郭艷飛，李學(xué)臣，郝 殿

(焦作煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 科學(xué)技術(shù)研究所，河南 焦作 454002)

近年來，礦井煤與瓦斯突出事故逐步減少，但瓦斯積聚、瓦斯超限等問題仍然未得到有效解決，隨著綜合機(jī)械化開采、放頂煤開采等高強(qiáng)度開采工藝的逐步推廣，即使高突礦井實(shí)現(xiàn)了采前的抽采達(dá)標(biāo)，但回采工作面瓦斯涌出仍然會(huì)在一定程度上制約產(chǎn)能的提高和效率的提升[1，2]。在采空區(qū)漏風(fēng)等多重因素共同作用下，工作面上隅角附近采空區(qū)頂板裂隙中往往聚集大量的高濃度瓦斯，并極易涌入工作面造成上隅角瓦斯超限，迫使工作面停產(chǎn)，甚至可能釀成瓦斯爆炸等安全事故[3-5]。

焦作礦區(qū)作為嚴(yán)重的煤與瓦斯突出礦區(qū)之一，近年來形成了以底板巖巷穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯的區(qū)域瓦斯治理技術(shù)模式，瓦斯綜合治理工作取得了較為顯著的進(jìn)步[6]，使得綜采放頂煤開采工藝得以推廣應(yīng)用。工作面高位抽采也在礦區(qū)各礦井不斷實(shí)踐，采空區(qū)瓦斯治理逐步由回風(fēng)巷常規(guī)高位孔(短孔)技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)轫敯甯呶幌?、定向高位孔抽采[7，8]。古漢山礦1604工作面是焦煤公司歷史上第一個(gè)真正意義的突出煤層綜合機(jī)械化放頂煤開采工作面，為了提高煤炭資源回收率、緩解工作面采掘銜接問題，工作面采用了無煤柱沿空留巷技術(shù)和“Y”型通風(fēng)方式，采空區(qū)瓦斯運(yùn)移、高位抽采規(guī)律較以往均發(fā)生了一定變化[9-12]?；诖耍_展沿空留巷模式下綜放工作面采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律研究，分析高位巷瓦斯抽采特征及影響因素，指導(dǎo)礦井采取針對性措施，對加強(qiáng)采空區(qū)瓦斯治理有著重要意義。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

古漢山礦1604工作面位于16采區(qū)西翼，北部為16021工作面(已回采)，南部為1606工作面(未回采)，西部為界碑?dāng)鄬颖Ｗo(hù)煤柱，東部為16西翼回風(fēng)下山保護(hù)煤柱。工作面走向長度978～1010m，平均傾向長度152m，煤層賦存整體穩(wěn)定，平均厚度5.5m，平均傾角14°。工作面最大原煤瓦斯含量為28.04m3/t，瓦斯壓力1.11MPa，采取施工穿層鉆孔結(jié)合水力沖孔強(qiáng)化抽采治理，實(shí)現(xiàn)穿層鉆孔對回采區(qū)域的全掩護(hù)，累計(jì)抽出瓦斯量為3927.2萬m3，實(shí)測煤層殘余瓦斯含量最大值為5.84m3/t，計(jì)算殘余瓦斯壓力0.27MPa。工作面采取走向長壁綜采放頂煤工藝回采，利用頂板高位巷進(jìn)行采空區(qū)瓦斯治理。

1604工作面煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度4.7m、老頂為細(xì)粒砂巖，厚度7.6m；工作面煤層直接底為炭質(zhì)泥巖，厚度0.46m；老底為泥巖，厚度3.3m。結(jié)合煤系地層綜合柱狀圖，工作面頂板覆巖屬中硬類型。按照綜放開采工作面“兩帶”高度預(yù)計(jì)公式[13]計(jì)算垮落帶高度為20.50～29.92m，裂隙帶高度為54.70～77.68m(按照平均采煤厚度為5.5m計(jì)算)。結(jié)合相鄰工作面高位鉆孔抽采情況，1604工作面高位抽采巷布置于裂隙帶下部，距煤層頂板垂直距離約24m，與1604回風(fēng)巷平距約18m，設(shè)計(jì)長度876.3m，采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，半圓拱形斷面，巷寬B=4.2m，巷高H=3.6m，斷面面積S=13.71m2。

