关于综采面切眼切顶爆破对初采初放瓦斯治理工作的影响

陈子纬

华晋焦煤公司沙曲二号煤矿

综采面初采初放期间的瓦斯治理工作是整个工作面回采期间的治理重点和难点，尤其初采初放期间顶板大面积悬顶和垮落的不可预判性，造成了采空区瓦斯涌出的不可控制，极易造成瓦斯事故。现以我矿4 304综采面为例，工作面初采初放前提前对切眼进行切顶爆破，对采空区瓦斯治理的影响进行分析。

1 综采面初采初放瓦斯的危害与治理难点

1.1 综采面初采初放采空区瓦斯的危害

综采面初采初放期间瓦斯的危害主要表现在采空区瓦斯的大面积积聚和采空区顶板大面积悬顶后垮落的不可预判性造成的瓦斯涌出的不可控制。当采空区大面积悬顶突然跨落时，采空区顶部积聚的高浓瓦斯（如图1所示）大范围涌出，造成工作面及其回风系统瓦斯超限，甚至达到爆炸界限，发生瓦斯爆炸事故。

图1 采空区瓦斯积聚示意图

1.2 综采面初采初放瓦斯治理难点

综采面初采初放阶段的瓦斯治理工作难点，主要是采空区顶板不能随工作面推进及时垮落造成大面积悬顶，给瓦斯积聚留下空间，采空区大范围积聚瓦斯，当工作面推进到一定距离后，采空区顶板突然垮落，采空区瓦斯大量涌出。（如图2、图3所示）

图2 综采面初采期间采空区风速与工作面推进距离关系图

图3 综采面推进距离与采空区瓦斯浓度（*10）关系图

（1）综采面采空区瓦斯来源

综采面开始推进，本煤层开采后，采空区将如图4所示的上、下邻近煤层及初始切眼的非采帮侧煤体的瓦斯涌出是采空区瓦斯的主要来源[1-2]。

图4 综采面采空区瓦斯涌出来源假想图

（2）采空区瓦斯积聚与涌出形式

综采面采空区出现悬顶或垮落不完全后，势必在采空区或上部裂隙中积聚瓦斯，随着采空区面积不断增加，顶板在重力作用下大面积垮落，积聚的瓦斯（如图5所示）将在短时间内大量集中涌出。大量瓦斯从采空区涌入工作面及其回风系统，远远超出综采面配风量稀释瓦斯的范围，造成瓦斯超限，甚至达到瓦斯爆炸界限。

图5 综采面初采期间采区空顶板垮落瓦斯涌出示意图

2 综采面切眼切顶爆破的应用

2.1 综采面切眼切顶爆破的设想

煤矿井下切顶爆破技术已经得到了成功的应用，在考虑综采面初采初放期间的顶板管理和瓦斯治理需要时，设计采用切顶爆破技术加快采空区顶板垮落进度，减少采空区顶板悬顶面积和悬顶时间，防止采空区内瓦斯的大面积积聚和大量集中涌出。

2.2 综采面切眼切顶爆破设计

综采面回采前，在切眼两端分别采取了切顶爆破措施，爆破深度为8 m，炮眼角度为90°（垂直于4#煤层所在平面），炮眼间距为0.5 m。（如图6所示）

图6 综采面采区切顶爆破炮眼布置示意图

2.3 综采面切眼切顶爆破的应用

我矿回采的4#煤层瓦斯含量高，且上下邻近煤层与本煤层层间距小，4#煤层工作面回采时，瓦斯涌出量大，尤其工作面初采初放期间，采空区瓦斯治理工作成为安全管理的难点。所以，我矿在4 304综采面切眼采取切顶爆破的措施，取得了较好的瓦斯治理效果。

（1）4 304综采面概况

4 304综采面倾向长度1 037.7 m，走向长度226 m，平均煤厚2.76 m。工作面所采4#煤层瓦斯含量10.89 m3/t，煤层均具有突出危险性和爆炸性。工作面采用倾斜长壁后退式一次采全高的综合机械化采煤方法。胶带顺槽采用切顶爆破联合挡矸网墙体隔离采空区沿空留巷，采空区采用全部垮落法管理顶板。

工作面采用两进一回 “Y”型通风方式，4 304轨道巷作为主要进风巷，配风量1 400 m3/min，4 304胶带巷作为辅助进风巷，配风量800 m3/min，4 304胶带巷后部留巷作为回风巷，总配风量2 200 m3/min，工作面绝对瓦斯涌出量在27.67 m3/min。

