受沖擊動力影響工作面瓦斯治理技術(shù)體系研究

薛偉超 李艷增 許幸福

(1.煤科集團沈陽研究院有限公司瓦斯安全研究分院，遼寧省撫順市， 113122； 2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧省撫順市，113122)

瓦斯事故一直是制約煤礦安全生產(chǎn)的重大問題。隨著開采深度的增加，許多煤礦出現(xiàn)了沖擊動力現(xiàn)象。實踐和研究表明，沖擊動力現(xiàn)象能夠使工作面瓦斯異常分布，并能夠誘導(dǎo)煤與瓦斯突出等瓦斯事故，造成嚴重的災(zāi)害。袁亮、黃炳香等提出用水、CO2等做介質(zhì)進行流壓致裂等水力化措施，實現(xiàn)增透煤層和驅(qū)趕瓦斯來治理工作面瓦斯集中；陳殿賦、王栓林從鉆孔布置角度提出了工作面瓦斯治理的具體方法，但對工作面瓦斯異常涌出的問題沒有涉及；程遠平等從煤與瓦斯突出事故防治角度強調(diào)了體系的重要性，但在具體技術(shù)方面沒有提及。目前工作面瓦斯防治策略多是單純的針對瓦斯治理，少有考慮沖擊動力的影響，而且沒有完備的技術(shù)體系。

本文基于頂板巖層對煤體的沖擊動力影響分析了沖擊動力誘發(fā)工作面瓦斯異常的原理，從技術(shù)角度提出了沖擊動力影響工作面“六位一體”瓦斯防治的技術(shù)體系并在現(xiàn)場進行了應(yīng)用，有效降低了工作面瓦斯含量，防止了工作面瓦斯大量異常涌出，保障了工作面安全生產(chǎn)。

1 沖擊動力誘發(fā)工作面瓦斯異常原理

沖擊動力發(fā)生前，工作面周圍的煤巖體處于一個極限平衡狀態(tài)。在開采擾動作用下，沖擊動力發(fā)生，釋放大量彈性能，形成沖擊波，沖擊波以沖擊源為中心向周圍傳播。

本文以頂板巖層沖擊動力影響為例進行分析。當沖擊源在工作面前方時，沖擊波使直接頂及工作面前方煤體形成剪切破斷，形成剪切滑移面，頂板支撐點向深部轉(zhuǎn)移，使得工作面煤壁前方的應(yīng)力集中向深部轉(zhuǎn)移，卸壓區(qū)范圍增大；遠處煤巖體變形、破壞，產(chǎn)生大量的裂隙，形成大范圍瓦斯運移的通道，且極大地提高了煤巖體的滲透率；煤巖體破壞使得煤的溫度升高。工作面前方煤巖體裂隙場、應(yīng)力場、溫度場的這一變化使得大量吸附態(tài)瓦斯向游離態(tài)瓦斯轉(zhuǎn)化，瓦斯釋放量驟然增多。在瓦斯孔隙壓力(梯度)和瓦斯?jié)舛?梯度)的綜合作用下，煤體內(nèi)瓦斯的解吸、擴散和滲流同時進行，短時間內(nèi)大量涌入工作面，造成工作面瓦斯異常。

當沖擊源在工作面后方時，受沖擊波影響，采空區(qū)頂板處于鉸接狀態(tài)的砌體結(jié)構(gòu)急劇回轉(zhuǎn)、下沉，頂板巖塊與采空區(qū)遺煤及矸石發(fā)生完全非彈性碰撞，造成采空區(qū)瓦斯貯存空間驟然減小，并形成壓風效應(yīng)，大量采空區(qū)殘存瓦斯涌向工作面，造成工作面瓦斯異常涌出。實踐表明，沖擊動力可使工作面瓦斯涌出量增大1.22～4.74倍，甚至引起上隅角瓦斯超限。

2 沖擊動力影響工作面瓦斯治理技術(shù)體系

根據(jù)沖擊動力誘發(fā)工作面瓦斯異常涌出的原理，工作面瓦斯治理必須結(jié)合沖擊動力防治技術(shù)，加以安全管理形成體系，綜合治理，才能有效防治工作面瓦斯事故的發(fā)生。構(gòu)建了受沖擊動力影響的工作面以地質(zhì)探測為基礎(chǔ)，預(yù)測預(yù)報為前提，解危減震為手段，抽采瓦斯為根本，效果檢驗為關(guān)鍵，安全防護為保障的“六位一體”瓦斯治理技術(shù)，如圖1所示。