2 采空區(qū)瓦斯運(yùn)移特征

2.1 工作面漏風(fēng)規(guī)律

1604工作面正常推進(jìn)至1606工作面切眼(已掘進(jìn)成巷)位置后，采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)保留運(yùn)輸巷，作為1606工作面回風(fēng)巷。運(yùn)輸巷新鮮風(fēng)流在工作面切眼下部分流，一部分通過工作面切眼及回風(fēng)巷回至16輔助回風(fēng)巷，另一部分通過1606切眼、通風(fēng)立眼及1606底抽巷回至16總回風(fēng)巷。由于采空區(qū)并非密閉、實(shí)體空間，受采動(dòng)影響存在大量孔、裂隙[14]，為風(fēng)流流動(dòng)提供了良好的通道，采空區(qū)與采煤工作面、進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷部分或全部相鄰，不可避免地存在漏風(fēng)[9，15]。特別是沿空留巷工藝的應(yīng)用，使得采空區(qū)全部暴露在留巷巷道側(cè)，形成一種完全開放狀態(tài)[16-20]。在運(yùn)輸巷沿空留巷初期，對工作面進(jìn)、回風(fēng)路線進(jìn)行風(fēng)量測定，考察工作面漏風(fēng)規(guī)律。工作面風(fēng)流方向及風(fēng)量測定結(jié)果如圖1所示。

圖1 工作面風(fēng)流方向及風(fēng)量測定結(jié)果(m3/min)

由圖1可見，兩條線路回風(fēng)量以及高位巷抽采量三者相加結(jié)果，與工作面進(jìn)風(fēng)量基本平衡，表明此次測定結(jié)果較為準(zhǔn)確。沿空留巷段分風(fēng)量約占進(jìn)風(fēng)量的1/3，且沿程風(fēng)量逐漸降低，至1606切眼通風(fēng)立眼，累計(jì)減少風(fēng)量約100m3/min。而工作面切眼風(fēng)量自下而上波動(dòng)較大，整體呈“W”分布。在切眼下部，風(fēng)流自工作面漏入采空區(qū)，并在切眼中部恢復(fù)至初始分風(fēng)量；在切眼上部高位巷附近再次下降，并在上隅角位置附近有所增大，但整體漏風(fēng)量約150m3/min。對比工作面切眼及留巷段風(fēng)量變化，分析認(rèn)為風(fēng)流自切眼分風(fēng)后，在留巷段沿巷道上幫漏入采空區(qū)，并由切眼中上部自采空區(qū)涌入工作面；高位巷大流量抽采形成了第三條回風(fēng)線路，在一定程度上改變了采空區(qū)風(fēng)流流動(dòng)方向；工作面上隅角附近仍為采空區(qū)風(fēng)流涌出主要位置。

2.2 采空區(qū)瓦斯運(yùn)移特征

為進(jìn)一步驗(yàn)證工作面漏風(fēng)規(guī)律，考察采空區(qū)瓦斯涌出特征，工作面檢修期間，分別在運(yùn)輸巷沿空留巷外段巷道上幫及工作面切眼下部煤壁釋放SF6示蹤氣體，并在氣體釋放30min后，沿工作面切眼自下而上測定風(fēng)流瓦斯?jié)舛燃癝F6濃度等級。SF6示蹤氣體釋放點(diǎn)和檢測點(diǎn)分布如圖2所示，并根據(jù)測定結(jié)果繪制分布云圖，如圖3所示。

圖2 SF6示蹤氣體釋放點(diǎn)和檢測點(diǎn)分布

圖3 切眼風(fēng)流瓦斯?jié)舛燃癝F6濃度等級分布云圖

由圖3可見，在沿空留巷外段釋放SF6氣體后，在工作面切眼不同位置風(fēng)流中，均不同程度檢測到SF6氣體，即沿空留巷段風(fēng)流漏風(fēng)自工作面不同位置處均有涌出，但在15架、65架及85架以上位置涌出量相對較大。在切眼下部煤壁釋放SF6氣體，在切眼風(fēng)流的帶動(dòng)下逐步擴(kuò)散，沿傾向，自下而上測定濃度等級呈現(xiàn)降低趨勢，但在回風(fēng)巷端口位置附近快速升高；沿走向，整體呈現(xiàn)靠近煤壁側(cè)濃度等級高于采空區(qū)側(cè)，且工作面下部采空區(qū)側(cè)高于工作面上部，特別是55架及85架以上位置，測定濃度等級較低。對比兩次測定結(jié)果，切眼風(fēng)流在工作面下部呈現(xiàn)向采空區(qū)涌出，在工作面上部則由采空區(qū)向工作面涌出，留巷段漏風(fēng)風(fēng)流則通過采空區(qū)主要由工作面上部涌出。