（2）4 304综采面切眼爆破情况

4 304综采面在回采前，在切眼的机头侧爆破长度为60 m，机尾侧爆破长度为30 m，以加快初采初放期间的顶板垮落进度。

3 切眼切顶爆破设计及对顶板垮落进度的影响

3.1 采空区顶板垮落

根据4 304综采面初采时现场观测，该工作面在推进6 m后采空区顶板即发生大范围垮落，垮落时现场情形如下：

（1）顶板垮落时，伴有采空区瓦斯涌出现象，工作面瓦斯浓度达到0.58%，回风瓦斯浓度0.74%，瓦斯达到极值后，持续时间约20 min。

（2）顶板垮落后，采空区机头侧漏风明显减小（漏风携带瓦斯对回风瓦斯浓度无明显影响），墙体缝隙基本无明显漏风。

（3）墙体压设的抽采管路吸空声音明显减小。8 h后，切顶留巷压埋管抽采瓦斯浓度由1.68%增加至4.80%。

（4）采空区内的落石声发出声响和频次明显减少，且落石声由支架后部变为采空区顶板上部。顶板垮落震感（与我矿其他4#煤综采面采空区顶板垮落时比较）较小。

3.2 采空区顶板垮落进度对比

相较我矿其他4#煤综采面（列举4 901综采面与4 304综采面进行对比，如图7、图8进行比较），4 304综采面初采初放期间的顶板垮落较为集中，且垮落及时、严密。

图7 4 304综采面初采采空区顶板垮落统计图

图8 4 901综采面初采采空区顶板垮落统计图

通过表1 4#煤层综采面顶板垮落的统计数据比较，表明4 304综采面采空区顶板垮落进度较之其他综采面明显加快，且顶板垮落较为集中。

表1 综采面采空区顶板初采垮落统计表

4 切顶爆破对综采面初采初放瓦斯治理的影响

4.1 对工作面风量的影响

与其他4#煤层综采面情形相似，4 304综采面在推进一段距离后，由于采空区面积增加，工作面同样出现了图2所示的风量减小的情况，但工作面风速仍保持在1.0 m/s左右。与其他4#煤层综采面不同的是，由于4 304综采面采空区在推进6 m时即发生了较为彻底的垮落，且垮落后岩石堆积较为严密，工作面风量与4 304轨道巷进风量基本一致，采空区顶板的及时垮落保证了配风的有效性；同时，采空区漏风的减少，对4 304综采面上邻近层3#煤层的防灭火工作起到了积极作用。

4.2 对工作面瓦斯的影响

（1）瓦斯浓度

从4 304综采面初采初放期间的瓦斯变化情况看，整体瓦斯浓度较为稳定，除采区空顶板垮落时回风瓦斯浓度达到0.74%以外，其他时间的瓦斯浓度均在0.40%左右。(如图9所示)

图9 4 304综采面回风瓦斯浓度变化曲线图%

（2）其他地点瓦斯浓度

除4 304综采面回风瓦斯浓度稳定外，综采面初采时出现瓦斯异常设置了较高的挡矸墙（钢筋网墙体、柔模袋墙体、模斗墙体），挡矸墙铺网处和支架后立柱等地点均未出现瓦斯超限的情况。

4.3 对抽采系统的影响

综采面初采初放期间，由于采空区未垮落严密，不能形成密闭环境，造成抽采瓦斯较低，墙体压埋管抽采效果差；同时，采空区垮落不严密造成采空区过风量大，采空区空间受风流绕道不能形成瓦斯分层，不能在采空区上部裂隙带内积聚高浓瓦斯，影响裂隙带瓦斯抽采效果。4 304综采面在切眼进行切顶爆破后，采空区及时垮落，爆破增加了采空区顶板的裂隙发育，有效提高了采空区瓦斯抽采和裂隙带瓦斯抽采的效果。4 304裂隙带钻孔在工作面回采至6 m后抽采瓦斯纯量即达到5.21 m3/min，这在其他4#煤层综采面是不多见的。

5 结论及应用前景

5.1 结论

4 304综采面切眼切顶爆破加快了工作面采空区顶板垮落进度，在减少采空区悬顶面积，减少采空区瓦斯积聚空间，降低采空区顶板垮落强度，减小采空区顶板垮落时的瓦斯涌出量，提高瓦斯治理钻孔的抽采效果等方面均起到了较大的促进作用。

5.2 应用前景

由图7中4 304综采面采空区顶板垮落的情况看，采空区顶板垮落虽然较为及时，但仍有部分区段的垮落不具有连贯性，可能在采空区内形成小范围的瓦斯聚集空间。造成以上情况的原因为切眼切顶爆破的范围未覆盖整个切眼，同时，在工作面推进方向继续布置切顶炮眼（可逐渐增加每组炮眼跨度间距）直至初采初放阶段结束，以保证工作面初采初放期间采空区顶板及时垮落，提高瓦斯治理效果。（如图10所示）

图10 综采面采空区切顶炮眼布置图

综采面初采初放瓦斯治理工作对于瓦斯矿井均属于重点和难点，多数瓦斯治理措施在工作面初采初放期间由于采空区顶板不能及时垮落而无法有效实施。切眼切顶爆破措施的应用可有效加快采空区顶板垮落进度，防止采空区大面积悬顶和瓦斯积聚，增加采空区瓦斯抽采、顶板裂隙带钻孔的抽采效果，是一项切实有效的瓦斯治理手段，可广泛用于多数瓦斯矿井初采初放期间的瓦斯治理。