近距离煤层开采瓦斯与火联合防治研究

焦 东

(晋能控股煤业集团塔山白洞井,山西 大同 037029)

煤自燃和瓦斯灾害始终是制约矿井安全生产的两大灾害,特别是综放开采方式的煤层群开采矿井,由于放顶煤的原因,致使与上覆采空区贯通,此时采空区瓦斯抽采量增加的同时也将增加煤层自燃的风险。因此,研究近距离开采综放工作面瓦斯与火联合防治技术具有十分重要的现实意义。

蒋金泉等[1]采用实验室模拟开采模型及数值模拟,研究煤层覆岩采动裂隙演化以及采动支承应力的变化对覆岩运动破坏的影响,进一步分析探讨了卸压瓦斯运移状态。徐宇等[2]运用数值模拟方法对煤自燃与瓦斯的复合致灾隐患区域进行了判定与分析。贾宝山等[3]采用数值模拟的方法,选取不同试验因素计算得出工作面瓦斯与火协同防治的平衡点,从而解决采空区瓦斯与火协同防治问题。景珂宁[4]研究了近距离易自燃煤层开采工作面瓦斯涌出、采动覆岩裂隙演化、采场瓦斯运移、采空区遗煤自燃等规律,形成了一套复合采空区瓦斯与火协同防治技术。石银斌等[5]针对近距离煤层群开采多重采空区下某工作面瓦斯与火隐患共存的实际情况,提出了瓦斯与火复合灾害治理模式。杨小兵[6]对比分析了几种瓦斯治理方法,研究表明用高位钻孔抽采瓦斯能从根本上解决低瓦斯矿井工作面上隅角瓦斯超限问题。白庆华[7]提出一套高位钻孔瓦斯抽采工艺,现场实测抽采效果明显提高。贾廷贵等[8]模拟了抽采瓦斯对煤自燃诱导效应,明确了瓦斯与煤联合作用下的矿井灾害问题。褚廷湘等[9]计算分析了采空区瓦斯抽采量对遗煤氧化进而自燃的扰动影响。

目前,国内外学者对煤层群开采瓦斯治理及采空区煤自燃防治进行了大量研究。但多数专家学者忽略了卸压瓦斯抽采条件下综放工作面回风、上隅角低氧等多种因素共同作用的结果。本文通过综合研究覆岩裂隙演化规律、现场采空区气体运移特征及注氮量等几个主要影响因素,分析研究瓦斯与火联合防治下各个影响因素的关系效应,研究制定近距离煤层群综放工作面采空区瓦斯与火联合防治方案,可为类似矿井提供技术借鉴。

1 工程概况

山西大同某矿瓦斯涌出量小,绝对和相对涌出量分别为0.96 m3/min和0.51 m3/t。8108工作面位于C5#层南部301盘区,工作面所在C5#煤层厚度4.2 m,自燃倾向性等级为Ⅱ级(自燃),采用综放一次采全高的开采方法。工作面采用“U”型通风,2108巷进风,5108巷回风,实际配风为1 720 m3/min,瓦斯绝对涌出量为0.18 m3/min。由于C3#—C5#层间距为3～5 m,因此该盘区与上覆层厚为3.3 m的C3#层南部301盘区属近距离开采。C3#层南部301盘区于2008年开采结束,共封闭8个采空区,其中8108对应上覆层有C3#层8106工作面采空区,该采空区积水已排放完,当8108工作面进入上覆采空区对应位置开采时,由于与上覆采空区近距离开采、采空区漏风、采煤工艺(放顶煤)等因素导致工作面上隅角积气,出现低氧、有害气体积聚等安全隐患。

2 覆岩裂隙演化及气体运移规律

研究采用平面模拟试验装置,根据实验室装置尺寸和实际岩层确定几何相似比为1∶100,模型模拟不到的岩层采用金属块配重代压。根据几何相似比与时间相似比之间的关系,确定时间相似比为1∶10;本试验相似模拟材料选用河砂、淀粉、石膏和水,密度相似比确定为1∶1.5;最后根据几何相似比与密度相似比的关系确定应力相似比为1∶150。模型尺寸为:长×宽×高=2.0 m×0.2 m×1.1 m;数据采集系统采用10 cm×10 cm网格位移测线,记录离层和裂隙的演变过程;底部布置应力传感器进行采动应力监测。