與之相對應(yīng)的，工作面切眼風(fēng)流瓦斯?jié)舛确植既缦拢涸趦A向自下而上逐漸增大的同時(shí)，在走向上自采空區(qū)至工作面煤壁呈現(xiàn)逐漸變小趨勢，即工作面風(fēng)流瓦斯除去煤壁自然解吸釋放外，還包含采空區(qū)涌出較高濃度瓦斯，且該部分瓦斯為工作面瓦斯涌出主要來源，特別是上隅角附近瓦斯?jié)舛认鄬^高。分別測定檢修及生產(chǎn)期間巷道不同位置處風(fēng)流風(fēng)量及瓦斯?jié)舛扔?jì)算瓦斯涌出量。檢修期間工作面涌出量為0.54m3/min、采空區(qū)瓦斯涌出量為1.65m3/min；生產(chǎn)期間工作面涌出量為1.45m3/min、采空區(qū)瓦斯涌出量為1.85m3/min(架后放煤增大采空區(qū)瓦斯涌出)。采空區(qū)瓦斯涌出分別占工作面檢修、生產(chǎn)期間總瓦斯涌出量的75%、56%，在漏風(fēng)風(fēng)流作用下，采空區(qū)瓦斯涌出為工作面瓦斯涌出主要來源。特別是沿空留巷段漏風(fēng)風(fēng)流加大了采空區(qū)瓦斯涌出量及涌出范圍，進(jìn)一步增大了采空區(qū)瓦斯治理難度[10]。

3 高位巷抽采特征及影響因素

3.1 高位巷整體抽采特征

自2019年4月至2020年8月1604工作面回采期間，累計(jì)產(chǎn)量154.91萬t，平均月產(chǎn)量9.11萬t，最高月產(chǎn)量12.68萬t。工作面回風(fēng)巷監(jiān)測監(jiān)控濃度(T2)日平均值0.01%～0.41%，平均0.26%，計(jì)算風(fēng)排瓦斯量0.11～4.32m3/min，平均2.75m3/min。高位巷累計(jì)抽采瓦斯256.27萬m3，抽采濃度2.49%～27.18%，平均10.08%；抽采負(fù)壓1～36.24kPa，平均8.24kPa；抽采流量3.11～72.20m3/min，平均38.53m3/min；抽采純量0.18～6.40m3/min，平均3.63m3/min，占工作面總瓦斯涌出量的57.07%。較高的高位抽采純量在一定程度上減少了采空區(qū)瓦斯積聚，削弱了工作面漏風(fēng)瓦斯涌出，避免了上隅角瓦斯積聚和異常涌出現(xiàn)象，使得礦井實(shí)現(xiàn)了突出煤層消突后一次性全煤層安全開采。但高位巷在整個(gè)抽采期內(nèi)整體呈現(xiàn)大流量、低濃度抽采狀態(tài)，繪制高位巷抽采瓦斯?jié)舛日龖B(tài)分布曲線，如圖4所示。

圖4 高位巷日平均抽采濃度分布

由圖4可見，在1604回采期間(共488d)，高位巷瓦斯抽采濃度主要集中在5.75%～14.04%之間(抽采濃度區(qū)間出現(xiàn)頻次大于10次的范圍)，共計(jì)出現(xiàn)頻次為371次，占比達(dá)76.02%；高位巷抽采濃度大于10%(直接用于發(fā)電的瓦斯抽采利用濃度下限)頻次為205次，占比達(dá)42.01%。1604高位巷抽采管路直接并入礦井中央風(fēng)井，同其他工作面穿層鉆孔高濃度瓦斯混合后進(jìn)行發(fā)電，基本實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)瓦斯抽采完全利用，為礦井貢獻(xiàn)了較為可觀的瓦斯抽采發(fā)電量。但其主要濃度分布區(qū)間處于瓦斯爆炸極限范圍內(nèi)，盡管回采期間未發(fā)生異常，但高位巷抽采所存在的安全隱患及弊端顯現(xiàn)較為突出。

