基于极近距离煤层综放工作面回风隅角瓦斯治理研究

崔永乐

(国能神东煤炭集团有限责任公司，陕西 榆林 719315)

0 引 言

相对于单一煤层或其他煤层群开采，开采极近距离煤层低瓦斯综放工作面时，近距离煤层群在重复采动条件下，覆岩破坏、裂隙发育、瓦斯分布运移复杂、工作面回风隅角瓦斯超限等现象常有发生[1-3]。生产实践表明，在处理瓦斯聚积形成瓦斯超限而影响矿井安全生产问题时，采用单一的瓦斯抽采方法得到瓦斯治理效果非常有限，不能满足煤矿安全、高效生产的要求[4-8]。由于不同矿井地质构造及煤层、瓦斯赋存具有不可重复性，因此针对一个煤层群开采的特定矿井，研究适合自身条件、能够解决自身在开采过程中瓦斯超限问题的一套综合瓦斯治理措施具有重大意义[9-11]。针对上述问题，本文以某煤矿EIN56-5工作面为工程背景，分析瓦斯超限原因，确定合理瓦斯抽采方法，并利用数值模拟方法分析合理抽采参数，旨在提高瓦斯抽采效果，杜绝工作面回风隅角瓦斯超限，为极近距离煤层群开采回风隅角瓦斯治理提供参考。

1 工程概况

某煤矿为低瓦斯矿井，主要开采6煤层组(6煤层组分为6-2煤层、6-3煤层、6-4煤层、6-5煤层、6-6煤层、6-7煤层、6-8煤层、6-9煤层)，煤层间距0.17～45.00 m，属极近距离煤层群开采，6煤层组岩层特征见表1。EIN56-5工作面开采6-5煤层，该煤层平均开采厚度4.85 m，煤层倾角3°～10°，煤层较硬，硬度系数f值在2～3之间，瓦斯含量为1.22 m3/t。6-5煤层直接顶板为含砾砂岩，平均厚度17.9 m；底板以泥岩为主，平均厚度0.25 m。工作面走向长955.3 m，倾斜长126.0 m，综合机械化放顶煤开采，垮落法管理顶板，“U”型通风方式。工作面上部为6-3煤层采空区，下部为未开采实体煤。工作面初采期间采取了本煤层顺层钻孔抽采、下邻近层穿层钻孔卸压拦截抽采和采空区埋管抽采相结合的综合瓦斯治理措施，但在工作面推进到28 m时，回风隅角发生瓦斯超限，浓度为1.26%。

表1 6煤层组煤岩层特征

2 回风隅角瓦斯超限影响因素分析

工作面瓦斯超限与工作面通风方式、顶板垮落、邻近层涌入、地质构造及瓦斯抽采效果等因素相关。

1) 采空区漏风。对于“U”型通风方式的工作面，瓦斯流场具有一定的规律。某煤矿EIN56-5工作面采空区瓦斯流场规律为：沿走向方向，采空区瓦斯流场为抛物线状态，越远离工作面，瓦斯浓度越大，在靠近EIN56-5工作面进风巷一侧的采空区，瓦斯浓度在采空区深部升高较快；沿倾向方向，采空区瓦斯流场为直线状态，EIN56-5工作面采空区回风巷一侧是瓦斯浓度较高的区域。工作面风流分两部分，一部分直接经过工作面流过，另一部分流入采空区，经过采空区后再回到工作面上部及回风隅角，回风隅角风流流速较慢，容易形成漩涡，大量瓦斯在此积聚，无法被风流带入回风巷[12-13]。“U”型通风的漏风流流线示意图如图1所示。

图1 “U”型通风的漏风流流线示意图

2) 坚硬顶板。6-5煤层赋存约17.9 m的坚硬砂岩顶板，不易垮落。一方面造成回风隅角难以有效封堵，埋管抽采不能有效发挥作用，造成回风隅角瓦斯积聚乃至超限；另一方面，坚硬砂岩顶板悬露过长，一旦垮落，采空区高浓度瓦斯突然压出，超出风排能力，造成回风隅角瓦斯超限，甚至造成工作面系统性超限[14]。

