布尔台矿回采工作面瓦斯涌出主控因素及治理措施*

2019-06-05李学杰潘吉成

中国安全生产科学技术 2019年5期

高亮，李学杰，潘吉成

(神东煤炭集团布尔台煤矿，内蒙古鄂尔多斯 017000)

0 引言

随着浅部煤炭资源的逐渐减少甚至枯竭，地下开采的深度越来越大，面临的问题也越来越严峻[1]。煤矿开采正经历着一个由浅到深、由简单到复杂和开采技术水平显著提高的过程。随着开采深度增加，煤层瓦斯压力、瓦斯含量、地应力加大，原来的低瓦斯、高瓦斯矿井有升级的可能。神东中心矿区多数矿井瓦斯涌出的共同特点是煤层原始瓦斯含量相对较低，但矿井开采强度大、产量高，导致矿井绝对瓦斯涌出量很大。例如，布尔台、寸草塔、寸草塔二矿均为低瓦斯矿井，布尔台矿绝对瓦斯涌出量达35.51 m3/min，寸草塔矿绝对瓦斯涌出量达23.99 m3/min，寸草塔二矿绝对瓦斯涌出量达14 m3/min。这3个矿均表现为相对瓦斯涌出量较低，绝对瓦斯涌出量较高且不均衡，随着开采深度增加，绝对瓦斯涌出量有增大趋势，因此这3个矿的采煤工作面严格按高瓦斯矿井进行管理。低瓦斯矿井一般采用通风方式解决工作面瓦斯问题[2]。但是采煤工作面回风隅角瓦斯易积聚、顶板垮落易造成瓦斯浓度瞬间增高，仍然是这3个矿井瓦斯灾害的主要危险源。

国内外学者关于煤矿瓦斯异常涌出做了部分研究，杨宏民等[3]提出低瓦斯煤层高强度开采矿井瓦斯涌出特征及分源治理措施；梁盛开等[4]对土城矿煤层瓦斯赋存规律及瓦斯涌出特征进行的分析，提出了该矿建设高产高效矿井瓦斯治理途径；陈杰等[5]研究过低瓦斯矿井瓦斯涌出异常区如何划分与管理；柏发松[6]分析了矿井瓦斯涌出形式，特点及其危害；赵建华[7]在分析矿井瓦斯涌出规律的基础上，提供了1套行之有效的低瓦斯矿井瓦斯异常区瓦斯治理技术。

综上，神东矿区的瓦斯问题是威胁煤矿安全生产的主要危险源之一，未来瓦斯灾害显现的频率和严重程度将随着采掘深度的增加而不断加强。因此，本文以布尔台煤矿为例，采用单元法实测了工作面瓦斯涌出特征，并分析了其受开采强度、风量、煤层瓦斯含量、工作面来压变化规律、气候条件等相关参数的影响规律，得到影响瓦斯异常涌出的主控因素。针对布尔台煤矿的特点提出了“顶板水预裂和联络巷插管相结合”的瓦斯治理措施。

1 矿井及主要研究煤层概况

布尔台煤矿井田面积192.63 km2。保有地质储量31.2亿t，剩余可采储量18.5亿t。矿井设计生产能力2 000万t/a。布尔台井田范围内可采煤层10层：12上煤层、12煤层、22煤层、22下煤层、31煤层、42上煤层、43煤层、51煤层、52煤层、52下煤层。目前矿井现采煤层为22煤层、42上煤层。回采工作面主要采用走向长壁后退式综合机械化放顶煤采煤方法开采全部垮落法管理顶板。

布尔台煤矿42上煤层，煤层自然厚度0.90～7.90 m，平均4.62 m。煤层结构简单，层位稳定，对比可靠，属于全区可采的较稳定煤层。煤层原始瓦斯量为1.81～2.28 m3/t，透气性系数为0.158 782～0.265 069 m2/MPa2·d。顶板岩性以砂质泥岩为主，底板岩性以砂质泥粉砂岩为主，局部为泥岩、粉砂岩。

