双切顶成巷条件下采空区瓦斯综合治理体系研究

刘玉平,年 军,赵 博,吕晓波,邓春生

(1.华晋焦煤有限责任公司 沙曲一号煤矿,山西 吕梁 033300; 2.太原理工大学 安全与应急管理工程学院, 山西 太原 030002; 3.山西焦煤集团有限责任公司 博士后工作站,山西 太原 030021)

目前沿空留巷主要工艺技术有充填法(高水材料巷旁充填、膏体材料巷旁充填、柔模混凝土巷旁充填、矸石混凝土巷旁充填)和切顶成巷等工艺技术[1-2]。切顶沿空留巷开采是近几年兴起并逐渐被推广的无煤柱开采技术,尤其在低瓦斯、薄及中厚煤层条件下的沿空切顶成巷技术已得到大范围推广[3-6]。采动覆岩裂隙是瓦斯运移的通道及积聚空间,研究有关其演化的手段主要包括数值模拟、相似模拟、理论分析、现场测定等[7-11]。对于覆岩采动裂隙动态分布规律的研究,刘天泉院士等提出“橫三区”、“竖三带”的认识;钱鸣高院士等基于关键层理论,提出煤层开采后上覆岩层采动裂隙呈两阶段发展规律并形成“O”形圈分布特征。瓦斯运移积聚规律为瓦斯高效抽采提供了理论支撑。周世宁等认为,在煤层中渗流的瓦斯运移符合达西定律,该理论是将煤层看成多孔介质,且在大尺度范围内煤层可以视为均匀分布的虚拟连续介质,这深刻地影响着我国对煤层内瓦斯流动的研究[12-14]。然而,目前对于厚煤层大采高、煤与瓦斯突出等复杂条件下采空区瓦斯的综合治理体系仍然缺少一定的研究。为此,本文采用理论分析、数值模拟和现场实测相结合的方法对其进行研究,为后期双切顶成巷条件下采空区瓦斯治理提供科学依据。

1 双切顶成巷条件下采空区覆岩破坏与裂隙发育理论分析

4502综采工作面为山西华晋焦煤沙曲一矿五采区3+4号煤层首采工作面(图1),4502工作面胶带巷、轨道巷同时进行切顶卸压成巷(图2),工作面切顶角度设定为15°,切缝斜长为13.5 m。在4502胶带巷进行切顶沿空成巷,作为4503工作面胶带巷;在4502轨道巷进行切顶沿空成巷,作为4501工作面轨道巷。4502工作面回采时,4502轨道巷为主进风巷,4502胶带巷为辅助进风巷。4502工作面轨道巷长1 107 m,胶带巷长1 095 m,切眼长220 m,煤层平均厚度4.2 m。采用倾斜长壁后退式采煤方法,综合机械化一次采全高采煤工艺,全部垮落法控制顶板。

图1 4502工作面布置示意Fig.1 Layout diagram of No.4502 working face

图2 现场切顶示意Fig.2 Schematic diagram of on-site roof cutting

使用Palchik碎胀系数推导综放工作面垮落带最大高度计算模型为:

(1)

根据采动影响下覆岩层的运动和破坏特征,综放开采裂隙带高度相应计算模型为:

(2)

将数据代入公式计算得,沙曲一矿3+4号煤顶板裂隙垮落带最大高度为5.03～17.89 m;顶板裂隙带最大高度33.79～60.00 m。

煤层开采后采场中形成采动空间,破坏了围岩的原始应力平衡及分布状态,受二次应力影响,围岩发生垮落、断裂和变形。采场上覆岩体结构的砌体梁模型将上覆岩层的变形、移动和破坏沿垂直方向分为弯曲带、裂隙带及垮落带,沿煤层走向分为煤柱支撑区、离层区及压实稳定区;根据冒落岩体的破坏特性及堆积状态,又可将冒落带沿采空区走向分为自然堆积区、载荷影响区和重新压实区。贯通的竖向裂隙是瓦斯等气体涌入工作面的通道,也称其为导气裂隙。导气裂隙只在覆岩的一定高度范围内发育,其最大发育高度与采高和岩性有关。在开采初期,下位关键层的破断对导气裂隙自下而上发展的动态过程起控制作用。导气裂隙高度自下而上发展是非匀速的,随关键层的破断而突变。当采空区面积达一定值后,导气裂隙分布呈现“O”形圈特征,它是正常回采期间邻近层卸压气体流向采空区的通道(图3—图5)。