3) 邻近煤层及老空区瓦斯涌入。EIN56-5工作面开采时，除本煤层瓦斯涌出外，还有因采动影响，在工作面顶底板的一定范围内形成大量的裂隙，这些裂隙给上覆6-4煤层、6-3煤层采空区以及下伏的6-6煤层、6-7煤层、6-8煤层、6-9煤层的卸压瓦斯涌到EIN56-5回采工作面提供了通道和空间，在抽采负压及通风负压作用下，邻近层卸压瓦斯及老空区瓦斯会涌入EIN56-5工作面采空区。

4) 抽采措施不合理。工作面初采期间采用底板穿层钻孔、煤层顺层钻孔及回风顺槽埋管的瓦斯抽采措施。在工作面进风顺槽每10 m施工一个顺层钻孔，钻孔深度70 m，抽采本煤层瓦斯；每50 m施工一组底板穿层钻孔，每组3个钻孔，终孔位置为穿过下部6-7煤层，抽采下部煤层卸压瓦斯。在回风顺槽敷设管路，采用埋管的方法抽采采空区瓦斯。通过对顺层钻孔及底板穿层钻孔单孔的瓦斯抽采参数测定，钻孔抽采浓度基本为0%，埋管抽采瓦斯浓度平均为1.2%。经研究可知，工作面回采期间瓦斯主要涌出源为上部老空瓦斯，而并非本煤层及邻近层瓦斯涌出。初采期间，由于工作面顶板及回风顺槽尾巷垮落不及时，回风隅角没有进行有效封堵，埋管抽采浓度较低，瓦斯抽采效果不佳，造成回风隅角瓦斯超限。

3 采动覆岩结构变化数值模拟

工作面煤层开采过程中，采动覆岩结构的变化及裂隙的发育是影响瓦斯涌出的根本因素。通过数值模拟方法可以直观地观察在开采过程中上覆岩层的变化过程，并对“三带”高度进行估算测量，研究裂隙等发育变化规律，为钻孔设计及埋管等抽采瓦斯治理措施的制定提供理论基础[15]。利用UDEC数值模拟软件对EIN56-5综放工作面开采过程中覆岩破坏过程进行模拟。

3.1 数值模型建立

EIN56-5工作面地质赋存较为简单，根据具体赋存情况及煤岩力学性质建立计算模型，并赋予各煤岩层相应力学参数见表2。模型走向长200 m，垂直高72.79 m，模拟采深为500 m。模拟煤层为近水平煤层，模型计算边界条件为模型底部边界固定，左右边界水平方向固定，上部边界为自由边界。由于未直接模拟到地表，上部施加荷载，并考虑重力梯度，而水平应力为侧压力系数乘以垂直应力。考虑到消除边界效应，在左右边各留设了60 m的保护煤柱后，继续对模型开挖，开挖总长为80 m，每次推进距离为8 m。物理模型如图2所示。

表2 煤岩层物理力学参数

图2 物理模型

3.2 采动覆岩结构破坏过程

鉴于篇幅有限，根据软件生成的覆岩垮落破坏及裂隙变化情况，选取图像清晰、变化明显、具有代表性的几组模拟图像，分析讨论工作面上覆岩层“三带”变化及裂隙发育规律。工作面推进16 m、32 m、48 m、80 m时煤岩变形破坏情况如图3所示。

由图3(a)～图3(d)可知，在工作面回采初期，上覆岩层还处于相对稳定的状态，没有较大幅度的变形和破坏；当工作面回采至32 m时，基本顶变形形态相对明显，工作面顶板初次断裂，裂隙在纵向、横向上不断发育，以纵向裂隙为主的发育已于上覆煤岩出现连通，形成了能供瓦斯运移的通道；当工作面推进至48 m时，顶板大面积垮落明星，上覆岩层的形变从下而上不断发展，裂隙、断裂等破坏形式相继发生，形成瓦斯流动的良好通道；回采到80 m时，“三带”的发育范围逐渐趋于稳定，高度和区域动态形成了一个比较合理的区间。由图3可以初步判断，在研究范围内EIN56-5综放工作面，垮落带最大高度为8.95 m，裂隙带最大高度为20.33 m，厚度达17.9 m的砂岩为关键层，其上覆岩属整体弯曲下沉带。