根据2018年布尔台煤矿矿井瓦斯等级鉴定报告结果，矿井的绝对瓦斯涌出量为35.51 m3/min，矿井的相对瓦斯涌出量为0.74 m3/t，回采工作面最大绝对瓦斯涌出量为4.36 m3/min，掘进工作面最大绝对瓦斯涌出量为0.45 m3/min。该回采工作面为42201回采工作面、掘进工作面为42109辅运巷掘进工作面，均属于42上煤层。但是42上煤层可解吸瓦斯含量仅仅为0.10～0.44 m3/t，可见这是典型的高产高效低瓦斯矿井回采工作面瓦斯异常涌出现象。

2 回采工作面瓦斯涌出特征

为探究回采工作面瓦斯涌出的实际情况，选择布尔台煤矿42201回采工作面，现场连续跟进测定生产班及检修班在正常情况下的瓦斯涌出。

在天气较好，正常生产的情况下，测定采用单元测定法，将42201回采工作面划分为16个单元，沿工作面布置15个测定站，每个测定站布置5个测点。然后测定每个单元的进出单元体断面的风速、断面、瓦斯浓度[8-9]。工作面单元划分如图1所示。

图1 工作面单元划分示意Fig.1 Schematic diagram of work area unit division

瓦斯和风量平衡示意图如图2所示。

图2 瓦斯平衡和风量平衡计算示意Fig.2 Schematic diagram of working face units division

风量平衡方程为[10]：

式中：Qin为流入单元内风量；Qout为流出单元内风量；Q1为从采空区流入本单元内风量；qg为从采空区涌入本单元内瓦斯量；qf为本单元内煤壁、顶底板及煤层的瓦斯涌出量；c1为漏风流中的瓦斯浓度；cin,cout为流入和流出本单元风流中的瓦斯浓度。

通过推导上述方程组，可以计算出以下几个参数的数值，落煤及工作面煤壁的瓦斯涌出量，42201回采工作面所对应的采空区的漏风量以及采空区瓦斯涌出量。

根据现场实际测定的数据，对42201回采工作面瓦斯涌出量进行计算，可知：检修班42201回采工作面采空区的瓦斯涌出量约为0.20 m3/min，煤壁及落煤瓦斯涌出量约为1.061 6 m3/min。生产班42201回采工作面采空区的瓦斯涌出量约为0.15 m3/min，占回采工作面瓦斯涌出量的8.1%，煤壁及落煤瓦斯涌出量约为1.704 4 m3/min，占回采工作面瓦斯涌出量的91.9%。生产和检修过程中煤壁及落煤的瓦斯涌出量是布尔台煤矿综放工作面的主要瓦斯涌出来源。

3 瓦斯异常涌出主要影响因素

回采工作面的瓦斯异常涌出主要表现在时间和空间上比较突然、集中，同时涌出量不均匀、间断[11]。影响瓦斯涌出量的主要因素有自然因素和开采技术。自然因素主要包括煤层和围岩的瓦斯含量，开采深度和地面大气压力的变化；开采技术因素主要包括开采顺序与回采方法、回采的速度与产量、落煤工艺与基本顶来压步距、通风压力与采空区密闭质量、采场的通风系统等[12]。对于特定的矿井而言，地质因素、开采技术、通风方式等都是确定的，这里只需要考虑来压、开采强度和大气压力等因素。

3.1 来压前后瓦斯涌出量变化异常

回采工作面矿压的变化直接影响着工作面瓦斯涌出量的变化。在煤层开采过程中，矿山压力通过一定的形式作用在周围煤岩体上，使煤岩体的孔隙裂隙分布、渗透系数等力学特性发生很大变化[13]。布尔台煤矿42上煤在实际生产过程中，回采工作面矿山压力显现和来压现象较为突出。在42105，42106，42107和42201工作面回采过程中均发生过较强的矿压显现情况。特别是42106工作面初次来压时发生了较强烈的来压现象[14]。

因此，通过对42201综放工作面初采时瓦斯涌出量随工作面的累积进尺变化关系的分析，如图3所示。

图3 42201综放工作面绝对瓦斯涌出量变化规律Fig.3 Change law of absolute gas emission in 42201 fully mechanized caving face