图3 4502工作面双切顶成巷模型Fig.3 Model of double-cut roof and roadway forming in No.4502 working face

图4 应力分布Fig.4 Stress distribution

图5 塑性区域分布Fig.5 Distribution of plastic regions

2 双切顶成巷条件下采空区瓦斯运移分析

普遍将采空区冒落煤岩看作多孔介质。根据双重介质模型理论,在采动区域内影响流体渗透率的主要是采动裂隙,原始孔隙的渗透率要比采动裂隙低好几个数量级。因此,采动裂隙是采空区内风流流动的主要通道。冒落煤岩采动裂隙的渗透率是反映采空区内气体流动难易的参数,原始孔隙的渗透率对于采空区气体流动影响不大。4502工作面采空区数值模拟物理模型参数:胶带巷宽4.5 m、高4.3 m;轨道巷宽4.5 m、高4.3 m;工作面长300 m、宽220 m、高4.5 m;采空区垮落带长300 m、宽220 m、高10 m;裂隙带长300 m、宽220 m、高30 m。

4502工作面采空区瓦斯运移集聚模型如图6所示。

图6 4502工作面采空区瓦斯运移集聚模型Fig.6 Gas migration and accumulation model in goaf of No.4502 working face

3 4502工作面采空区瓦斯综合治理技术

3.1 高位定向长钻孔抽采采空区瓦斯

为控制采空区瓦斯向留巷回风巷道溢出,设计在4502轨道巷距开口平距806、485、189 m处南侧帮3个钻场及4502轨道材料斜巷,在钻场内成组形式沿4502轨道巷倾向布置超高位定向长钻孔,采空区顶板跨落后,超高位钻孔仍在采区后边起到牵制瓦斯向回风巷涌出的作用。采用“开孔扇形、终孔平行方式”布孔,施工采用开孔后先穿层至目标采高层位、后按照目标方位角和煤层倾角顺目标采高层位定向施工至设计孔深的钻进工艺,每个钻场布置3个钻孔,共布置12个高位定向长钻孔,钻孔深度平均279 m,钻孔终孔直径不小于105 mm。每组相邻钻孔开孔间距为1 m,终孔间距5 m。

4502工作面定向超高位钻孔截流抽采30 d,采空区瓦斯浓度分布如图7所示。

图7 定向超高位长钻孔抽采瓦斯浓度分布Fig.7 Distribution of gas concentration in directional ultra-high level long borehole extraction

高瓦斯分布区域范围减小,靠近工作面附近区域瓦斯浓度明显降低,整个采空区范围内高瓦斯分布区域占1/2左右,且上隅角瓦斯分布范围也在减小。采空区中高瓦斯分布区域仅在深部裂隙带处存在,工作面上隅角瓦斯达到安全生产的要求,且加上整个采空区空间处于低瓦斯范围,大大降低了采空区向工作面涌出瓦斯的现象,保证了整个采掘空间的安全生产。

3.2 采空区留巷顶管抽采采空区瓦斯

4502工作面顶管抽采30 d瓦斯浓度分布如图8所示。结果表明,4502工作面顶管抽采效果显著,靠近两侧巷道位置瓦斯浓度衰减明显,但同时也发现,受到钻孔深度的影响,顶管抽采主要解决了靠近开切眼位置瓦斯的积聚问题,对深部中央位置的瓦斯积聚仍然无法解决。由于采动裂隙渗透率较高、瓦斯压力较大,使得瓦斯在多孔介质岩体内部流动比较困难,瓦斯源涌出的瓦斯主要沿着采动裂隙通道运移,采动裂隙对卸压瓦斯运移起到了导向性作用。瓦斯从岩体裂隙散发后,首先在离层裂隙区内部运移,随着离层裂隙区瓦斯浓度逐渐增高,卸压瓦斯优先向瓦斯优势通道处运移,因瓦斯优势通道及顶部瓦斯水平流动通道内裂隙最为密集连通,且渗透率高易于瓦斯流动,瓦斯很快向通道内裂隙网络处富集直至充满整个裂隙网络通道,并涌进工作面。同时可以看到,采空区中部虽然被压实,但存在较多的闭合裂隙,相比于岩石基质瓦斯更容易在裂隙中流动,随着瓦斯浓度的逐渐增大,瓦斯以贯通的采动裂隙为基点,逐渐向多孔介质岩体内部及一些微观贯通裂隙中运移。