图3 煤岩变形破坏情况

3.3 工作面应力分布特征

图4(a)～图4(d)分别为工作面推进16 m、32 m、48 m、80 m时煤岩应力分布云图。在回采初期，只在煤层顶板及底板形成一定范围的卸压区，而在切眼及工作面煤壁附近出现了应力集中。随工作面的推进，煤壁附近应力集中的程度和范围逐渐增大，而在煤层顶板及底板会形成间隔不等的卸压区和应力升高区，这对应初次来压及周期来压期间，采场老顶或上部关键层断裂时在采场采空区触矸的部位。

图4 煤岩应力分布情况

为了确定煤壁支承影响区、离层区、重新压实区的范围，在距6-9煤层、6-8煤层、6-7煤层、6-6煤层、6-5煤层顶板煤岩交界处，6-4煤层、6-3煤层、6-2煤层底板煤岩交界处设置一条观测线，考察顶底板上的支承压力分布规律。通过提取工作面推进80 m时测线测点应力值，分别绘制了6-6煤层、6-7煤层、6-8煤层、6-9煤层顶板煤岩交界测线测点的应力变化曲线，如图5所示。

图5 推进80 m时底板应力变化曲线

由图5可知，在EIN56-5工作面下方形成了应力升高区，最高值位于距工作面10～15 m处，且随着距作用位置距离的增加而逐渐衰减和扩散。工作面后方卸载范围达35 m左右，其中距工作面后方20 m处卸压超过90%。由此可见，支承压力对与6-5煤层相距仅2～3 m的6-6煤层会产生很大影响，使其先后经历支承压力大幅升高和下降，使底板产生导气裂隙带，6-6煤层瓦斯涌入EIN56-5工作面采空区。由图5的煤层应力变化曲线可推测划定工作面后方自燃“三带”，其中工作面后方0～25 m为散热带，25～70 m为升温氧化带，70 m以内为窒息带，如图6所示。因此，工作面埋管步距可确定为20～25 m处可提高埋管瓦斯抽采效果。

图6 工作面“三带”分布

4 工作面回风隅角瓦斯治理

根据EIN56-5工作面瓦斯超限原因并结合工作面实际地质及开采情况，提出“分阶段，差异化”的瓦斯治理思路。分阶段即为将工作面瓦斯治理分为采前阶段、初采阶段、正常回采阶段；差异化即为不同阶段采取不同的瓦斯治理措施。

1) 采前阶段。EIN56-5工作面上部存在6-4煤层及6-3煤层采空区，由于煤层层间距近，若不对上部老空区瓦斯提前抽采，工作面回采阶段尤其是初采阶段，上部老空区瓦斯在通风负压及抽采负压的作用，容易在工作面回风隅角积聚。因此，工作面采前阶段采用提前施工抽采钻孔抽采老空区(巷)瓦斯，并结合风排的瓦斯综合治理措施。

2) 初采阶段。工作面回采初期，采空区及回风隅角难以垮实，伴随系统性漏风，回风隅角是瓦斯治理的重点区域。主要采用高(低)位钻孔+埋管+风排的瓦斯治理方案，其中，高位钻孔抽采裂隙带瓦斯，低位钻孔抽采冒落带及回风隅角瓦斯；埋管抽采对高(低)位钻孔作以补充。

3) 正常回采阶段。工作面顶板已进入周期性垮落阶段，工作面上部及回风隅角部分漏风较小，根据以往工作面瓦斯治理实际，埋管抽采已能满足工作面瓦斯治理需要。正常回采阶段采取回风顺槽埋管并结合风排的综合治理措施对回风隅角瓦斯超限进行治理。“分阶段，差异化”瓦斯治理总体思路如图7所示。

