高 亮，李學(xué)杰，潘吉成

(神東煤炭集團(tuán) 布爾臺(tái)煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引言

隨著淺部煤炭資源的逐漸減少甚至枯竭，地下開采的深度越來越大，面臨的問題也越來越嚴(yán)峻[1]。煤礦開采正經(jīng)歷著一個(gè)由淺到深、由簡(jiǎn)單到復(fù)雜和開采技術(shù)水平顯著提高的過程。隨著開采深度增加，煤層瓦斯壓力、瓦斯含量、地應(yīng)力加大，原來的低瓦斯、高瓦斯礦井有升級(jí)的可能。神東中心礦區(qū)多數(shù)礦井瓦斯涌出的共同特點(diǎn)是煤層原始瓦斯含量相對(duì)較低，但礦井開采強(qiáng)度大、產(chǎn)量高，導(dǎo)致礦井絕對(duì)瓦斯涌出量很大。例如，布爾臺(tái)、寸草塔、寸草塔二礦均為低瓦斯礦井，布爾臺(tái)礦絕對(duì)瓦斯涌出量達(dá)35.51 m3/min，寸草塔礦絕對(duì)瓦斯涌出量達(dá)23.99 m3/min，寸草塔二礦絕對(duì)瓦斯涌出量達(dá)14 m3/min。這3個(gè)礦均表現(xiàn)為相對(duì)瓦斯涌出量較低，絕對(duì)瓦斯涌出量較高且不均衡，隨著開采深度增加，絕對(duì)瓦斯涌出量有增大趨勢(shì)，因此這3個(gè)礦的采煤工作面嚴(yán)格按高瓦斯礦井進(jìn)行管理。低瓦斯礦井一般采用通風(fēng)方式解決工作面瓦斯問題[2]。但是采煤工作面回風(fēng)隅角瓦斯易積聚、頂板垮落易造成瓦斯?jié)舛人查g增高，仍然是這3個(gè)礦井瓦斯災(zāi)害的主要危險(xiǎn)源。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于煤礦瓦斯異常涌出做了部分研究，楊宏民等[3]提出低瓦斯煤層高強(qiáng)度開采礦井瓦斯涌出特征及分源治理措施；梁盛開等[4]對(duì)土城礦煤層瓦斯賦存規(guī)律及瓦斯涌出特征進(jìn)行的分析，提出了該礦建設(shè)高產(chǎn)高效礦井瓦斯治理途徑；陳杰等[5]研究過低瓦斯礦井瓦斯涌出異常區(qū)如何劃分與管理；柏發(fā)松[6]分析了礦井瓦斯涌出形式，特點(diǎn)及其危害；趙建華[7]在分析礦井瓦斯涌出規(guī)律的基礎(chǔ)上，提供了1套行之有效的低瓦斯礦井瓦斯異常區(qū)瓦斯治理技術(shù)。

綜上，神東礦區(qū)的瓦斯問題是威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要危險(xiǎn)源之一，未來瓦斯災(zāi)害顯現(xiàn)的頻率和嚴(yán)重程度將隨著采掘深度的增加而不斷加強(qiáng)。因此，本文以布爾臺(tái)煤礦為例，采用單元法實(shí)測(cè)了工作面瓦斯涌出特征，并分析了其受開采強(qiáng)度、風(fēng)量、煤層瓦斯含量、工作面來壓變化規(guī)律、氣候條件等相關(guān)參數(shù)的影響規(guī)律，得到影響瓦斯異常涌出的主控因素。針對(duì)布爾臺(tái)煤礦的特點(diǎn)提出了“頂板水預(yù)裂和聯(lián)絡(luò)巷插管相結(jié)合”的瓦斯治理措施。