(1)地質(zhì)構(gòu)造探測。沖擊動力災(zāi)害往往容易在地質(zhì)構(gòu)造附近發(fā)生，沖擊動力影響工作面的瓦斯防治工作必須堅持地質(zhì)保障先行的原則。積極開展多樣化物探、精細三維地震勘探、地質(zhì)測量預(yù)警等地面地質(zhì)構(gòu)造探測工作，避免開采擾動觸動地質(zhì)構(gòu)造形成強沖擊源。

圖1 “六位一體”工作面瓦斯治理技術(shù)體系

(2)沖擊預(yù)測。沖擊預(yù)測是防治沖擊動力災(zāi)害的前提，主要包括時間、地點和規(guī)模等。

區(qū)域沖擊危險性預(yù)測。區(qū)域沖擊的危險性預(yù)測綜合考慮開采深度、頂板結(jié)構(gòu)特點、地質(zhì)構(gòu)造、附近已采工作面煤柱及回采邊界、采空區(qū)及開采區(qū)域等因素，將回采區(qū)域劃分出一般沖擊危險區(qū)、中度沖擊危險區(qū)、高度沖擊危險區(qū)。

局部沖擊危險性預(yù)測。局部沖擊危險性預(yù)測主要是以鉆屑法為代表的接觸式預(yù)測方法，以微震預(yù)測法、聲發(fā)射監(jiān)測法、電磁輻射法等地球物理方法為代表的非接觸式預(yù)測方法和監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合預(yù)測法。

在實際工作面回采過程中，還必須結(jié)合回采期間的瓦斯涌出情況和巷道圍巖變形移動情況、頂板運動規(guī)律、礦壓觀測數(shù)據(jù)及煤炮等動力現(xiàn)象情況進行沖擊危險性預(yù)測預(yù)報。

(3)防沖技術(shù)。防止沖擊動力危害的發(fā)生必須采取措施解除局部應(yīng)力集中，消除沖擊能量源。按照措施范圍可以分為區(qū)域減震技術(shù)和局部減震技術(shù)。

區(qū)域減震技術(shù)。區(qū)域減震是大范圍的、戰(zhàn)略性的減震來消除應(yīng)力集中，主要有合理的開拓布置與開采方式、開采解放層、預(yù)處理厚層堅硬頂(底)板、煤體大面積長時間高壓注水等。

局部減震技術(shù)。鉆孔爆破卸壓可以在煤巖體內(nèi)部產(chǎn)生大量的裂隙，減少集聚的彈性能，是解除局部沖擊地壓危險十分有效的技術(shù)。

(4)瓦斯抽采技術(shù)。工作面瓦斯災(zāi)害的致災(zāi)物質(zhì)是瓦斯，如何有效抽采煤層和采空區(qū)瓦斯是治理工作面瓦斯異常的根本。瓦斯抽采方法應(yīng)根據(jù)煤層賦存條件、瓦斯來源、巷道布置、時間配合、瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)、瓦斯利用要求等因素，通過經(jīng)濟和技術(shù)手段確定。

(5)效果檢驗技術(shù)。在沖擊危險區(qū)域開采時必須堅持“先解危后開采”的原則，采取措施后必須進行效果檢測，確認危險解除后方可進行采掘作業(yè)，這是保障技術(shù)體系有效的關(guān)鍵。

(6)安全防護技術(shù)。安全防護措施是“六位一體”綜合防沖與瓦斯治理的最后一道屏障，是礦工生命安全的最后保障，主要有加強工作面支護、加強工作面瓦斯監(jiān)控、加強工作面作業(yè)人員的培訓教育、加強礦工個體防護等。

3 實例分析

3.1 煤礦概況

山東唐口煤礦位于山東省濟寧市，2016年重新核定生產(chǎn)能力為4.2 Mt/a，立井開拓，中央并列抽出式通風。所采3#(3上)煤層主要為氣煤，煤層普氏硬度系數(shù)為2～3，平均厚度4.26 m。唐口煤礦5304工作面走向長1565 m，傾向長230 m，煤層底板標高-926.0～-885.4 m，地面標高+35.5～+39.5 m，綜合機械化一次采全高走向長壁后退式采煤法開采，頂板自然垮落。 5304工作面煤層及頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層及頂?shù)装迩闆r表

經(jīng)測定，煤層原煤瓦斯含量為0.73～2.58 m3/t；最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力，應(yīng)力值為36.48～38.62 MPa。再加上開采擾動大，具備發(fā)生沖擊誘發(fā)煤層瓦斯異常涌出的條件。經(jīng)觀測，沖擊動力現(xiàn)象發(fā)生的前后時間段內(nèi)，局部采場或巷道瓦斯涌出量異常變大的情況時有發(fā)生。

