切顶卸压沿空留巷综采工作面瓦斯治理技术

＊高小波

（山西焦煤西山煤电集团矿业管理有限公司 山西 030053）

切顶卸压沿空留巷技术在煤矿生产中矿压方面的应用效果良好，具有定向断裂煤矿采空区顶板的作用，进而有助于在区段煤柱全部取消的情况下实现切缝自行垮落成巷操作，而该操作的实现具有提升煤炭开采率的作用，可在一定程度上修复被破坏的岩体，降低沿空巷道支护施工的难度系数。但是，在实际的煤矿开采过程中，因开采区岩体较为坚硬，增加了切缝自行垮落成巷的操作难度，不利于冒落自行垮落工作面的形成，加之冒落带在发生断裂时所产生的冲击力会对采空区聚集的高浓度瓦斯产生一定推力，进而容易引发瓦斯突涌问题，需要相关负责人利用瓦斯治理技术进行解决。

1.瓦斯治理技术概述

近几年，随着瓦斯治理技术研究的逐步深入，我国瓦斯治理技术的应用效果良好，其与煤矿企业科学选择瓦斯治理技术以及重视瓦斯抽采综合评价等有关。

（1）瓦斯治理。安达煤业的开采属于近距离煤层群，其中首层以及突出层均为3号煤层，依据国家相关规定，针对突出矿井的开采需要遵循“不掘突出头，不采突出面”原则。安达煤业1334运输巷主要的防突措施是在3号煤层低板施工抽放巷，随后进行钻孔施工，以便于完成预抽施工并实现降低煤层瓦斯的目标，有助于增加巷道开采的安全系数。与运输巷的开采不同，辅运巷的开采有距离要求，常规下需要在50m开外对回采区煤体进行煤层钻孔以及抽取瓦斯等，瓦斯抽取过程中需要使用的钢管规格为无缝D273mm×8mm，而1334综采面所形成的瓦斯抽取以及回风巷留管抽放均为综合试抽取模式[1]。

安达煤业在认真吸取瓦斯事故教训之后，十分重视瓦斯治理技术，并且十分注重利用先进技术推进传统煤矿企业向现代化方向发展，为实现保护生命安全以及保护自然环境的目标，瓦斯治理技术的应用十分重要，且具有一定的治理理念。首先，一切为了发展，一切为了职工，瓦斯的利用是把双刃剑，日常的瓦斯抽放应转变成瓦斯抽采，且煤矿的开采需要与瓦斯抽采同时进行，合理利用与治理，并做好预防瓦斯突涌以及超限等工作。其次，先进生产的实现需要保证安全生产，科学治理瓦斯是煤矿发展的必然要求，精细化管理瓦斯治理技术是瓦斯治理的关键，瓦斯的抽采应遵循可保尽保、应抽尽抽的原则，做到先抽后采、实时监管、以风定产，而具体治理需要遵循高投入、高素质、强基础以及严管理等方针[2]。最后，瓦斯的治理需要做好通风工作，掘进先行，以抽采为重点，防止瓦斯突涌。

（2）瓦斯治理技术研究成果。①煤与瓦斯突出动态预测技术。煤与瓦斯突出的非接触式预测主要是指实时监管瓦斯及媒体信号的一种连续动态预测技术，该技术具有实时连续监测以及测试简单等特点，属于先进瓦斯治理技术之一。依据对瓦斯突涌动态变化规律以及危险系数的分析，实时监测瓦斯动态突涌波形，并将其危险指标系数进行提取，以此为参考确立煤巷掘进瓦斯动态突涌指标，以便于用来判断综采面所属地点安全系数以及潜藏的安全风险等，有助于实现对瓦斯突涌的实施观测，并提供一种新的监测方法。AE声发射监测煤与瓦斯突出属于一种AE声发射滤噪综合治理技术，具有多种信号提取方式，如抑噪、隔噪以及滤噪等，属于滤噪技术研究的新突破，具有分析、总结AE发声规律以及瓦斯灾害的作用[3]。此外，针对于含瓦斯煤岩流变被破坏过程的实时监测，过程中产生的电磁辐射信号及脉冲数会对瓦斯的突涌产生一定影响，加强对二者的研究是做好瓦斯突涌预测工作的前提条件，其中涉及的临界值法与动态趋势法均具有预警瓦斯灾害的作用，可借助连续监测仪对煤岩及瓦斯动态进行监测。