图7 “分阶段，差异化”瓦斯治理

4.1 老空区瓦斯抽采

EIN56-5工作面上覆6-3煤层采空区，间距较近，为防止上覆采空区瓦斯在通风负压和抽采负压的作用下涌向EIN56-5工作面，造成回风隅角或工作面瓦斯超限。在回风顺槽顶板每间隔30 m施工一组垂直巷道顶板的穿层钻孔，每组2个钻孔，钻孔孔径Φ75 mm，组内间距1 m，以穿透6-5煤层上覆岩层为止，钻孔施工完毕后，进行联孔抽采。

4.2 顶板高(低)位走向钻孔瓦斯抽采

为了有效解决正常回采期间采空区瓦斯、冒落带和裂隙带的瓦斯，在采用悬挂风障的同时，采用高位钻孔抽采裂隙带的瓦斯，采用低位钻孔抽采垮落带和采空区的瓦斯[16-17]。根据EIN56-5工作面地质情况及开采条件，并结合数值模拟“三带”范围的确定，在EIN56-5工作面回风顺槽下帮每隔50 m布置一组抽采钻孔，每组钻孔布置2排，每排5个，第一排(低位钻孔)控制高度为6-5煤层顶板8 m，第二排(高位钻孔)控制高度为6-5煤层顶板16 m，控制范围以EIN56-5工作面采面上段倾向方向35～40 m范围，钻孔沿工作面走向压茬长度不小于20 m，钻孔封孔采用“两堵一注”封孔方法[18]，封孔长度不小于8 m，注浆压力不小于1 MPa。

4.3 埋管抽采

合理的埋管深度是提高瓦斯抽采浓度及解决回风隅角瓦斯抽采的关键[19]。根据矿井瓦斯抽采经验及对埋管深度的不断调试，并结合数值模拟采空区后方应力分布情况，确定埋管步距。在EIN56-5工作面沿回风顺槽上帮设一趟瓦斯抽采管道，抽采管道每隔18～36 m安装一个Φ25 cm三通管件，三通管件上安装Φ25 cm蝶阀等组件，作为埋入采空区的过渡管连接口，过渡管长度设计为20～25 m。随着工作面的推进，当过渡管进入采空区时，打开过渡管蝶阀进行调节抽采。

4.4 治理效果

EIN56-5工作面回风隅角瓦斯超限后，通过瓦斯超限原因分析，强化瓦斯抽采措施、优化瓦斯抽采参数，不仅提高了工作面瓦斯抽采效果，而且确保了工作面的安全回采。通过对上部老空区间歇性抽采，上部老空区瓦斯浓度由65%降至9%；工作面从28 m推采至100 m范围初采阶段，瓦斯抽采量稳定在4.46～5.15 m3/min，回风隅角瓦斯浓度未超过0.7%，并随着抽采的持续性逐步降低；正常回采阶段该阶段工作面共推进100～795 m，回风隅角瓦斯浓度0.12%～0.48%，回风瓦斯浓度0.14%～0.54%，瓦斯抽采率平均为77%，工作面日推进度由3 m/d提高至7 m/d。回风隅角及回风流瓦斯浓度变化曲线，如图8所示。

图8 回风隅角及回风流瓦斯浓度变化曲线

5 结 论

1) 分析了瓦斯超限原因。结合EIN56-5工作面瓦斯地质赋存情况、通风方式及瓦斯抽采等因素进行分析，确定EIN56-5工作面瓦斯超限是由6-5煤层上覆高瓦斯浓度老空区，层间距近，工作面上覆坚硬顶板，瓦斯抽采措施不合理等多种因素耦合造成的。

2) 模拟确定了工作面竖向“三带”高度及自燃“三带”宽度。通过UDEC数值模拟分析，综合确定EIN56-5工作面垮落带最大高度为8.95 m，裂隙带最大高度为20.33 m；工作面前方应力峰值区在10～15 m；工作面后方0～25 m为散热带，25～70 m为升温氧化带，70 m以内为窒息带，

3) 根据极近距离煤层赋存特点及瓦斯超限原因分析，制定了“分阶段，差异化”的瓦斯治理思路。工作面回采期间，回风隅角及回风流瓦斯未发生瓦斯超限，工作面日推进度由3 m/d提高至7 m/d，瓦斯抽采率达到77%，确保了工作面安全回采。