1 礦井及主要研究煤層概況

布爾臺(tái)煤礦井田面積192.63 km2。保有地質(zhì)儲(chǔ)量31.2億t，剩余可采儲(chǔ)量18.5億t。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力2 000萬t/a。布爾臺(tái)井田范圍內(nèi)可采煤層10層：12上煤層、12煤層、22煤層、22下煤層、31煤層、42上煤層、43煤層、51煤層、52煤層、52下煤層。目前礦井現(xiàn)采煤層為22煤層、42上煤層?；夭晒ぷ髅嬷饕捎米呦蜷L(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化放頂煤采煤方法開采全部垮落法管理頂板。

布爾臺(tái)煤礦42上煤層，煤層自然厚度0.90～7.90 m，平均4.62 m。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，層位穩(wěn)定，對(duì)比可靠，屬于全區(qū)可采的較穩(wěn)定煤層。煤層原始瓦斯量為1.81～2.28 m3/t，透氣性系數(shù)為0.158 782～0.265 069 m2/MPa2·d。頂板巖性以砂質(zhì)泥巖為主，底板巖性以砂質(zhì)泥粉砂巖為主，局部為泥巖、粉砂巖。

根據(jù)2018年布爾臺(tái)煤礦礦井瓦斯等級(jí)鑒定報(bào)告結(jié)果，礦井的絕對(duì)瓦斯涌出量為35.51 m3/min，礦井的相對(duì)瓦斯涌出量為0.74 m3/t，回采工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量為4.36 m3/min，掘進(jìn)工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量為0.45 m3/min。該回采工作面為42201回采工作面、掘進(jìn)工作面為42109輔運(yùn)巷掘進(jìn)工作面，均屬于42上煤層。但是42上煤層可解吸瓦斯含量?jī)H僅為0.10～0.44 m3/t，可見這是典型的高產(chǎn)高效低瓦斯礦井回采工作面瓦斯異常涌出現(xiàn)象。

2 回采工作面瓦斯涌出特征

為探究回采工作面瓦斯涌出的實(shí)際情況，選擇布爾臺(tái)煤礦42201回采工作面，現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)跟進(jìn)測(cè)定生產(chǎn)班及檢修班在正常情況下的瓦斯涌出。

在天氣較好，正常生產(chǎn)的情況下，測(cè)定采用單元測(cè)定法，將42201回采工作面劃分為16個(gè)單元，沿工作面布置15個(gè)測(cè)定站，每個(gè)測(cè)定站布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)。然后測(cè)定每個(gè)單元的進(jìn)出單元體斷面的風(fēng)速、斷面、瓦斯?jié)舛萚8-9]。工作面單元?jiǎng)澐秩鐖D1所示。

圖1 工作面單元?jiǎng)澐质疽釬ig.1 Schematic diagram of work area unit division

瓦斯和風(fēng)量平衡示意圖如圖2所示。

圖2 瓦斯平衡和風(fēng)量平衡計(jì)算示意Fig.2 Schematic diagram of working face units division

風(fēng)量平衡方程為[10]：

式中：Qin為流入單元內(nèi)風(fēng)量；Qout為流出單元內(nèi)風(fēng)量；Q1為從采空區(qū)流入本單元內(nèi)風(fēng)量；qg為從采空區(qū)涌入本單元內(nèi)瓦斯量；qf為本單元內(nèi)煤壁、頂?shù)装寮懊簩拥耐咚褂砍隽?；c1為漏風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛龋籧in,cout為流入和流出本單元風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛取?/p>

通過推導(dǎo)上述方程組，可以計(jì)算出以下幾個(gè)參數(shù)的數(shù)值，落煤及工作面煤壁的瓦斯涌出量，42201回采工作面所對(duì)應(yīng)的采空區(qū)的漏風(fēng)量以及采空區(qū)瓦斯涌出量。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)定的數(shù)據(jù)，對(duì)42201回采工作面瓦斯涌出量進(jìn)行計(jì)算，可知：檢修班42201回采工作面采空區(qū)的瓦斯涌出量約為0.20 m3/min，煤壁及落煤瓦斯涌出量約為1.061 6 m3/min。生產(chǎn)班42201回采工作面采空區(qū)的瓦斯涌出量約為0.15 m3/min，占回采工作面瓦斯涌出量的8.1%，煤壁及落煤瓦斯涌出量約為1.704 4 m3/min，占回采工作面瓦斯涌出量的91.9%。生產(chǎn)和檢修過程中煤壁及落煤的瓦斯涌出量是布爾臺(tái)煤礦綜放工作面的主要瓦斯涌出來源。

