受冲击动力影响工作面瓦斯治理技术体系研究

薛伟超 李艳增 许幸福

(1.煤科集团沈阳研究院有限公司瓦斯安全研究分院，辽宁省抚顺市， 113122； 2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁省抚顺市，113122)

瓦斯事故一直是制约煤矿安全生产的重大问题。随着开采深度的增加，许多煤矿出现了冲击动力现象。实践和研究表明，冲击动力现象能够使工作面瓦斯异常分布，并能够诱导煤与瓦斯突出等瓦斯事故，造成严重的灾害。袁亮、黄炳香等提出用水、CO2等做介质进行流压致裂等水力化措施，实现增透煤层和驱赶瓦斯来治理工作面瓦斯集中；陈殿赋、王栓林从钻孔布置角度提出了工作面瓦斯治理的具体方法，但对工作面瓦斯异常涌出的问题没有涉及；程远平等从煤与瓦斯突出事故防治角度强调了体系的重要性，但在具体技术方面没有提及。目前工作面瓦斯防治策略多是单纯的针对瓦斯治理，少有考虑冲击动力的影响，而且没有完备的技术体系。

本文基于顶板岩层对煤体的冲击动力影响分析了冲击动力诱发工作面瓦斯异常的原理，从技术角度提出了冲击动力影响工作面“六位一体”瓦斯防治的技术体系并在现场进行了应用，有效降低了工作面瓦斯含量，防止了工作面瓦斯大量异常涌出，保障了工作面安全生产。

1 冲击动力诱发工作面瓦斯异常原理

冲击动力发生前，工作面周围的煤岩体处于一个极限平衡状态。在开采扰动作用下，冲击动力发生，释放大量弹性能，形成冲击波，冲击波以冲击源为中心向周围传播。

本文以顶板岩层冲击动力影响为例进行分析。当冲击源在工作面前方时，冲击波使直接顶及工作面前方煤体形成剪切破断，形成剪切滑移面，顶板支撑点向深部转移，使得工作面煤壁前方的应力集中向深部转移，卸压区范围增大；远处煤岩体变形、破坏，产生大量的裂隙，形成大范围瓦斯运移的通道，且极大地提高了煤岩体的渗透率；煤岩体破坏使得煤的温度升高。工作面前方煤岩体裂隙场、应力场、温度场的这一变化使得大量吸附态瓦斯向游离态瓦斯转化，瓦斯释放量骤然增多。在瓦斯孔隙压力(梯度)和瓦斯浓度(梯度)的综合作用下，煤体内瓦斯的解吸、扩散和渗流同时进行，短时间内大量涌入工作面，造成工作面瓦斯异常。

当冲击源在工作面后方时，受冲击波影响，采空区顶板处于铰接状态的砌体结构急剧回转、下沉，顶板岩块与采空区遗煤及矸石发生完全非弹性碰撞，造成采空区瓦斯贮存空间骤然减小，并形成压风效应，大量采空区残存瓦斯涌向工作面，造成工作面瓦斯异常涌出。实践表明，冲击动力可使工作面瓦斯涌出量增大1.22～4.74倍，甚至引起上隅角瓦斯超限。

2 冲击动力影响工作面瓦斯治理技术体系

根据冲击动力诱发工作面瓦斯异常涌出的原理，工作面瓦斯治理必须结合冲击动力防治技术，加以安全管理形成体系，综合治理，才能有效防治工作面瓦斯事故的发生。构建了受冲击动力影响的工作面以地质探测为基础，预测预报为前提，解危减震为手段，抽采瓦斯为根本，效果检验为关键，安全防护为保障的“六位一体”瓦斯治理技术，如图1所示。

(1)地质构造探测。冲击动力灾害往往容易在地质构造附近发生，冲击动力影响工作面的瓦斯防治工作必须坚持地质保障先行的原则。积极开展多样化物探、精细三维地震勘探、地质测量预警等地面地质构造探测工作，避免开采扰动触动地质构造形成强冲击源。

图1 “六位一体”工作面瓦斯治理技术体系

(2)冲击预测。冲击预测是防治冲击动力灾害的前提，主要包括时间、地点和规模等。

区域冲击危险性预测。区域冲击的危险性预测综合考虑开采深度、顶板结构特点、地质构造、附近已采工作面煤柱及回采边界、采空区及开采区域等因素，将回采区域划分出一般冲击危险区、中度冲击危险区、高度冲击危险区。

局部冲击危险性预测。局部冲击危险性预测主要是以钻屑法为代表的接触式预测方法，以微震预测法、声发射监测法、电磁辐射法等地球物理方法为代表的非接触式预测方法和监测数据拟合预测法。

在实际工作面回采过程中，还必须结合回采期间的瓦斯涌出情况和巷道围岩变形移动情况、顶板运动规律、矿压观测数据及煤炮等动力现象情况进行冲击危险性预测预报。

(3)防冲技术。防止冲击动力危害的发生必须采取措施解除局部应力集中，消除冲击能量源。按照措施范围可以分为区域减震技术和局部减震技术。

区域减震技术。区域减震是大范围的、战略性的减震来消除应力集中，主要有合理的开拓布置与开采方式、开采解放层、预处理厚层坚硬顶(底)板、煤体大面积长时间高压注水等。

局部减震技术。钻孔爆破卸压可以在煤岩体内部产生大量的裂隙，减少集聚的弹性能，是解除局部冲击地压危险十分有效的技术。

(4)瓦斯抽采技术。工作面瓦斯灾害的致灾物质是瓦斯，如何有效抽采煤层和采空区瓦斯是治理工作面瓦斯异常的根本。瓦斯抽采方法应根据煤层赋存条件、瓦斯来源、巷道布置、时间配合、瓦斯基础参数、瓦斯利用要求等因素，通过经济和技术手段确定。

