雙切頂成巷條件下采空區瓦斯綜合治理體系研究

劉玉平,年 軍,趙 博,呂曉波,鄧春生

(1.華晉焦煤有限責任公司 沙曲一號煤礦,山西 呂梁 033300; 2.太原理工大學 安全與應急管理工程學院, 山西 太原 030002; 3.山西焦煤集團有限責任公司 博士后工作站,山西 太原 030021)

目前沿空留巷主要工藝技術有充填法(高水材料巷旁充填、膏體材料巷旁充填、柔?；炷料锱猿涮?、矸石混凝土巷旁充填)和切頂成巷等工藝技術[1-2]。切頂沿空留巷開采是近幾年興起并逐漸被推廣的無煤柱開采技術,尤其在低瓦斯、薄及中厚煤層條件下的沿空切頂成巷技術已得到大范圍推廣[3-6]。采動覆巖裂隙是瓦斯運移的通道及積聚空間,研究有關其演化的手段主要包括數值模擬、相似模擬、理論分析、現場測定等[7-11]。對于覆巖采動裂隙動態分布規律的研究,劉天泉院士等提出“橫三區”、“豎三帶”的認識;錢鳴高院士等基于關鍵層理論,提出煤層開采后上覆巖層采動裂隙呈兩階段發展規律并形成“O”形圈分布特征。瓦斯運移積聚規律為瓦斯高效抽采提供了理論支撐。周世寧等認為,在煤層中滲流的瓦斯運移符合達西定律,該理論是將煤層看成多孔介質,且在大尺度范圍內煤層可以視為均勻分布的虛擬連續介質,這深刻地影響著我國對煤層內瓦斯流動的研究[12-14]。然而,目前對于厚煤層大采高、煤與瓦斯突出等復雜條件下采空區瓦斯的綜合治理體系仍然缺少一定的研究。為此,本文采用理論分析、數值模擬和現場實測相結合的方法對其進行研究,為后期雙切頂成巷條件下采空區瓦斯治理提供科學依據。

1 雙切頂成巷條件下采空區覆巖破壞與裂隙發育理論分析

4502綜采工作面為山西華晉焦煤沙曲一礦五采區3+4號煤層首采工作面(圖1),4502工作面膠帶巷、軌道巷同時進行切頂卸壓成巷(圖2),工作面切頂角度設定為15°,切縫斜長為13.5 m。在4502膠帶巷進行切頂沿空成巷,作為4503工作面膠帶巷;在4502軌道巷進行切頂沿空成巷,作為4501工作面軌道巷。4502工作面回采時,4502軌道巷為主進風巷,4502膠帶巷為輔助進風巷。4502工作面軌道巷長1 107 m,膠帶巷長1 095 m,切眼長220 m,煤層平均厚度4.2 m。采用傾斜長壁后退式采煤方法,綜合機械化一次采全高采煤工藝,全部垮落法控制頂板。

圖1 4502工作面布置示意Fig.1 Layout diagram of No.4502 working face

圖2 現場切頂示意Fig.2 Schematic diagram of on-site roof cutting

使用Palchik碎脹系數推導綜放工作面垮落帶最大高度計算模型為:

(1)

根據采動影響下覆巖層的運動和破壞特征,綜放開采裂隙帶高度相應計算模型為:

(2)

將數據代入公式計算得,沙曲一礦3+4號煤頂板裂隙垮落帶最大高度為5.03～17.89 m;頂板裂隙帶最大高度33.79～60.00 m。

煤層開采后采場中形成采動空間,破壞了圍巖的原始應力平衡及分布狀態,受二次應力影響,圍巖發生垮落、斷裂和變形。采場上覆巖體結構的砌體梁模型將上覆巖層的變形、移動和破壞沿垂直方向分為彎曲帶、裂隙帶及垮落帶,沿煤層走向分為煤柱支撐區、離層區及壓實穩定區;根據冒落巖體的破壞特性及堆積狀態,又可將冒落帶沿采空區走向分為自然堆積區、載荷影響區和重新壓實區。貫通的豎向裂隙是瓦斯等氣體涌入工作面的通道,也稱其為導氣裂隙。導氣裂隙只在覆巖的一定高度范圍內發育,其最大發育高度與采高和巖性有關。在開采初期,下位關鍵層的破斷對導氣裂隙自下而上發展的動態過程起控制作用。導氣裂隙高度自下而上發展是非勻速的,隨關鍵層的破斷而突變。當采空區面積達一定值后,導氣裂隙分布呈現“O”形圈特征,它是正?；夭善陂g鄰近層卸壓氣體流向采空區的通道(圖3—圖5)。