3 瓦斯異常涌出主要影響因素

回采工作面的瓦斯異常涌出主要表現(xiàn)在時(shí)間和空間上比較突然、集中，同時(shí)涌出量不均勻、間斷[11]。影響瓦斯涌出量的主要因素有自然因素和開采技術(shù)。自然因素主要包括煤層和圍巖的瓦斯含量，開采深度和地面大氣壓力的變化；開采技術(shù)因素主要包括開采順序與回采方法、回采的速度與產(chǎn)量、落煤工藝與基本頂來壓步距、通風(fēng)壓力與采空區(qū)密閉質(zhì)量、采場(chǎng)的通風(fēng)系統(tǒng)等[12]。對(duì)于特定的礦井而言，地質(zhì)因素、開采技術(shù)、通風(fēng)方式等都是確定的，這里只需要考慮來壓、開采強(qiáng)度和大氣壓力等因素。

3.1 來壓前后瓦斯涌出量變化異常

回采工作面礦壓的變化直接影響著工作面瓦斯涌出量的變化。在煤層開采過程中，礦山壓力通過一定的形式作用在周圍煤巖體上，使煤巖體的孔隙裂隙分布、滲透系數(shù)等力學(xué)特性發(fā)生很大變化[13]。布爾臺(tái)煤礦42上煤在實(shí)際生產(chǎn)過程中，回采工作面礦山壓力顯現(xiàn)和來壓現(xiàn)象較為突出。在42105，42106，42107和42201工作面回采過程中均發(fā)生過較強(qiáng)的礦壓顯現(xiàn)情況。特別是42106工作面初次來壓時(shí)發(fā)生了較強(qiáng)烈的來壓現(xiàn)象[14]。

因此，通過對(duì)42201綜放工作面初采時(shí)瓦斯涌出量隨工作面的累積進(jìn)尺變化關(guān)系的分析，如圖3所示。

圖3 42201綜放工作面絕對(duì)瓦斯涌出量變化規(guī)律Fig.3 Change law of absolute gas emission in 42201 fully mechanized caving face

根據(jù)42201回采工作面礦壓分析報(bào)告顯示，2017年1月20日中班生產(chǎn)過程中，工作面回采至31.4 m時(shí)直接頂全部垮落；2017年1月30日夜班生產(chǎn)過程中，工作面回采至56.1 m時(shí)基本頂初次斷裂與垮落。由圖3可知，42201工作面在初采200 m的過程中，工作面的絕對(duì)瓦斯涌出量有過幾次異常的變化。第1次異常變化是直接頂初次垮落時(shí)，工作面絕對(duì)瓦斯涌出量由穩(wěn)定在1.3 m3/min左右突然增加到1.65 m3/min。第2次異常變化發(fā)生在基本頂初次斷裂與垮落時(shí)，從1月29日中班開始工作面支架增阻明顯，此時(shí)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量已經(jīng)出現(xiàn)上升趨勢(shì)；直至1月30日夜班基本頂初次來壓時(shí)出現(xiàn)峰值。隨后的幾次周期來壓時(shí)，工作面絕對(duì)瓦斯涌出量都有不同程度的增幅。

由此可見，雖然42201綜放工作面絕對(duì)瓦斯涌出量較小，符合低瓦斯礦井的條件，但是在礦山壓力顯現(xiàn)和來壓時(shí)，回采工作面絕對(duì)瓦斯涌出量均有較為明顯的異常變化。

