式，采空区瓦斯运移、高位抽采规律较以往均发生了一定变化[9-12]。基于此，开展沿空留巷模式下综放工作面采空区瓦斯运移规律研究，分析高位巷瓦斯抽采特征及影响因素，指导矿井采取针对性措施，对加强采空区瓦斯治理有着重要意义。

1 试验区概况

古汉山矿1604工作面位于16采区西翼，北部为16021工作面(已回采)，南部为1606工作面(未回采)，西部为界碑断层保护煤柱，东部为16西翼回风下山保护煤柱。工作面走向长度978～1010m，平均倾向长度152m，煤层赋存整体稳定，平均厚度5.5m，平均倾角14°。工作面最大原煤瓦斯含量为28.04m3/t，瓦斯压力1.11MPa，采取施工穿层钻孔结合水力冲孔强化抽采治理，实现穿层钻孔对回采区域的全掩护，累计抽出瓦斯量为3927.2万m3，实测煤层残余瓦斯含量最大值为5.84m3/t，计算残余瓦斯压力0.27MPa。工作面采取走向长壁综采放顶煤工艺回采，利用顶板高位巷进行采空区瓦斯治理。

1604工作面煤层直接顶为砂质泥岩，厚度4.7m、老顶为细粒砂岩，厚度7.6m；工作面煤层直接底为炭质泥岩，厚度0.46m；老底为泥岩，厚度3.3m。结合煤系地层综合柱状图，工作面顶板覆岩属中硬类型。按照综放开采工作面“两带”高度预计公式[13]计算垮落带高度为20.50～29.92m，裂隙带高度为54.70～77.68m(按照平均采煤厚度为5.5m计算)。结合相邻工作面高位钻孔抽采情况，1604工作面高位抽采巷布置于裂隙带下部，距煤层顶板垂直距离约24m，与1604回风巷平距约18m，设计长度876.3m，采用锚网喷支护，半圆拱形断面，巷宽B=4.2m，巷高H=3.6m，断面面积S=13.71m2。

2 采空区瓦斯运移特征

2.1 工作面漏风规律

1604工作面正常推进至1606工作面切眼(已掘进成巷)位置后，采用切顶卸压沿空留巷技术保留运输巷，作为1606工作面回风巷。运输巷新鲜风流在工作面切眼下部分流，一部分通过工作面切眼及回风巷回至16辅助回风巷，另一部分通过1606切眼、通风立眼及1606底抽巷回至16总回风巷。由于采空区并非密闭、实体空间，受采动影响存在大量孔、裂隙[14]，为风流流动提供了良好的通道，采空区与采煤工作面、进风巷和回风巷部分或全部相邻，不可避免地存在漏风[9，15]。特别是沿空留巷工艺的应用，使得采空区全部暴露在留巷巷道侧，形成一种完全开放状态[16-20]。在运输巷沿空留巷初期，对工作面进、回风路线进行风量测定，考察工作面漏风规律。工作面风流方向及风量测定结果如图1所示。

图1 工作面风流方向及风量测定结果(m3/min)

由图1可见，两条线路回风量以及高位巷抽采量三者相加结果，与工作面进风量基本平衡，表明此次测定结果较为准确。沿空留巷段分风量约占进风量的1/3，且沿程风量逐渐降低，至1606切眼通风立眼，累计减少风量约100m3/min。而工作面切眼风量自下而上波动较大，整体呈“W”分布。在切眼下部，风流自工作面漏入采空区，并在切眼中部恢复至初始分风量；在切眼上部高位巷附近再次下降，并在上隅角位置附近有所增大，但整体漏风量约150m3/min。对比工作面切眼及留巷段风量变化，分析认为风流自切眼分风后，在留巷段沿巷道上帮漏入采空区，并由切眼中上部自采空区涌入工作面；高位巷大流量抽采形成了第三条回风线路，在一定程度上改变了采空区风流流动方向；工作面上隅角附近仍为采空区风流涌出主要位置。