根据42201回采工作面矿压分析报告显示，2017年1月20日中班生产过程中，工作面回采至31.4 m时直接顶全部垮落；2017年1月30日夜班生产过程中，工作面回采至56.1 m时基本顶初次断裂与垮落。由图3可知，42201工作面在初采200 m的过程中，工作面的绝对瓦斯涌出量有过几次异常的变化。第1次异常变化是直接顶初次垮落时，工作面绝对瓦斯涌出量由稳定在1.3 m3/min左右突然增加到1.65 m3/min。第2次异常变化发生在基本顶初次断裂与垮落时，从1月29日中班开始工作面支架增阻明显，此时工作面绝对瓦斯涌出量已经出现上升趋势；直至1月30日夜班基本顶初次来压时出现峰值。随后的几次周期来压时，工作面绝对瓦斯涌出量都有不同程度的增幅。

由此可见，虽然42201综放工作面绝对瓦斯涌出量较小，符合低瓦斯矿井的条件，但是在矿山压力显现和来压时，回采工作面绝对瓦斯涌出量均有较为明显的异常变化。

3.2 生产强度对瓦斯异常涌出的影响

近些年随着新工艺、新技术和新装备在采煤领域的应用，开采技术水平显著提高，煤矿的开采强度也日益增大。随之而来的各种煤矿灾害，显现的频率和严重程度也是逐渐增强。石必明[15]、赵晋强等[16]都阐述过开采强度对瓦斯涌出的影响。对于布尔台这种高产高效的低瓦斯矿井而言，开采强度对瓦斯异常涌出和积聚的影响也是越来越大。

为表征开采强度对瓦斯异常涌出的影响，通过对布尔台煤矿42201回采工作面上隅角瓦斯体积分数的连续1个月的跟踪监测。测定结果如图4所示。

图4 42201综放工作面上隅角瓦斯体积分数随生产强度变化规律Fig.4 Variation of gas concentration at upper corner of 42201 fully-mechanized caving face with production intensity

由图4可知，在12月14日工作面没有生产的情况下，上隅角瓦斯体积分数下降到1个月以来的最低值为0.16%；日产煤量超过30 000 t的几天，对应的瓦斯体积分数也同样上升到峰值0.24%。在高强度的开采条件下，上隅角瓦斯体积分数的变化趋势与开采强度的变化趋势几乎是一致的。开采强度的几次峰值变化都引起上隅角瓦斯体积分数的异常，出现同样的峰值变化。虽然图4中的监测数据表明上隅角的瓦斯在监测期间并没有出现超限的情况，但是开采强度对于瓦斯的异常涌出来说，仍然是主要的影响因素。

3.3 大气压力对于瓦斯异常涌出的影响

关于大气压力对煤矿采掘工作面或采空区的瓦斯涌出有影响与否，所有的研究人员都持肯定态度[13]。同样对于布尔台煤矿而言，现阶段采、掘深度较浅，地面气候因素，尤其是大气压力变化对瓦斯涌出的影响不言而喻。为此，选取2018年1月17日作为大气压力的监测样点。为避免出现漏取最大值、最小值，连续24小时监测，每5min记录1次数据。监测结果使用K线图法[17]与瓦斯涌出情况进行比较。结果如图5所示。

图5 矿井大气压力K线图与42201工作面瓦斯体积分数对比Fig.5 Comparison of atmospheric pressure K-line diagramand gas concentration of 42201 working face

地面大气压力主要是通过影响煤壁和采空区瓦斯涌出从而影响工作面瓦斯涌出。大气压力下降，外界压力小于煤壁内部压力，瓦斯向外界涌出，瓦斯浓度升高；反之，随着大气压力升高，外界压力大于煤壁内部压力，瓦斯涌出受限，浓度降低。通常情况下，大气压力在波动变化时对瓦斯异常涌出呈现负相关关系[18]。