3.2 生產(chǎn)強(qiáng)度對(duì)瓦斯異常涌出的影響

近些年隨著新工藝、新技術(shù)和新裝備在采煤領(lǐng)域的應(yīng)用，開采技術(shù)水平顯著提高，煤礦的開采強(qiáng)度也日益增大。隨之而來的各種煤礦災(zāi)害，顯現(xiàn)的頻率和嚴(yán)重程度也是逐漸增強(qiáng)。石必明[15]、趙晉強(qiáng)等[16]都闡述過開采強(qiáng)度對(duì)瓦斯涌出的影響。對(duì)于布爾臺(tái)這種高產(chǎn)高效的低瓦斯礦井而言，開采強(qiáng)度對(duì)瓦斯異常涌出和積聚的影響也是越來越大。

為表征開采強(qiáng)度對(duì)瓦斯異常涌出的影響，通過對(duì)布爾臺(tái)煤礦42201回采工作面上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)的連續(xù)1個(gè)月的跟蹤監(jiān)測(cè)。測(cè)定結(jié)果如圖4所示。

圖4 42201綜放工作面上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)隨生產(chǎn)強(qiáng)度變化規(guī)律Fig.4 Variation of gas concentration at upper corner of 42201 fully-mechanized caving face with production intensity

由圖4可知，在12月14日工作面沒有生產(chǎn)的情況下，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)下降到1個(gè)月以來的最低值為0.16%；日產(chǎn)煤量超過30 000 t的幾天，對(duì)應(yīng)的瓦斯體積分?jǐn)?shù)也同樣上升到峰值0.24%。在高強(qiáng)度的開采條件下，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)與開采強(qiáng)度的變化趨勢(shì)幾乎是一致的。開采強(qiáng)度的幾次峰值變化都引起上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)的異常，出現(xiàn)同樣的峰值變化。雖然圖4中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明上隅角的瓦斯在監(jiān)測(cè)期間并沒有出現(xiàn)超限的情況，但是開采強(qiáng)度對(duì)于瓦斯的異常涌出來說，仍然是主要的影響因素。

3.3 大氣壓力對(duì)于瓦斯異常涌出的影響

關(guān)于大氣壓力對(duì)煤礦采掘工作面或采空區(qū)的瓦斯涌出有影響與否，所有的研究人員都持肯定態(tài)度[13]。同樣對(duì)于布爾臺(tái)煤礦而言，現(xiàn)階段采、掘深度較淺，地面氣候因素，尤其是大氣壓力變化對(duì)瓦斯涌出的影響不言而喻。為此，選取2018年1月17日作為大氣壓力的監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)。為避免出現(xiàn)漏取最大值、最小值，連續(xù)24小時(shí)監(jiān)測(cè)，每5min記錄1次數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)結(jié)果使用K線圖法[17]與瓦斯涌出情況進(jìn)行比較。結(jié)果如圖5所示。

圖5 礦井大氣壓力K線圖與42201工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)對(duì)比Fig.5 Comparison of atmospheric pressure K-line diagramand gas concentration of 42201 working face

地面大氣壓力主要是通過影響煤壁和采空區(qū)瓦斯涌出從而影響工作面瓦斯涌出。大氣壓力下降，外界壓力小于煤壁內(nèi)部壓力，瓦斯向外界涌出，瓦斯?jié)舛壬?；反之，隨著大氣壓力升高，外界壓力大于煤壁內(nèi)部壓力，瓦斯涌出受限，濃度降低。通常情況下，大氣壓力在波動(dòng)變化時(shí)對(duì)瓦斯異常涌出呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系[18]。

但是，從圖5可以看出，42201工作面的瓦斯?jié)舛容^低，且在總體趨勢(shì)上并不是完全的與大氣壓力呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。那就說明在這一過程中還有其他因素影響，哪種因素對(duì)瓦斯涌出影響更大，需要詳細(xì)分析。8時(shí)之后，井下會(huì)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況停機(jī)檢修一段時(shí)間。根據(jù)分析，此時(shí)大氣壓力下降會(huì)引起煤壁瓦斯涌出增大，采煤機(jī)停機(jī)會(huì)引起瓦斯?jié)舛葴p小，而實(shí)際的瓦斯?jié)舛仁菧p小了，說明采煤機(jī)工作與否即生產(chǎn)強(qiáng)度對(duì)瓦斯涌出的影響要大于大氣壓力的影響。