2.1 近距离煤层开采覆岩垮落规律

由图1可以看出C3#煤8106工作面推进75 m时,覆岩垮落影响范围扩展到6#测线即粉砂岩附近,此时高度距离C3#煤层顶板35 m。3#测线上测点出现较大下沉且表现为不规则下沉垮落。4#—6#测线下沉量较小,表明该区域岩层受下方垮落岩层影响出现缓慢下沉,仅产生离层裂隙未发生垮落现象,此时该区域处于煤层采动覆岩裂隙带中。8106工作面推进110 m后,处于垮落带中的3#测线与其他测线下沉量差距变大,3#测线最大下沉量是其他测线测点最大下沉量的2倍。此时,覆岩垮落影响范围继续向上发展,7#测线所在附近岩层出现离层下沉现象,其上测点采空区中部最大下沉量达到0.9 m。工作面推进150 m后,处于岩层垮落带内的3#测线以及距离垮落带最近的4#测线所在岩层位移下沉现象突出,其它测线下沉量较小。

图1 C3#煤推进过程位移变化特征Fig.1 Displacement variation of C3# coal seam during advancing process

由图2可以看出,C5#煤8108工作面回采过程中,煤层群采动裂隙相互贯通,2#测线范围内覆岩产生大的下沉,最大位移量2.7 m,导致其上3#—9#测线位移下沉量再次增大。C5#8108工作面推进150 m时位于煤层间隔层内的1#、2#测线位移下沉量变化较大,3#—9#测线则随着覆岩高度的增大整体位移表现为逐渐减小的趋势。

2.2 重复采动下工作面支承应力分布

C3#煤8106工作面回采完成后采空区上覆岩层整体性破坏,在下层C5#煤上方形成塑性区。随着采空区下方C5#煤层的开采,应力状态重新分布,两侧边界煤柱应力集中，见图3所示。

(a)不同推进距下应力集中系数

(b)不同回采时期应力分布图3 重复采动下应力分布特征Fig.3 Stress distribution under repeated mining

在工作面回采初期,其上覆岩层无法对底板形成压力,工作面位于上煤层采空区压实区外,工作面前方应力集中系数2.0～2.2,远小于两侧边界煤柱处的支承应力,边界煤柱处的应力集中系数约是工作面前方应力峰值的1.75倍,如图3(a)所示。随着工作面的推进,下层煤顶板随采随冒,煤层群采动裂隙相互贯通,C5#煤层8108工作面处于C3#煤层采空区压实区内,采空区下工作面形成不对称的马鞍形应力分布,如图3(b)所示。工作面回采后期,采空区中部形成新的压实区,应力集中系数逐渐向原岩应力状态靠近。

2.3 煤层群重复采动气体运移特征分析

如图4所示为采空区上隅角混合气体运移状态分布图。可以看出,C3#煤层回采后,其上覆岩层下沉垮落,在采空区横向方向上形成两侧裂隙区以及采空区中部覆岩垮落压实区。C5#煤层开采后,采动裂隙在重复开采的影响下相互贯通,卸压瓦斯沿瓦斯运移通道升浮、扩散;底板方向的邻近层也会因卸压膨胀变形,使底板方向邻近层瓦斯通过张裂隙进入开采层采空区[10]。

图4 煤层群采空区气体运移分布Fig.4 Gas migration and distribution in the goaf of coal seam group

瓦斯上升和扩散过程中不断掺入周围CO2、CO、O2以及对采空区进行防火、灭火的高浓度N2。气体间在采空区气体运移通道(裂隙区内横向和纵向裂隙)内发生了自平衡置换。大部分密度较大的CO2和O2向下运移,在通风负压的作用下在巷道内流通。密度较小的采空区遗煤瓦斯则沿着纵向裂隙向上运移至垮落带及裂隙带临界处的卸压瓦斯储集空间,而邻近层及本煤层中残留的CO和向采空区注入的高浓度N2则会随着采空区漏风带出到上隅角从而造成低氧现象。