3.2 工作面沖擊危險性預(yù)測

經(jīng)探測可知，5304工作面有明顯的地質(zhì)構(gòu)造，且地應(yīng)力很高，3上煤層具有強沖擊性，頂、底板具有弱沖擊傾向性，工作面具有強沖擊危險。5304工作面通過鉆屑法測試鉆屑量等指標來反映煤巖體結(jié)構(gòu)中應(yīng)力集中程度，判斷工作面局部區(qū)域沖擊地壓危險性。鉆屑法沖擊地壓預(yù)測鉆孔布置如圖2所示。 沖擊地壓危險性煤粉量臨界指標見表2。

圖2 鉆屑法沖擊地壓預(yù)測鉆孔布置圖

鉆進深度/m煤粉量/kg·m-1體積/L·m-1133.5233.5333.544.55.554.55.564.55.574.55.584.55.594.55.510911

3.3 工作面沖擊地壓防治

5304工作面回采過程中受構(gòu)造、煤柱或采動影響，局部區(qū)域會出現(xiàn)沖擊地壓危險性。根據(jù)鉆屑法預(yù)測的結(jié)果，當工作面出現(xiàn)沖擊地壓危險時，采用鉆孔爆破進行卸壓，如圖3所示。

3.4 工作面瓦斯治理

5304工作面29.03%的瓦斯來自采空區(qū)，且3上煤層瓦斯含量低且透氣性不好，抽采本煤層瓦斯很難取得較好的效果。結(jié)合工程實際，確定5304工作面采用高位鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯，高位鉆孔抽采瓦斯鉆孔布置如圖4所示。

圖3 爆破卸壓鉆孔布置示意圖

圖4 高位鉆孔抽采瓦斯鉆孔布置圖

3.5 工作面沖擊及瓦斯防治效果及檢驗

以鉆屑法為主，結(jié)合微震監(jiān)測法及常規(guī)礦壓觀測等方法進行效果檢測，如果檢測指標超過臨界值，則繼續(xù)采用防沖措施和瓦斯治理措施直至指標值回到安全區(qū)間。

(1)5304工作面回采期間，沒有高能微震事件發(fā)生。

(2)高位鉆孔抽采瓦斯純量達3940 m3/d，現(xiàn)場回風隅角瓦斯?jié)舛缺３衷?.35%～0.58%，回風流瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.10%～0.26%之間，將工作面瓦斯?jié)舛瓤刂圃谳^低的安全區(qū)間內(nèi)。

3.6 工作面安全防護措施

(1)采用“幫—頂一體化非對稱支護”和高強高預(yù)應(yīng)力讓壓錨索支護技術(shù)對工作面巷道實施全斷面支護，有效防止錨索受沖擊載荷作用發(fā)生破斷。

(2)在工作面的進風巷設(shè)置甲烷傳感器，防止沖擊、震動等造成進風巷瓦斯超限，從而引起瓦斯事故。

(3)沖擊危險區(qū)域作業(yè)人員必須熟悉沖擊地壓發(fā)生的征兆、應(yīng)急措施和避災(zāi)路線；作業(yè)人員穿戴抗震背心和抗震帽等個人安全防護用品等。

4 結(jié)論

(1)基于頂板巖層對煤體沖擊動力影響，分析了沖擊動力影響工作面瓦斯異常的基本原理：沖擊動力短時間釋放大量的能量造成工作面周圍煤巖體結(jié)構(gòu)和應(yīng)力的原有動態(tài)平衡被打破，裂隙場、應(yīng)力場、溫度場改變而短時間內(nèi)釋放大量瓦斯，在瓦斯?jié)舛忍荻?、瓦斯孔隙壓力梯度雙重作用下突然涌向工作面造成工作面瓦斯異常大量涌出。

(2)從技術(shù)角度提出了以地質(zhì)探測為基礎(chǔ)，預(yù)測預(yù)報為前提，解危減震為手段，抽采瓦斯為根本，效果檢驗為關(guān)鍵，安全防護為保障的“六位一體”受沖擊動力影響工作面瓦斯治理技術(shù)。

(3)工作面回采期間，沒有高能微震事件發(fā)生，工作面沒有瓦斯異常涌出發(fā)生，回風隅角瓦斯?jié)舛仁冀K保持在0.35%～0.58%，回風流瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.10%～0.26%，保證了5304工作面安全生產(chǎn)。