圖3 4502工作面雙切頂成巷模型Fig.3 Model of double-cut roof and roadway forming in No.4502 working face

圖4 應力分布Fig.4 Stress distribution

圖5 塑性區域分布Fig.5 Distribution of plastic regions

2 雙切頂成巷條件下采空區瓦斯運移分析

普遍將采空區冒落煤巖看作多孔介質。根據雙重介質模型理論,在采動區域內影響流體滲透率的主要是采動裂隙,原始孔隙的滲透率要比采動裂隙低好幾個數量級。因此,采動裂隙是采空區內風流流動的主要通道。冒落煤巖采動裂隙的滲透率是反映采空區內氣體流動難易的參數,原始孔隙的滲透率對于采空區氣體流動影響不大。4502工作面采空區數值模擬物理模型參數:膠帶巷寬4.5 m、高4.3 m;軌道巷寬4.5 m、高4.3 m;工作面長300 m、寬220 m、高4.5 m;采空區垮落帶長300 m、寬220 m、高10 m;裂隙帶長300 m、寬220 m、高30 m。

4502工作面采空區瓦斯運移集聚模型如圖6所示。

圖6 4502工作面采空區瓦斯運移集聚模型Fig.6 Gas migration and accumulation model in goaf of No.4502 working face

3 4502工作面采空區瓦斯綜合治理技術

3.1 高位定向長鉆孔抽采采空區瓦斯

為控制采空區瓦斯向留巷回風巷道溢出,設計在4502軌道巷距開口平距806、485、189 m處南側幫3個鉆場及4502軌道材料斜巷,在鉆場內成組形式沿4502軌道巷傾向布置超高位定向長鉆孔,采空區頂板跨落后,超高位鉆孔仍在采區后邊起到牽制瓦斯向回風巷涌出的作用。采用“開孔扇形、終孔平行方式”布孔,施工采用開孔后先穿層至目標采高層位、后按照目標方位角和煤層傾角順目標采高層位定向施工至設計孔深的鉆進工藝,每個鉆場布置3個鉆孔,共布置12個高位定向長鉆孔,鉆孔深度平均279 m,鉆孔終孔直徑不小于105 mm。每組相鄰鉆孔開孔間距為1 m,終孔間距5 m。

4502工作面定向超高位鉆孔截流抽采30 d,采空區瓦斯濃度分布如圖7所示。

圖7 定向超高位長鉆孔抽采瓦斯濃度分布Fig.7 Distribution of gas concentration in directional ultra-high level long borehole extraction

高瓦斯分布區域范圍減小,靠近工作面附近區域瓦斯濃度明顯降低,整個采空區范圍內高瓦斯分布區域占1/2左右,且上隅角瓦斯分布范圍也在減小。采空區中高瓦斯分布區域僅在深部裂隙帶處存在,工作面上隅角瓦斯達到安全生產的要求,且加上整個采空區空間處于低瓦斯范圍,大大降低了采空區向工作面涌出瓦斯的現象,保證了整個采掘空間的安全生產。

3.2 采空區留巷頂管抽采采空區瓦斯

4502工作面頂管抽采30 d瓦斯濃度分布如圖8所示。結果表明,4502工作面頂管抽采效果顯著,靠近兩側巷道位置瓦斯濃度衰減明顯,但同時也發現,受到鉆孔深度的影響,頂管抽采主要解決了靠近開切眼位置瓦斯的積聚問題,對深部中央位置的瓦斯積聚仍然無法解決。由于采動裂隙滲透率較高、瓦斯壓力較大,使得瓦斯在多孔介質巖體內部流動比較困難,瓦斯源涌出的瓦斯主要沿著采動裂隙通道運移,采動裂隙對卸壓瓦斯運移起到了導向性作用。瓦斯從巖體裂隙散發后,首先在離層裂隙區內部運移,隨著離層裂隙區瓦斯濃度逐漸增高,卸壓瓦斯優先向瓦斯優勢通道處運移,因瓦斯優勢通道及頂部瓦斯水平流動通道內裂隙最為密集連通,且滲透率高易于瓦斯流動,瓦斯很快向通道內裂隙網絡處富集直至充滿整個裂隙網絡通道,并涌進工作面。同時可以看到,采空區中部雖然被壓實,但存在較多的閉合裂隙,相比于巖石基質瓦斯更容易在裂隙中流動,隨著瓦斯濃度的逐漸增大,瓦斯以貫通的采動裂隙為基點,逐漸向多孔介質巖體內部及一些微觀貫通裂隙中運移。