2.2 采空区瓦斯运移特征

为进一步验证工作面漏风规律，考察采空区瓦斯涌出特征，工作面检修期间，分别在运输巷沿空留巷外段巷道上帮及工作面切眼下部煤壁释放SF6示踪气体，并在气体释放30min后，沿工作面切眼自下而上测定风流瓦斯浓度及SF6浓度等级。SF6示踪气体释放点和检测点分布如图2所示，并根据测定结果绘制分布云图，如图3所示。

图2 SF6示踪气体释放点和检测点分布

图3 切眼风流瓦斯浓度及SF6浓度等级分布云图

由图3可见，在沿空留巷外段释放SF6气体后，在工作面切眼不同位置风流中，均不同程度检测到SF6气体，即沿空留巷段风流漏风自工作面不同位置处均有涌出，但在15架、65架及85架以上位置涌出量相对较大。在切眼下部煤壁释放SF6气体，在切眼风流的带动下逐步扩散，沿倾向，自下而上测定浓度等级呈现降低趋势，但在回风巷端口位置附近快速升高；沿走向，整体呈现靠近煤壁侧浓度等级高于采空区侧，且工作面下部采空区侧高于工作面上部，特别是55架及85架以上位置，测定浓度等级较低。对比两次测定结果，切眼风流在工作面下部呈现向采空区涌出，在工作面上部则由采空区向工作面涌出，留巷段漏风风流则通过采空区主要由工作面上部涌出。

与之相对应的，工作面切眼风流瓦斯浓度分布如下：在倾向自下而上逐渐增大的同时，在走向上自采空区至工作面煤壁呈现逐渐变小趋势，即工作面风流瓦斯除去煤壁自然解吸释放外，还包含采空区涌出较高浓度瓦斯，且该部分瓦斯为工作面瓦斯涌出主要来源，特别是上隅角附近瓦斯浓度相对较高。分别测定检修及生产期间巷道不同位置处风流风量及瓦斯浓度计算瓦斯涌出量。检修期间工作面涌出量为0.54m3/min、采空区瓦斯涌出量为1.65m3/min；生产期间工作面涌出量为1.45m3/min、采空区瓦斯涌出量为1.85m3/min(架后放煤增大采空区瓦斯涌出)。采空区瓦斯涌出分别占工作面检修、生产期间总瓦斯涌出量的75%、56%，在漏风风流作用下，采空区瓦斯涌出为工作面瓦斯涌出主要来源。特别是沿空留巷段漏风风流加大了采空区瓦斯涌出量及涌出范围，进一步增大了采空区瓦斯治理难度[10]。

3 高位巷抽采特征及影响因素

3.1 高位巷整体抽采特征

自2019年4月至2020年8月1604工作面回采期间，累计产量154.91万t，平均月产量9.11万t，最高月产量12.68万t。工作面回风巷监测监控浓度(T2)日平均值0.01%～0.41%，平均0.26%，计算风排瓦斯量0.11～4.32m3/min，平均2.75m3/min。高位巷累计抽采瓦斯256.27万m3，抽采浓度2.49%～27.18%，平均10.08%；抽采负压1～36.24kPa，平均8.24kPa；抽采流量3.11～72.20m3/min，平均38.53m3/min；抽采纯量0.18～6.40m3/min，平均3.63m3/min，占工作面总瓦斯涌出量的57.07%。较高的高位抽采纯量在一定程度上减少了采空区瓦斯积聚，削弱了工作面漏风瓦斯涌出，避免了上隅角瓦斯积聚和异常涌出现象，使得矿井实现了突出煤层消突后一次性全煤层安全开采。但高位巷在整个抽采期内整体呈现大流量、低浓度抽采状态，绘制高位巷抽采瓦斯浓度正态分布曲线，如图4所示。