②煤与瓦斯突出区域预测技术。针对于煤矿突出区域瓦斯的预测，工作人员可以考虑使用瓦斯地质理论与物态技术两种方法，可以利用瓦斯地质法创建瓦斯突出区域预测新方法，改进方法具有集成化以及多尺度的特点，能够提出瓦斯地质单元的基础构造为软煤厚度以及煤层瓦斯压力指标。随后工作人员可以创建WebGIS信息平台，并利用地球物理探测技术对矿井瓦斯富集区进行勘测，随后再通过地震反演技术、瓦斯地质技术以及3D3C地震技术等构成新的地震预测模式用于探测矿井瓦斯[4]。与此同时，工作人员可以利用地质动力区划分法找出煤矿掩体应力状态突出的原因，明确划分出应力升高区、降低区以及应力梯度等，并通过多因素模式的识别与预测分析确定最大主应力，便于工作人员以此划分危险区以及安全区，有助于实现对突出区瓦斯预测的可视化监管。除此之外，电磁波透视技术可以探测煤层中瓦斯灾害区域，创建电磁波反射和吸收数据系统，以此获得瓦斯灾害具体位置以及分布规律等，有助于相关临界值的识别与计算，进而有助于逐步创新与完善煤矿瓦斯预测技术体系，提高突出预测的精准度，降低煤矿掘进、开采过程中瓦斯超限问题出现的几率，提高掘进效率。

③瓦斯煤尘爆炸危险性预测评价技术。煤矿开采过程中经常会存在瓦斯煤层爆炸事故，不仅危害人员生命健康，还会增加国家经济损失。为此，针对于煤层瓦斯爆炸的相关研究十分重要，需要工作人员利用先进技术创建粉尘燃烧模型，总结粉尘空气混合物点火时导热材料燃烧机理，并根据瓦斯爆炸相关特性进行点火试验，以此得出高温固体燃料燃烧时所产生的辐射与瓦斯爆炸范围内瓦斯浓度高低有关，瓦斯浓度越高，燃烧速度越快且燃点越低，此时如若空气温度偏低，则固体燃烧时的火焰会出现加速现象，此时可能会存在辐射热损失现象，加之空气中若有粉尘混合物影响火焰燃烧的稳定性，则工作人员可以通过对瓦斯煤层环境下的相关系数进行计算，以此总结出瓦斯爆炸时爆炸波及火焰的变化情况。随后，煤矿企业还需要创建矿井瓦斯煤尘爆炸预防模型，用事故分析方法对矿井的掘进及开采综合面进行研究，重点研究切顶卸压沿空留巷技术，可以有效防止爆炸事故的发生，并为矿井开采寻找新途径，而瓦斯煤层爆炸危险性预测评价技术的研发，是瓦斯治理技术获得进步的重要表现。

2.安达煤业工程概况

安达煤业1334综采工作面的具体区域是在第一水平东翼13采区三区段的第4个工作面，工作面走向长641m，倾斜长120m，煤层平均厚度2.2m，倾斜角度25°左右，区域以焦煤为主，而区域内的粉尘岩厚度在10m左右，中间夹杂着细沙岩以及磷铁矿。因磷铁矿呈现透镜状，所以整体岩体的层理为波状形，此为直接顶，而针对于老顶而言，粉砂质泥岩的厚度在8m左右，中间夹杂有细沙岩以及粉砂岩等，日常开采过程中可能还会发现岩体内部存在动物化石[5]。

1334运输巷巷道的常规尺寸是4400mm×2500mm，开采与掘进过程中常用的支护施工方法为树锚、钢带以及金属网等材料，而在工作面的回采期间运输巷经常使用的切顶卸压沿空留巷技术需要单体液压支柱的支持，具体的型号为DW25-300/100，此为金属铰接顶梁超前支护施法，随后沿空留巷技术的应用需要每隔10min完成一次切顶线后方沙袋墙的砌筑，该墙体的厚度大致为0.8m[6]。而运输巷的内距采面煤壁的厚度可在20m左右，并在沿巷道上帮顶板处设计眼距5m、孔径为42m的深孔聚能预裂爆破眼，各眼距之间需间隔0.5m，具体样式见下图1所示。当前，安达煤业1334综采工作面所应用的瓦斯治理技术包括煤与瓦斯突出动态预测技术以及煤与瓦斯突出区域预测技术。

图1 切顶卸压沿空留巷工程图

3.切顶卸压沿空留巷综采工作面瓦斯治理技术问题

（1）支护方式较为传统。现如今，仍然有部分地区受经济发展较为落后的影响，煤矿的开采依然使用的是传统的沿空留巷支护技术，即巷道上帮没有砌墙环节，仅是在沿空留巷内以间隔10m的方式砌筑沙袋墙用以推进支护施工工程，针对于采煤工作面的风流部分，工作人员可以通过下尾巷沿空留巷的上帮进入采空区，以此与下尾巷道形成漏风区域，漏风区的产生容易引发自然火灾，进而容易为煤矿的掘进与开采施工留下安全隐患。常规情况下，煤矿采空区的瓦斯运移具有特定规律，且其瓦斯浓度通常可分为3带，分别是滞留带、过渡带以及涌出带等，而工作面煤壁的距离大小并非一成不变，其会随着采空区与工作面的间距大小而改变。采空区中瓦斯的运移会受通风系统的影响，如若采面上隅角的通风压力降低，且采空区的风速呈现U型分布，瓦斯会因漏风而集中至上隅角位置，具体见图2。