4 高產(chǎn)高效低瓦斯礦井回采工作面瓦斯異常涌出的治理措施

綜放工作面瓦斯防治常采用加強(qiáng)通風(fēng)的方法解決工作面瓦斯涌出問題[19]。隨著綜合機(jī)械化放頂煤技術(shù)的應(yīng)用，綜放工作面開采強(qiáng)度大、生產(chǎn)集中，采煤工作面瓦斯涌出表現(xiàn)出了速度快、較集中和極不均衡等特點(diǎn)。由于綜放工作面采高較大、走向較長(zhǎng)、易形成較大面積的采空區(qū)，在頂板周期來壓時(shí)，常造成煤壁瓦斯涌出增加。同時(shí)，工作面推進(jìn)速度較快，生產(chǎn)強(qiáng)度大，極易造成上隅角瓦斯超限[20]。通過瓦斯來源分析可知，42201綜放工作面瓦斯主要來源為本煤層煤壁瓦斯涌出，開采落煤瓦斯涌出。

針對(duì)布爾臺(tái)煤礦42上煤層透氣性差、礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈等實(shí)際情況，對(duì)布爾臺(tái)煤礦綜放工作面采取頂板定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂強(qiáng)制放頂和聯(lián)巷插管或煤柱大直徑鉆孔橋接采空區(qū)的瓦斯抽采綜合防治措施。

4.1 頂板定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂強(qiáng)制放頂

42201工作面基本頂堅(jiān)硬，直接頂垮落后不能充滿采空區(qū)，造成基本頂懸頂，回采期間工作面中部-回風(fēng)巷范圍發(fā)生強(qiáng)烈礦壓顯現(xiàn)。為降低工作面來壓時(shí)煤壁瓦斯涌出量，同時(shí)保證工作面安全回采，需提前對(duì)基本頂進(jìn)行預(yù)壓裂。因此，采用頂板定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂方法弱化工作面頂板巖層，通過42201輔運(yùn)巷向工作面頂板布置鉆孔，通過分段壓裂施工技術(shù)弱化頂板巖層整體性，減小來壓步距和來壓強(qiáng)度[21]。頂板定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂示意圖如圖6所示。

圖6 頂板定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂示意Fig.6 Schematic diagram for segmental hydraulic fracturing of roof directional long borehole

實(shí)施頂板長(zhǎng)鉆孔分段水預(yù)裂后，利用礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)頂板支架壓力進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，收集支架壓力實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，采用回采進(jìn)入壓裂施工區(qū)域前后的時(shí)空對(duì)比方法，對(duì)頂板壓裂弱化效果進(jìn)行了分析。通過分析，壓裂施工后頂板來壓強(qiáng)度明顯降低，最高壓力由59.1 MPa降低至48.0 MPa，來壓步距由44～46 m降低至23 m左右，整體超過40 MPa的來壓范圍明顯降低，尤其是1次見方位置，除40支架對(duì)應(yīng)的上覆22煤層遺留集中煤柱極少部分出現(xiàn)40 MPa以上來壓，其余位置來壓不明顯。

頂板長(zhǎng)鉆孔分段壓裂技術(shù)能夠有效地弱化頂板巖層整體性，減小來壓步距，減少來壓次數(shù)，顯著降低來壓強(qiáng)度。從而，減少基本頂初次來壓以及回采期間周期來壓時(shí)，強(qiáng)烈的礦壓顯現(xiàn)對(duì)煤壁瓦斯涌出的影響。

