冲击地压工作面瓦斯异常涌出原因分析及防治技术

2021-02-25颜文学

能源与环保 2021年2期

颜文学

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037； 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

近年来，随着采深和开采强度的不断增大，地应力、瓦斯含量、瓦斯涌出量不断增高，冲击地压引起的工作面或采空区瓦斯异常涌出时有发生[1-2]。2005年辽宁阜新孙家湾煤矿“2·14”冲击地压引发瓦斯大量涌出，发生特别重大瓦斯爆炸事故(死亡214人)；义马千秋煤矿2011年“11·3”和2014年“3·27”冲击地压事故后，瓦斯浓度分别达到了5%和9%[3]。冲击地压造成瓦斯异常涌出，甚至引起瓦斯或煤尘爆炸等二次灾害，给矿井安全生产带来极大挑战。因此，研究冲击地压影响下瓦斯异常涌出问题，对于矿井安全生产具有重要意义[4-9]。矿井进入深部开采后，国内外学者已开始对冲击地压引起的瓦斯问题进行研究：K.Ogieglo等[10]等通过研究开采扰动与回采工作面、掘进巷道瓦斯涌出量之间的关系，得出了不同能量的震动下，瓦斯涌出量涌出的变化规律以及其影响的区域瓦斯浓度；李铁等[11]对冲击地压和瓦斯的相关性进行了探讨；李世愚等研究了矿震和瓦斯突出的内在关系。

瓦斯在煤层内主要以渗流流动，主要与煤岩体受力形态相关[3]。以煤矿井下工作面正常生产为例，随着工作面向前推进，工作面前方煤体受采动的影响发生煤岩破坏[4]，煤岩的受载形态将在时间和空间上不断地发生变化，亦使得瓦斯形态在煤层内发生变化。因此，需要一方面深入研究煤岩受载过程与工作面前方煤岩体内的瓦斯异常涌出，另一方面深入研究顶板断裂采空区瓦斯异常涌出。

目前，诸多学者已针对该问题，开展了大量的研究，尹光志等[5-7]分别开展了不同卸围压速度、型煤与原煤全应力—应变过程与瓦斯渗透特性之间关联的研究；李铁等[8-10]进行了不同温度条件下的含瓦斯原煤渗流实验，建立了受载含瓦斯煤渗透性与温度和轴向应变的定性定量关系；李铁等[11-12]分别开展了基于加卸载速度影响下的含瓦斯煤力学及渗透特性实验、加卸载下原煤力学及渗透特性的实验研究；李祥春等[13-14]进行了分级加载—卸载与复杂应力路径条件下的含瓦斯煤力学性质及渗透属性演化规律的研究。

上述研究主要是对冲击地压和瓦斯灾害的相关性进行解释，对冲击地压采面瓦斯异常涌出发生机制研究较少，且没有形成冲击地压采面瓦斯异常涌出评价方法和防治体系。笔者在对冲击地压及瓦斯异常涌出诱发因素进行统计和分析的基础上，探讨了冲击地压影响下瓦斯异常涌出的发生机制、控制技术与评价方法，并成功应用于实践，以期为类似条件下瓦斯灾害治理提供借鉴。

1 工作面概况

I010202工作面走向长度1 642 m，倾斜长200 m，煤层可采厚度10.5 m，煤层密度1.32 t/m3。整个工作面工业储量411.81万t，可采储量330.11万t，设计回采率80%，设计日产量6 436 t，工作面服务期限21个月。工作面采用综采放顶煤采煤法，其中机采高度3.2 m，放顶煤高度6.3 m。工作面布置4条巷道，运输巷、回风巷、工艺巷及泄水巷，运输巷水平标高+1 268～+1 300 m，回风巷标高+1 316～+1 348 m；工艺巷标高+1 294～+1 326 m；工作面对应地面标高为+1 675～+1 840 m。工作面上部为B4煤层I0104202、I010406和I010408采空区；下部为实体煤层。

2 冲击地压工作面瓦斯异常涌出原因分析

通过查阅相关文献资料和报道，统计分析了冲击地压工作面瓦斯异常涌出原因，大致可分为2类：内部因素和外部因素，其中，内部因素为煤岩层本身具有的储能性质和煤层瓦斯赋存，主要包括煤岩冲击倾向性、瓦斯含量(压力)、开采深度、顶板结构地质构造等；外部因素为外部环境诱发的冲击地压和瓦斯异常涌出，主要包括开采技术条件、开采强度、外界动力触发等。

(1)煤岩固有的冲击属性。煤岩固有的冲击属性为冲击倾向性，为坚硬煤岩、高强度、高线弹性、高脆性等因素的有机组合[6]。冲击地压采面瓦斯涌出异常的门槛将会降低，在冲击动力下诱导发生。

(2)瓦斯含量(压力)。高瓦斯含量是瓦斯异常涌出的物质基础。另外，研究表明，解吸膨胀能量与瓦斯吸附压力有关[7]，存在高瓦斯压力在冲击地压孕育过程中起一定助推作用的可能。因此，高瓦斯压力也是冲击地压采面瓦斯涌出异常的一个动力条件。