图4 高位巷日平均抽采浓度分布

由图4可见，在1604回采期间(共488d)，高位巷瓦斯抽采浓度主要集中在5.75%～14.04%之间(抽采浓度区间出现频次大于10次的范围)，共计出现频次为371次，占比达76.02%；高位巷抽采浓度大于10%(直接用于发电的瓦斯抽采利用浓度下限)频次为205次，占比达42.01%。1604高位巷抽采管路直接并入矿井中央风井，同其他工作面穿层钻孔高浓度瓦斯混合后进行发电，基本实现了采空区瓦斯抽采完全利用，为矿井贡献了较为可观的瓦斯抽采发电量。但其主要浓度分布区间处于瓦斯爆炸极限范围内，尽管回采期间未发生异常，但高位巷抽采所存在的安全隐患及弊端显现较为突出。

3.2 高位抽采影响因素分析

高位巷布置于采空区裂隙带下部，与顶板裂隙发育集中区导通，通过抽采负压和瓦斯流场共同作用，将采空区瓦斯源源不断地导流至抽采管网的同时，也为采空区漏风提供了流动通道。工作面漏风一方面增加了工作面瓦斯涌出，对回采造成一定影响，另一方面在一定程度上稀释了采空区瓦斯，降低高位抽采浓度。高位巷抽采流量、浓度、纯量随时间变化曲线如图5所示。由图5可见，除回采末期(2018年7月份以后)因矿井采取控制措施降低抽采流量导致抽采浓度、纯量均呈现下降趋势外，其余时间段内，高位巷抽采流量与浓度基本呈现负相关变化，即随着流量的增加，抽采瓦斯浓度呈下降趋势，但抽采纯量基本维持在相对稳定水平。

图5 高位巷抽采参数随时间变化曲线

2019年12月—2020年3月期间，工作面顶板裂隙水与高位巷导通造成抽采断面阻塞，导致抽采阻力增大、流量大幅下降，平均为23.99m3/min，而抽采瓦斯浓度最大达到27.18%，平均15.73%。相较于其他时间段抽采流量平均为45.07m3/min，对应抽采瓦斯浓度平均8.73%，即在抽采流量下降约46.77%的情况下，抽采浓度提高了约1.8倍。1604工作面高位巷抽采流量与浓度、纯量相对关系如图6所示。

图6 高位巷抽采流量与浓度、纯量相对关系

由图6可见，随着高位巷抽采流量增大，抽采浓度持续下降，抽采纯量却提高有限。当抽采流量在20～25m3/min时，抽采浓度整体较高，平均达到16.76%。因此，采取高位巷进行工作面采空区治理过程中，应合理控制抽采流量，实现抽采效率和效果最大化。同时，矿井应积极采取喷浆等措施有效减少沿空留巷段漏风，在提高高位抽采效果的同时，有效降低采空区瓦斯涌出。

5 结 论

1)采取风量测定法及示踪气体法相结合的手段，分析了古汉山矿1604工作面采空区瓦斯运移规律。工作面采取“Y”型通风方式后，运输巷沿空留巷段漏风加剧了采空区瓦斯向工作面涌出，采空区瓦斯涌出分别占工作面检修、生产期间总瓦斯涌出量的75%、56%，进一步增大了治理难度。

2)高位巷布置在裂隙带下部，在一定程度上改变了采空区风流流动方向、削弱了采空区瓦斯涌出强度，但整体呈现大流量、低浓度抽采状态，且随着高位巷抽采流量增大，抽采浓度持续下降，抽采纯量却提高有限，当抽采流量在20～25m3/min时，抽采浓度整体较高。

3)矿井采取高位巷进行工作面采空区治理过程中，应合理控制抽采流量，实现抽采效率和效果最大化。同时，矿井应积极采取喷浆等措施有效减少沿空留巷段漏风，在提高高位抽采效果的同时，有效降低采空区瓦斯涌出。