圖8 4502工作面瓦斯涌出點跟管導流模擬結果Fig.8 Simulation results of gas emission point and pipe diversion in No.4502 working face

3.3 采空區后部切眼鉆孔引流抽采瓦斯

采用后部切眼鉆孔引流抽采瓦斯30 d效果如圖9所示。在采用后部切眼鉆孔引流對采空區裂隙帶中煤層瓦斯進行抽采后,采空區內瓦斯分布范圍發生明顯變化。與未抽采時相比,靠近工作面區域瓦斯濃度降低。采用后部切眼鉆孔引流在采空區裂隙帶內實現瓦斯抽采,隨抽采作業的進行,整個采空區區域瓦斯濃度逐漸降低,達到安全生產要求。因此,在裂隙帶內采用后部切眼鉆孔引流瓦斯抽采技術,治理工作面瓦斯濃度超限問題具有較好的適應性和應用前景,能夠為安全生產提供保障,提高生產效率。

圖9 4502工作面后部切眼引流抽采效果Fig.9 No.4502 working face rear cut-off drainage and extraction effect

4 4502工作面采空區瓦斯抽采效果考察

綜合采用高位定向長鉆孔、留巷頂管抽采和后部補巷鉆孔引流等方法治理4502工作面采空區瓦斯,取得了良好的結果?？傮w表現為,工作面上隅角處和回風流中瓦斯濃度隨著工作面的推進不斷波動變化,但瓦斯濃度整體偏低,瓦斯濃度分別為0.28%、0.23%。當工作面從100 m推進至200 m,回風流中瓦斯濃度超過平均值0.23%,最大值為0.30%,而此時回風流中瓦斯濃度的升高主要是割煤期間本煤層瓦斯涌出及上隅角采空區瓦斯涌出導致。在工作面從70 m推進到90 m、從130 m推進到150 m、從170 m推進到190 m時,工作面與膠帶留巷結合處瓦斯濃度最大達到0.43%。頂板裂隙帶定向鉆孔抽采期間,雖然工作面上隅角處和回風流中的瓦斯濃度最大值分別達到了0.43%、0.30%,但2個位置瓦斯濃度最大值均在安全范圍內,表明頂板裂隙帶定向鉆孔布置層位的合理性,能有效地降低工作面上隅角與回風流中瓦斯濃度,為礦井提供一個安全地采掘作業空間。工作面與留巷交界處瓦斯濃度變化曲線如圖10所示。

5 結論

通過對沙曲一礦4502工作面頂板裂隙發育規律進行研究,開展了4502工作面采空區頂板裂隙發育現場測試,確定了采空區瓦斯的運移集聚規律,形成了采空區瓦斯綜合治理技術,并對采空區瓦斯抽采效果進行了考察,最終提出了雙切頂成巷回采工作面卸壓瓦斯抽采技術。

(1)由于基本頂被切斷,基本頂及其控制的覆巖充分垮落,采空區垮落帶高度明顯增加。切頂側覆巖位移發生明顯增大的區域(大的空隙通道)大于未切頂時,數值模擬結果和現場實測以及理論計算的結論吻合度較高。沙曲一礦3+4號煤頂板裂隙垮落帶最大高度為5.03～17.89 m;裂隙帶最大高度為33.79～60.00 m。

圖10 工作面與留巷結合處瓦斯濃度變化曲線Fig.10 Gas concentration variation curves at the junction of the working face and the retained roadway

(2)工作面回采前,雙切頂成巷對頂板上覆巖層影響不大;工作面回采過后,在預裂爆破的影響下,與傳統開采方法相比,采空區頂板巖層更快垮落、更快充滿采空區,在垮落矸石的有效支撐作用下,采空區上覆巖層更快趨于穩定。因此,雙切頂成巷條件下,采空區瓦斯涌出量更早趨于穩定狀態。綜合分析表明,超高位裂隙帶、靠近沿空留巷膠帶巷處以及靠近采空區后部尾巷處為瓦斯主要積聚區域。

(3)綜合利用高位定向長鉆孔抽采、留巷頂管抽采和采空區后補切眼鉆孔抽采等方式對4502工作面采空區瓦斯進行治理,可以有效解決采空區瓦斯超限問題。