图8 4502工作面瓦斯涌出点跟管导流模拟结果Fig.8 Simulation results of gas emission point and pipe diversion in No.4502 working face

3.3 采空区后部切眼钻孔引流抽采瓦斯

采用后部切眼钻孔引流抽采瓦斯30 d效果如图9所示。在采用后部切眼钻孔引流对采空区裂隙带中煤层瓦斯进行抽采后,采空区内瓦斯分布范围发生明显变化。与未抽采时相比,靠近工作面区域瓦斯浓度降低。采用后部切眼钻孔引流在采空区裂隙带内实现瓦斯抽采,随抽采作业的进行,整个采空区区域瓦斯浓度逐渐降低,达到安全生产要求。因此,在裂隙带内采用后部切眼钻孔引流瓦斯抽采技术,治理工作面瓦斯浓度超限问题具有较好的适应性和应用前景,能够为安全生产提供保障,提高生产效率。

图9 4502工作面后部切眼引流抽采效果Fig.9 No.4502 working face rear cut-off drainage and extraction effect

4 4502工作面采空区瓦斯抽采效果考察

综合采用高位定向长钻孔、留巷顶管抽采和后部补巷钻孔引流等方法治理4502工作面采空区瓦斯,取得了良好的结果。总体表现为,工作面上隅角处和回风流中瓦斯浓度随着工作面的推进不断波动变化,但瓦斯浓度整体偏低,瓦斯浓度分别为0.28%、0.23%。当工作面从100 m推进至200 m,回风流中瓦斯浓度超过平均值0.23%,最大值为0.30%,而此时回风流中瓦斯浓度的升高主要是割煤期间本煤层瓦斯涌出及上隅角采空区瓦斯涌出导致。在工作面从70 m推进到90 m、从130 m推进到150 m、从170 m推进到190 m时,工作面与胶带留巷结合处瓦斯浓度最大达到0.43%。顶板裂隙带定向钻孔抽采期间,虽然工作面上隅角处和回风流中的瓦斯浓度最大值分别达到了0.43%、0.30%,但2个位置瓦斯浓度最大值均在安全范围内,表明顶板裂隙带定向钻孔布置层位的合理性,能有效地降低工作面上隅角与回风流中瓦斯浓度,为矿井提供一个安全地采掘作业空间。工作面与留巷交界处瓦斯浓度变化曲线如图10所示。

5 结论

通过对沙曲一矿4502工作面顶板裂隙发育规律进行研究,开展了4502工作面采空区顶板裂隙发育现场测试,确定了采空区瓦斯的运移集聚规律,形成了采空区瓦斯综合治理技术,并对采空区瓦斯抽采效果进行了考察,最终提出了双切顶成巷回采工作面卸压瓦斯抽采技术。

(1)由于基本顶被切断,基本顶及其控制的覆岩充分垮落,采空区垮落带高度明显增加。切顶侧覆岩位移发生明显增大的区域(大的空隙通道)大于未切顶时,数值模拟结果和现场实测以及理论计算的结论吻合度较高。沙曲一矿3+4号煤顶板裂隙垮落带最大高度为5.03～17.89 m;裂隙带最大高度为33.79～60.00 m。

图10 工作面与留巷结合处瓦斯浓度变化曲线Fig.10 Gas concentration variation curves at the junction of the working face and the retained roadway

(2)工作面回采前,双切顶成巷对顶板上覆岩层影响不大;工作面回采过后,在预裂爆破的影响下,与传统开采方法相比,采空区顶板岩层更快垮落、更快充满采空区,在垮落矸石的有效支撑作用下,采空区上覆岩层更快趋于稳定。因此,双切顶成巷条件下,采空区瓦斯涌出量更早趋于稳定状态。综合分析表明,超高位裂隙带、靠近沿空留巷胶带巷处以及靠近采空区后部尾巷处为瓦斯主要积聚区域。

(3)综合利用高位定向长钻孔抽采、留巷顶管抽采和采空区后补切眼钻孔抽采等方式对4502工作面采空区瓦斯进行治理,可以有效解决采空区瓦斯超限问题。