3 瓦斯与火联合防治方案

分析和治理工作面上覆采空区积气对解决工作面上隅角低氧,有害气体积聚等隐患尤为重要,在8108工作面回风顺槽5108巷掘进期间向上覆采空区间隔施工钻孔,通过钻孔阀门来定期检测分析上覆采空区积气并利用上覆采空区和工作面回风顺槽之间压差来释放上覆采空区积气至回风巷来达到减少工作面上隅角低氧、有害气体积聚等问题。

1)在8108工作面回风顺槽5108巷施工钻孔,通过钻孔阀门把8108工作面上覆采空区积气释放至回风巷已达到减少工作面上隅角低氧、有害气体积聚等问题。

2)采用全风压导风对上隅角积气进行稀释,采用直径400 mm风筒从上隅角接至回风绕道,利用工作面全风压对上隅角积气进行导流稀释。

3)上、下隅角退锚和端头封堵墙。在工作面回采过程中,及时采取退锚索措施,避免悬顶面积过大造成的采空区低氧气体涌出、涡流积聚区面积增大、大面积垮落时大量低氧气体瞬间涌出造成的持续低氧。同时施工端头封堵墙,减少采空区漏风,从而保证上隅角风流及时将有害气体稀释、吹散。

4)调整工作面注氮量。在保证采空区防、灭火情况稳定的前提条件下,合理调整注氮量,减少采空区氮气溢出,从而保证上隅角氧气浓度。采空区注氮量的大小是造成上隅角低氧的重要因素,当注氮量为600～800 m3/h时,上隅角氧气体积分数较未注氮时至少要下降0.5%。合理控制注氮量也能提高上隅角氧气含量,在8108面设计注氮量为526 m3/h,为不出现上隅角低氧现象并同时在保证工作面没有自燃隐患的要求下,将8108工作面注氮量降到420 m3/h～450 m3/h之间。

5)每天对上隅角不同气体进行体积浓度变化分析,及时调整风量大小从而形成对有害气体的稀释作用。

4 现场钻孔气体成分分析

4.1 钻孔施工方案

在8108工作面回风顺槽5108巷掘进期间，向C3#煤层采空区施工钻孔,其中5108巷1256 m处为1#钻孔，1206 m为2#钻孔，1156 m处为3#钻孔，1106 m为4#钻孔，1056 m为5#钻孔。每个钻孔相邻50 m,并在钻孔口加装阀门,取样化验后保持关闭状态,钻孔布置位置见图5所示。

图5 取样钻孔布置示意图Fig.5 Sampling borehole layout

4.2 钻孔内气体含量分析

在8108工作面开采期间每天夜班分别对5108巷的5个钻孔内气体情况进行取样化验,如图6所示。累计分析出瓦斯体积分数最高达到1.3%,CO体积分数最高为6×10-6,CO2体积分数最大为10.6%,O2体积分数最低达到8.0%。首先确定了C3#煤层8106采空区没有自燃发火现象,其次针对上隅角积气出现的低氧,有害气体积聚等隐患进行有效治理便可初步确保工作面安全生产。

(c)O2含量变化

(b)CO含量变化

(d)CO2含量变化图6 1#—5#钻孔内不同气体含量Fig.6 Content of different gasesin boreholes (from No.1 to No.5)

(a)CH4含量变化

5 结论

1)运用物理相似模拟实验,采用位移测点和底板应力传感器数据分析了近距离煤层重复采动条件下覆岩位移变化及煤层应力分布情况；为准确掌握采空区混合气体运移通道演化趋势及进一步分析研究采空区混合气体积聚、流动情况提供了一定的基础。

2)在综采工作面回风顺槽向上覆岩层施工钻孔,通过不同钻孔历史性气体取样分析，和8108工作面上隅角气体浓度分析，得出该工作面上覆采空区未出现煤体自燃现象和上覆采空区气体下泄。

3)通过在工作面回风顺槽施工钻孔释放积气到回风巷,以及对工作面上隅角采用全风压导风,上、下隅角退锚和端头封堵墙等手段治理工作面上隅角积气出现的低氧、有害气体积聚等问题具有显著效果。