(5)效果检验技术。在冲击危险区域开采时必须坚持“先解危后开采”的原则，采取措施后必须进行效果检测，确认危险解除后方可进行采掘作业，这是保障技术体系有效的关键。

(6)安全防护技术。安全防护措施是“六位一体”综合防冲与瓦斯治理的最后一道屏障，是矿工生命安全的最后保障，主要有加强工作面支护、加强工作面瓦斯监控、加强工作面作业人员的培训教育、加强矿工个体防护等。

3 实例分析

3.1 煤矿概况

山东唐口煤矿位于山东省济宁市，2016年重新核定生产能力为4.2 Mt/a，立井开拓，中央并列抽出式通风。所采3#(3上)煤层主要为气煤，煤层普氏硬度系数为2～3，平均厚度4.26 m。唐口煤矿5304工作面走向长1565 m，倾向长230 m，煤层底板标高-926.0～-885.4 m，地面标高+35.5～+39.5 m，综合机械化一次采全高走向长壁后退式采煤法开采，顶板自然垮落。 5304工作面煤层及顶底板情况见表1。

表1 煤层及顶底板情况表

经测定，煤层原煤瓦斯含量为0.73～2.58 m3/t；最大主应力为水平应力，应力值为36.48～38.62 MPa。再加上开采扰动大，具备发生冲击诱发煤层瓦斯异常涌出的条件。经观测，冲击动力现象发生的前后时间段内，局部采场或巷道瓦斯涌出量异常变大的情况时有发生。

3.2 工作面冲击危险性预测

经探测可知，5304工作面有明显的地质构造，且地应力很高，3上煤层具有强冲击性，顶、底板具有弱冲击倾向性，工作面具有强冲击危险。5304工作面通过钻屑法测试钻屑量等指标来反映煤岩体结构中应力集中程度，判断工作面局部区域冲击地压危险性。钻屑法冲击地压预测钻孔布置如图2所示。 冲击地压危险性煤粉量临界指标见表2。

图2 钻屑法冲击地压预测钻孔布置图

钻进深度/m煤粉量/kg·m-1体积/L·m-1133.5233.5333.544.55.554.55.564.55.574.55.584.55.594.55.510911

3.3 工作面冲击地压防治

5304工作面回采过程中受构造、煤柱或采动影响，局部区域会出现冲击地压危险性。根据钻屑法预测的结果，当工作面出现冲击地压危险时，采用钻孔爆破进行卸压，如图3所示。

3.4 工作面瓦斯治理

5304工作面29.03%的瓦斯来自采空区，且3上煤层瓦斯含量低且透气性不好，抽采本煤层瓦斯很难取得较好的效果。结合工程实际，确定5304工作面采用高位钻孔抽采采空区瓦斯，高位钻孔抽采瓦斯钻孔布置如图4所示。

图3 爆破卸压钻孔布置示意图

图4 高位钻孔抽采瓦斯钻孔布置图

3.5 工作面冲击及瓦斯防治效果及检验

以钻屑法为主，结合微震监测法及常规矿压观测等方法进行效果检测，如果检测指标超过临界值，则继续采用防冲措施和瓦斯治理措施直至指标值回到安全区间。

(1)5304工作面回采期间，没有高能微震事件发生。

(2)高位钻孔抽采瓦斯纯量达3940 m3/d，现场回风隅角瓦斯浓度保持在0.35%～0.58%，回风流瓦斯浓度稳定在0.10%～0.26%之间，将工作面瓦斯浓度控制在较低的安全区间内。

3.6 工作面安全防护措施

(1)采用“帮—顶一体化非对称支护”和高强高预应力让压锚索支护技术对工作面巷道实施全断面支护，有效防止锚索受冲击载荷作用发生破断。

(2)在工作面的进风巷设置甲烷传感器，防止冲击、震动等造成进风巷瓦斯超限，从而引起瓦斯事故。

(3)冲击危险区域作业人员必须熟悉冲击地压发生的征兆、应急措施和避灾路线；作业人员穿戴抗震背心和抗震帽等个人安全防护用品等。

4 结论

(1)基于顶板岩层对煤体冲击动力影响，分析了冲击动力影响工作面瓦斯异常的基本原理：冲击动力短时间释放大量的能量造成工作面周围煤岩体结构和应力的原有动态平衡被打破，裂隙场、应力场、温度场改变而短时间内释放大量瓦斯，在瓦斯浓度梯度、瓦斯孔隙压力梯度双重作用下突然涌向工作面造成工作面瓦斯异常大量涌出。

(2)从技术角度提出了以地质探测为基础，预测预报为前提，解危减震为手段，抽采瓦斯为根本，效果检验为关键，安全防护为保障的“六位一体”受冲击动力影响工作面瓦斯治理技术。

(3)工作面回采期间，没有高能微震事件发生，工作面没有瓦斯异常涌出发生，回风隅角瓦斯浓度始终保持在0.35%～0.58%，回风流瓦斯浓度稳定在0.10%～0.26%，保证了5304工作面安全生产。