(3)开采深度。随着开采深度的增加，地应力不断增高，煤岩体积聚的弹性能不断增加；同时，煤层瓦斯含量不断增大，煤层和围岩的透气性降低，开采煤层瓦斯得不到有效的预抽放。因此，开采深度为冲击地压伴生瓦斯异常涌出的本质因素。

(4)坚硬顶板。回采过程中，坚硬顶板难以自行垮落，采场周围易形成高应力场，存在冲击地压潜在威胁；工作面后方，由于顶板垮落不及时或者垮落不完全，形成了较大的瓦斯储存空间，采空区漏风，上隅角瓦斯易积聚；或者顶板突然垮落，采空区大量瓦斯将被压出，给采场及工作面巷道造成威胁。

(5)地质构造。地质构造影响因素有断层、褶曲等。地质构造带煤岩层应力集中，煤体易破碎，易储存瓦斯或不利于瓦斯的释放，瓦斯含量相对较高。

(6)开采技术条件。开采技术条件也是冲击地压伴生瓦斯异常涌出的一个重要因素。开采强度越高，冲击危险性越大，伴生瓦斯异常涌出的可能性就越大；另外，采掘面布置、顶板控制方式、煤柱留设、开采速度、采高等也会对冲击地压伴生瓦斯涌出异常产生影响。

3 冲击地压工作面瓦斯异常防治技术

冲击地压煤层采面瓦斯异常涌出的防治原则是“改变煤岩物理力学性质，削减煤岩应力集中，破坏煤岩强度条件，降低煤层瓦斯含量，提高巷道承载能力，加强冲击地压与瓦斯灾害在线监测，加强安全防护”。冲击地压煤层采面瓦斯异常涌出防治技术主要有以下8类。

(1)大直径钻孔煤体超前卸压。利用大直径钻孔卸压，增大了煤层暴露面积，延伸扩大钻孔周围裂隙，增加了煤层透气性的同时，改变了煤岩应力状态，削减了煤岩的应力集中，有利于冲击地压与瓦斯的协同防治。

(2)预裂爆破顶板超前弱化。坚硬顶板预裂是冲击地压预防的一项重要手段，提前对顶板进行弱化处理，破坏其整体性，增大顶板充填的垮落高度，减小悬顶步距，消除或减缓冲击地压威胁；同时，采取合理方式对采空区瓦斯进行抽采，降低或避免顶板型冲击地压及采空区瓦斯异常涌出的危险。

(3)煤层注水。当采面贯通后，在其周围打钻注水，煤层注水后，改变煤的力学性质，降低了煤的弹性能，使煤层应力重新分布，并减少瓦斯放散初速度[11]。既可降低采面冲击危险，又可减少冲击地压后瓦斯涌出量。

(4)深孔预裂爆破。深孔爆破不但可以对高应力区进行有效卸压，同时可对煤体进行增透，提高了瓦斯抽采效率；同时，卸压爆破增加了煤体的裂隙数量和长度，提高了透气性，瓦斯能够有效流动和排放，降低瓦斯压力梯度[12-13]，从而达到降低冲击危险性和瓦斯涌出强度的目的。

(5)强化瓦斯抽采。针对冲击地压采面，采前要对回采区域煤层进行预抽，尽可能低降低煤层瓦斯含量；回采期间要对采空区、顶板断裂带、采面巷道高冒区强化抽采。

(6)巷道超前支护。对于受冲击载荷影响采面，应在工作面超前段及高应力区域，安装高强度可伸缩支柱或支架进行强化支护，加大巷道承载能力，防止因巷道整体失稳造成瓦斯大量涌出。

(7)冲击地压与瓦斯灾害在线监测。冲击地压监测预警主要利用钻屑法、应力监测法、矿压监测法、地音法及微震监测法等；瓦斯监测主要采取人工检测、甲烷传感器监测等。

(8)安全防护。主要包括完善“压风自救、供水施救、通信联络、人员定位、紧急避险、监测监控”六大系统等，同时采取远距离放炮、加强支护、加强瓦斯监测及检查、穿戴防冲服帽以及瓦斯异常区域禁放电器设备等。

4 应用案例

根据工作面的地质条件，并结合瓦斯含量，将I010202工作面划分为3个瓦斯异常区(图1)，即：工作面前485 m，585～885 m，1 185～1 385 m。

图1 I010202工作面瓦斯异常区域划分示意Fig.1 Schematic of the division of abnormal gas area in I010202 working face

工作面回采前，对工作面整个回采区域实施钻孔卸压、工作面煤层大面积预抽，以此降低煤体应力集中程度和煤层瓦斯含量。利用钻屑法或应力监测法判断煤体应力是否异常，若异常，继续进行钻孔卸压或爆破卸压；对煤层实施大面积预抽后，要对工作面煤层进行瓦斯含量测定，确保抽采达标。若抽采未达标，应继续抽采或采取工作面煤层增透措施。

工作面回采期间，对煤层坚硬顶板实施爆破以预裂弱化顶板，避免大面积悬顶造成采场周围应力积聚，并缩小工作面后方瓦斯储存空间；利用分源瓦斯治理方法，施工高位钻孔，并结合回风隅角插(埋)管的方式抽采采空区瓦斯。

工作面回采期间冲击地压主要采用微震能量在线监测；瓦斯监测主要采取甲烷传感器在线监测，同时应加强个人安全防护等措施。