4.2 聯(lián)巷插管或煤柱大直徑鉆孔橋接采空區(qū)的瓦斯抽采

對(duì)于生產(chǎn)強(qiáng)度較大造成的上隅角瓦斯異常集中問題，依靠降低綜放工作面生產(chǎn)效率解決是不現(xiàn)實(shí)的。雖然布爾臺(tái)煤礦不需要建立地面的永久抽采系統(tǒng)或井下的臨時(shí)抽采系統(tǒng)。但布爾臺(tái)煤礦曾經(jīng)多次出現(xiàn)上隅角瓦斯超限，造成斷電停產(chǎn)，威脅煤礦人員的生命安全。因此，上隅角瓦斯治理是重中之重。對(duì)于上隅角瓦斯治理，利用聯(lián)絡(luò)巷插管或煤柱大直徑鉆孔橋接的局部抽采方法。在42202輔運(yùn)巷，通過聯(lián)絡(luò)巷向42201主運(yùn)巷施工大直徑鉆孔。隨著采煤活動(dòng)的延續(xù)，封閉聯(lián)巷，在上隅角后部采空區(qū)形成1個(gè)負(fù)壓區(qū)域，從而改變瓦斯運(yùn)移的方向，避免出現(xiàn)瓦斯積聚的情況。

聯(lián)巷插管或煤柱大直徑鉆孔橋接示意圖如圖7所示。選擇測(cè)風(fēng)當(dāng)天檢修班和生產(chǎn)班，對(duì)42201綜放工作面上隅角瓦斯抽采效果進(jìn)行測(cè)定。

圖7 聯(lián)巷插管或煤柱大直徑鉆孔橋接示意Fig.7 Schematic diagram of connecting lane pipe laying or coal pillar large-diameter borehole bridging

由測(cè)定結(jié)果可知，生產(chǎn)班上隅角聯(lián)巷插管抽采瓦斯量相對(duì)于當(dāng)天的檢修班上隅角瓦斯抽采量大。說明由于生產(chǎn)班生產(chǎn)強(qiáng)度較大，落煤迅速，導(dǎo)致上隅角瓦斯快速聚集。其中，聯(lián)巷插管瓦斯抽采效果如圖8所示。

圖8 上隅角瓦斯抽采量與風(fēng)排瓦斯量對(duì)比Fig.8 Comparison between quantity of gas extraction at upper corner and volume of gas in wind

由圖8可知，上隅角瓦斯抽采量為2.70～3.79 m3/min，平均為3.25 m3/min，風(fēng)排瓦斯量為1.61～1.69 m3/min，平均為1.65 m3/min。上隅角瓦斯抽采量占總瓦斯涌出量的比例為62.65%～69.16%?？梢钥闯?，聯(lián)巷插管或煤柱大直徑鉆孔橋接采空區(qū)抽采瓦斯效果明顯。

5 結(jié)論

1)通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，高產(chǎn)高效低瓦斯礦井回采工作面煤壁及落煤是瓦斯涌出的主要來源，而采空區(qū)瓦斯涌出不明顯。

2)頂板來壓主要影響煤壁瓦斯涌出，開采強(qiáng)度主要影響落煤瓦斯涌出，二者是導(dǎo)致高產(chǎn)高效低瓦斯礦井回采工作面瓦斯異常涌出的主要因素。同時(shí)，通過對(duì)比還發(fā)現(xiàn)，高產(chǎn)高效低瓦斯礦井地面大氣壓力對(duì)工作面瓦斯涌出的影響程度遠(yuǎn)小于開采強(qiáng)度。

3)對(duì)存在煤層透氣性差、開采強(qiáng)度大、礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈等現(xiàn)象的礦井來說，采用頂板定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂強(qiáng)制放頂技術(shù)能有效減少來壓次數(shù)并降低來壓強(qiáng)度，而采用聯(lián)巷插管或煤柱大直徑鉆孔橋接采空區(qū)的瓦斯抽采技術(shù)可有效控制上隅角瓦斯超限現(xiàn)象的發(fā)生。