煤與瓦斯突出煤層切頂卸壓瓦斯治理技術(shù)研究

李永強

山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司 山西 陽泉 045000

切頂卸壓自成巷技術(shù)是一項先進(jìn)的無煤柱采煤技術(shù)，得到廣泛的應(yīng)用。由于巷道切頂卸壓后工作面采空區(qū)間漏風(fēng)量增加，同時也增大采空區(qū)遺煤自燃的危險性，給礦井安全生產(chǎn)造成威脅。為此，本文以新景礦3216工作面為工程背景，結(jié)合礦井地質(zhì)條件，在探究巷道圍巖應(yīng)力、位移場分布特征情況下，設(shè)計煤與瓦斯協(xié)同治理技術(shù)，保證礦井安全生產(chǎn)。

1 礦井概況

新景礦位于山西陽泉市西部，井田面積59.3 km2，礦井生產(chǎn)能力750萬t/a。3216工作面現(xiàn)在開采3#煤層，煤層透氣性系數(shù)為0.0188～0.1377 m2/MPa2·d，煤層平均瓦斯含量為18.17m3/t，屬煤與瓦斯突出礦井。3216工作面東面為四采區(qū)集中巷道，南面為3403軌道巷、西面為未開掘區(qū)，北面為3216軌道巷，工作面沿3#煤層頂板掘進(jìn)，煤層厚約0.87m，地面標(biāo)高857～950 m，工作面標(biāo)高380～ 450m，本次切頂留巷設(shè)計3#煤層的3216工作面運輸巷，留巷長度為600m。

2 工作面切頂卸壓自成巷技術(shù)

2.1 切頂卸壓技術(shù)基本原理

在工作面推進(jìn)過程中，采空區(qū)頂板巖層的破斷 垮落形成砌體梁結(jié)構(gòu) ， 其產(chǎn)生的鉸接應(yīng)力主要分為兩部分，一部分應(yīng)力將沿工作面回采方向向深部煤體傳播，即為工作面超前應(yīng)力； 另一部分應(yīng)力沿工作面傾向向兩側(cè)巷道煤（巖）層傳播，使得巷道側(cè)實 體煤柱應(yīng)力重新分布，并形成新的穩(wěn)定應(yīng)力區(qū)，而此時垮落巖層所傳遞的鉸接應(yīng)力將會使巷道上方巖層應(yīng)力增大，可能造成巷道頂板突然來壓、偏幫甚至巷道頂板變形等影響。

切頂卸壓自成巷技術(shù)是以“切頂短壁梁”理論為基礎(chǔ)，采用聚能定向爆破、以實現(xiàn)定向預(yù)裂切斷巷道上覆巖層與采空區(qū)上方垮落巖層之間的鉸接物理聯(lián)系，使得采空區(qū)頂板巖層“自由”破斷垮落，減小采空區(qū)頂板破斷對巷道頂板巖層鉸接拉拽的擾動影響，同時進(jìn)一步切 斷巷道與采空區(qū)頂板巖層間的砌體梁應(yīng)力傳遞的途徑，從而改善巷道頂板巖層的應(yīng)力環(huán)境。根據(jù)工作面切頂卸壓自成巷技術(shù)原理可知，在3216工作面推進(jìn)過程中，不同位置巷道受采動影響程度不同。在工作面超前段會受到超前壓力的影響； 工作面開采后，頂板開采垮落，且從垮落到穩(wěn)定需要一定的時間；而隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，當(dāng)巷道距工作面較遠(yuǎn)時，頂板運動基本會趨于穩(wěn)定。因此將切頂卸壓側(cè)工作面采空區(qū)劃分為三個區(qū)域:超前支護(hù)區(qū)、超后臨時支護(hù)區(qū)和成巷穩(wěn)定區(qū)[1]。

2.2 工作面切頂卸壓技術(shù)參數(shù)設(shè)計

2.2.1 理論分析

（1）切割縫角度。切割縫角度是指巷道切頂切割縫方向與垂直于頂板方向間夾角（圖1中的角a），在工作面回采前通過采用預(yù)裂爆破或水力割縫等措施對巷道頂板巖層進(jìn)行預(yù)裂切割，使得工作面回采后采空區(qū)頂板巖層沿著割裂縫處發(fā)生破斷滑落。切頂卸壓技術(shù)切割逢角度一般為15°～20為宜，可避免巷道頂板大面積冒頂。結(jié)合地質(zhì)條件，最終將切頂卸壓切割逢角度確定為15°。