图2 切顶卸压沿空留巷采空区漏风示意图

（2）悬顶发生循环断裂。运输巷顶板在经过切顶爆破后会随着采面进入采空区，如若此时悬顶的长度及宽度达到一定程度，则在受到上覆岩层压力的作用下，悬顶容易发生循环断裂现象。常规情况下，若是尚未经过运输巷切顶卸压采空区顶板的垮落过程，则采面的中下部两段不会出现垮落现象，通常都是在采面的上下两端发生垮落，随后利用运输巷切顶卸压技术可将采空区跨落方向调整至下端头后方，使其从下往上逐渐垮落。当1334工作面的顶板岩体断裂后，垮落的块体体积较大且形状规则，其下端头悬顶断裂长度为6.5m左右，再通过强制放顶操作之后，垮落的岩块长度可达4m左右，厚度约为3m左右，因下端头采工区的岩块垮落具有间断性特点，所以当有大块儿岩体垮落时会对采空区的空气流动产生不良影响，导致采空区下半部分空气发生混乱，扰乱了瓦斯原有的移动方向及速度，容易引发瓦斯超限问题[7]。

（3）存在瓦斯超限问题。安达煤业1334综采工作面的顶板较为坚硬，常规下其下端后放的采空区顶板可能会存在断裂或者塌方的问题，一旦出现此类安全事故，则会造成超前支撑压力的传递遭受阻碍而无法正常传送至前方煤壁，长期以往，会使得综采工作面下端煤体出现瓦斯泄露事故，致使综采工作面的机道以及回风流出现瓦斯超限问题。此外，在煤巷掘进过程中，工作面出现破口、风筒脱节等问题时，可能会导致瓦斯集聚出现超限问题，具体解决方案有两种，一种是更换高质量风筒以及解决风筒脱节问题；另一种是工作人员需要注重风筒的维修与养护，小心运送，规范化安装，并在后期的爆破施工中科学控制炸药量，避免爆破损坏风筒。

4.切顶卸压沿空留巷综采工作面瓦斯治理技术应用

(1)瓦斯治理技术的改进

解决综采工作面上隅角瓦斯聚集问题的有效方式是瓦斯治理技术的改进，修复采空区的漏风区域，减少或防止空气进入工作面，进而能够避免出现瓦斯积聚现象。1334综采工作面在刚进行开采阶段，其标准配风为1440m3/min，为避免出现瓦斯超限问题，回风流的瓦斯最大值不应超过0.8%，上隅角的瓦斯最大值不应超过1.2%，依据工作人员对于矿井采掘工作面的日常管理，工作人员可以依据切顶卸压沿空留巷综采面的瓦斯治理要求对瓦斯技术进行改进，以便于技术改进能够符合综采面的瓦斯治理要求。

(2)瓦斯治理技术应用效果

1334综采工作面开采初期，瓦斯超限问题普遍存在，因生产缺乏规律性，所以需要矿井管理人员组织各施工人员进行现场情况分析与讨论，找出瓦斯超限产生原因，并总结出瓦斯流动及其变化规律，有助于瓦斯治理技术的合理应用以及治理方案的科学制定，如在沿空巷道上帮砌筑超高水材料隔离墙，在下端头悬顶砌筑挡风墙，用以挡住上隅角以及回风巷的瓦斯。在采面推进操作中，部分工艺需要做到精细化管理，严格按照相关标准进行改进与调试，此次工作面的最大瓦斯参数机道为0.4%，上隅角为0.65%，回风流为0.55%，具体的巷道留管抽放体积范围是3.5%～10%，整体采空区的瓦斯体积属于上升期[8]。具体的分源治理方案所对应的瓦斯测试参数值如表格1所示。

表1 瓦斯测试参数值表

5.结束语

安达煤业1334综采工作面的顶板岩体较为坚硬，实际开采过程中切顶卸压沿空留巷技术以及瓦斯治理技术的应用，能够解决瓦斯突涌以及矿压突变的问题，相关负责人需要依据技术操作标准制定瓦斯分离治理方案，以此助力切顶卸压沿空留巷综采工作面瓦斯治理技术的推广。另外，针对于综采工作面顶板岩体较为坚硬的问题，开采人员需要优先对岩体结构进行分析，并依据分析结果采取有效措施解决采空区悬顶顶板切顶问题，以此完成缩小垮落步距以及块度的操作，进而减少对采空区瓦斯的冲击力，可有效防止瓦斯超限问题的出现。