3.2 高位抽采影響因素分析

高位巷布置于采空區(qū)裂隙帶下部，與頂板裂隙發(fā)育集中區(qū)導(dǎo)通，通過抽采負(fù)壓和瓦斯流場共同作用，將采空區(qū)瓦斯源源不斷地導(dǎo)流至抽采管網(wǎng)的同時(shí)，也為采空區(qū)漏風(fēng)提供了流動(dòng)通道。工作面漏風(fēng)一方面增加了工作面瓦斯涌出，對回采造成一定影響，另一方面在一定程度上稀釋了采空區(qū)瓦斯，降低高位抽采濃度。高位巷抽采流量、濃度、純量隨時(shí)間變化曲線如圖5所示。由圖5可見，除回采末期(2018年7月份以后)因礦井采取控制措施降低抽采流量導(dǎo)致抽采濃度、純量均呈現(xiàn)下降趨勢外，其余時(shí)間段內(nèi)，高位巷抽采流量與濃度基本呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)變化，即隨著流量的增加，抽采瓦斯?jié)舛瘸氏陆第厔?，但抽采純量基本維持在相對穩(wěn)定水平。

圖5 高位巷抽采參數(shù)隨時(shí)間變化曲線

2019年12月—2020年3月期間，工作面頂板裂隙水與高位巷導(dǎo)通造成抽采斷面阻塞，導(dǎo)致抽采阻力增大、流量大幅下降，平均為23.99m3/min，而抽采瓦斯?jié)舛茸畲筮_(dá)到27.18%，平均15.73%。相較于其他時(shí)間段抽采流量平均為45.07m3/min，對應(yīng)抽采瓦斯?jié)舛绕骄?.73%，即在抽采流量下降約46.77%的情況下，抽采濃度提高了約1.8倍。1604工作面高位巷抽采流量與濃度、純量相對關(guān)系如圖6所示。

圖6 高位巷抽采流量與濃度、純量相對關(guān)系

由圖6可見，隨著高位巷抽采流量增大，抽采濃度持續(xù)下降，抽采純量卻提高有限。當(dāng)抽采流量在20～25m3/min時(shí)，抽采濃度整體較高，平均達(dá)到16.76%。因此，采取高位巷進(jìn)行工作面采空區(qū)治理過程中，應(yīng)合理控制抽采流量，實(shí)現(xiàn)抽采效率和效果最大化。同時(shí)，礦井應(yīng)積極采取噴漿等措施有效減少沿空留巷段漏風(fēng)，在提高高位抽采效果的同時(shí)，有效降低采空區(qū)瓦斯涌出。

5 結(jié) 論

1)采取風(fēng)量測定法及示蹤氣體法相結(jié)合的手段，分析了古漢山礦1604工作面采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律。工作面采取“Y”型通風(fēng)方式后，運(yùn)輸巷沿空留巷段漏風(fēng)加劇了采空區(qū)瓦斯向工作面涌出，采空區(qū)瓦斯涌出分別占工作面檢修、生產(chǎn)期間總瓦斯涌出量的75%、56%，進(jìn)一步增大了治理難度。

2)高位巷布置在裂隙帶下部，在一定程度上改變了采空區(qū)風(fēng)流流動(dòng)方向、削弱了采空區(qū)瓦斯涌出強(qiáng)度，但整體呈現(xiàn)大流量、低濃度抽采狀態(tài)，且隨著高位巷抽采流量增大，抽采濃度持續(xù)下降，抽采純量卻提高有限，當(dāng)抽采流量在20～25m3/min時(shí)，抽采濃度整體較高。

3)礦井采取高位巷進(jìn)行工作面采空區(qū)治理過程中，應(yīng)合理控制抽采流量，實(shí)現(xiàn)抽采效率和效果最大化。同時(shí)，礦井應(yīng)積極采取噴漿等措施有效減少沿空留巷段漏風(fēng)，在提高高位抽采效果的同時(shí)，有效降低采空區(qū)瓦斯涌出。