但是，从图5可以看出，42201工作面的瓦斯浓度较低，且在总体趋势上并不是完全的与大气压力呈现负相关关系。那就说明在这一过程中还有其他因素影响，哪种因素对瓦斯涌出影响更大，需要详细分析。8时之后，井下会根据实际生产情况停机检修一段时间。根据分析，此时大气压力下降会引起煤壁瓦斯涌出增大，采煤机停机会引起瓦斯浓度减小，而实际的瓦斯浓度是减小了，说明采煤机工作与否即生产强度对瓦斯涌出的影响要大于大气压力的影响。

4 高产高效低瓦斯矿井回采工作面瓦斯异常涌出的治理措施

综放工作面瓦斯防治常采用加强通风的方法解决工作面瓦斯涌出问题[19]。随着综合机械化放顶煤技术的应用，综放工作面开采强度大、生产集中，采煤工作面瓦斯涌出表现出了速度快、较集中和极不均衡等特点。由于综放工作面采高较大、走向较长、易形成较大面积的采空区，在顶板周期来压时，常造成煤壁瓦斯涌出增加。同时，工作面推进速度较快，生产强度大，极易造成上隅角瓦斯超限[20]。通过瓦斯来源分析可知，42201综放工作面瓦斯主要来源为本煤层煤壁瓦斯涌出，开采落煤瓦斯涌出。

针对布尔台煤矿42上煤层透气性差、矿压显现强烈等实际情况，对布尔台煤矿综放工作面采取顶板定向长钻孔分段水力压裂强制放顶和联巷插管或煤柱大直径钻孔桥接采空区的瓦斯抽采综合防治措施。

4.1 顶板定向长钻孔分段水力压裂强制放顶

42201工作面基本顶坚硬，直接顶垮落后不能充满采空区，造成基本顶悬顶，回采期间工作面中部-回风巷范围发生强烈矿压显现。为降低工作面来压时煤壁瓦斯涌出量，同时保证工作面安全回采，需提前对基本顶进行预压裂。因此，采用顶板定向长钻孔分段水力压裂方法弱化工作面顶板岩层，通过42201辅运巷向工作面顶板布置钻孔，通过分段压裂施工技术弱化顶板岩层整体性，减小来压步距和来压强度[21]。顶板定向长钻孔分段水力压裂示意图如图6所示。

图6 顶板定向长钻孔分段水力压裂示意Fig.6 Schematic diagram for segmental hydraulic fracturing of roof directional long borehole

实施顶板长钻孔分段水预裂后，利用矿压监测系统对顶板支架压力进行动态监测，收集支架压力实时数据，采用回采进入压裂施工区域前后的时空对比方法，对顶板压裂弱化效果进行了分析。通过分析，压裂施工后顶板来压强度明显降低，最高压力由59.1 MPa降低至48.0 MPa，来压步距由44～46 m降低至23 m左右，整体超过40 MPa的来压范围明显降低，尤其是1次见方位置，除40支架对应的上覆22煤层遗留集中煤柱极少部分出现40 MPa以上来压，其余位置来压不明显。

顶板长钻孔分段压裂技术能够有效地弱化顶板岩层整体性，减小来压步距，减少来压次数，显著降低来压强度。从而，减少基本顶初次来压以及回采期间周期来压时，强烈的矿压显现对煤壁瓦斯涌出的影响。

4.2 联巷插管或煤柱大直径钻孔桥接采空区的瓦斯抽采

对于生产强度较大造成的上隅角瓦斯异常集中问题，依靠降低综放工作面生产效率解决是不现实的。虽然布尔台煤矿不需要建立地面的永久抽采系统或井下的临时抽采系统。但布尔台煤矿曾经多次出现上隅角瓦斯超限，造成断电停产，威胁煤矿人员的生命安全。因此，上隅角瓦斯治理是重中之重。对于上隅角瓦斯治理，利用联络巷插管或煤柱大直径钻孔桥接的局部抽采方法。在42202辅运巷，通过联络巷向42201主运巷施工大直径钻孔。随着采煤活动的延续，封闭联巷，在上隅角后部采空区形成1个负压区域，从而改变瓦斯运移的方向，避免出现瓦斯积聚的情况。

联巷插管或煤柱大直径钻孔桥接示意图如图7所示。选择测风当天检修班和生产班，对42201综放工作面上隅角瓦斯抽采效果进行测定。