圖1 3216工作面切頂卸壓示意

2）切割縫長度巷道頂板最佳的切割縫長度應(yīng)滿足頂板切割垮落的巖層能最大程度的充盈整個采空區(qū)（圖1）， 因此理想狀態(tài)下頂板切割縫長度Lc存在以下關(guān)系:

式中，Lc-頂板切割縫長度，m；Hc為頂板切頂卸壓時定向預(yù)裂切割縫位置與頂板水平方向間的垂直高度，m；H-煤層厚度， m；k-巖層的碎脹系數(shù)，1.3～1.8；a-切割縫角度，（°）。故根據(jù)3216工作面條件及現(xiàn)場實測結(jié)果，H=0.89m ，k=1.3，a=15°，計算預(yù)裂切割縫長度Lc≥3.07m。

2.2.2 工作面切頂卸壓技術(shù)參數(shù)值分析

根據(jù)以上理論分析可知，切割縫長度對于巷道頂板穩(wěn)定性及采空區(qū)矸石填充效果有著顯著影響。故為了確定3216工作面合理的切割縫長度，根據(jù)工作面的地質(zhì)條件及預(yù)裂切割縫理論長度Lc≥3.07m，采用FLAC3D數(shù)值分析方法，分別建立了切割縫長度為0，3，6m的切頂卸壓數(shù)值模型。

通過對比可知:切割縫長度對于圍巖的卸壓程度顯著影響，如切割縫長度為0，3，6m時，巷道實體煤側(cè)應(yīng)力集中區(qū)的峰值分別為40，27.5，22.5MPa，表明切割縫長度增大（Lc=6m）時，切斷了采空區(qū)與巷道頂板巖層的應(yīng)力傳遞，降低了巷道實體煤側(cè)的應(yīng)力集中區(qū)值峰值大小，與未采用切頂卸壓技術(shù)相比，切割縫長度Lc=6 m時，實體煤側(cè)的應(yīng)力集中區(qū)值峰值大小下降了約56.25%，有效地控制了巷道變形；當(dāng)切割縫長度為0，3，6m時，巷道頂板巖層的垂直位移最大值分別為150，120，60 mm，表明切割縫長度越大（Lc=6m）時，越能及時切斷采空區(qū)垮落巖層與巷道頂板巖層的鉸接聯(lián)系，使得采空區(qū)矸石沿著切割線垮落下滑，有效地控制了頂板的下沉量，減少了巷道支護(hù)成本的投入[2]。

綜上分析可知，切割縫長度Lc=6m時，實體煤側(cè)應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力峰值較小，應(yīng)力峰值下降程度較大，巷道頂板巖層垂直位移最大值越小，有效地控制了頂板的下沉量因此，綜合確定了新景礦3216工作面運輸巷切頂卸壓技術(shù)參數(shù)為:切割角度為15°，切割縫長度Lc=6m。

3 復(fù)合災(zāi)害治理技術(shù)的實踐

3.1 切頂留巷技術(shù)工程實踐

從3216工作面留巷段切頂卸壓施工起始位置，切頂孔采用自動成巷超前切縫鉆機(jī)施工，切頂孔沿3216運輸巷進(jìn)行施工，距巷道采幫側(cè)100mm，切縫面與鉛垂線夾角為15°，切縫孔間距為500mm，孔深6000mm，隨后在施工完的爆破鉆孔中安裝BTC-1500型聚能管， 外徑42mm，內(nèi)徑36.5mm，管長1500mm，每鉆孔安裝聚能管，其中4.5m（3 根×1.5m）聚能管捅到孔底，封泥長度1.5m。

3.2 切頂后封閉采空區(qū)防滅火技術(shù)

易自燃煤層中，在煤體一定距離的深部，風(fēng)流速度適中，煤氧化放熱量大于散熱量，煤體溫度不斷升高，最終自燃。為了防控切頂卸壓后采空區(qū)瓦斯大量涌向采掘空間及防止進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)流通過運輸巷 擋矸支架氧化采空區(qū)遺煤，故采用噴涂堵漏高分子材料（A、B料）按重量1∶1進(jìn)行配比，對留巷側(cè)擋矸支護(hù)進(jìn)行噴涂，主要對留巷側(cè)接頂處、檔矸底部及風(fēng)筒布連接間進(jìn)行噴涂堵漏，噴涂厚度為100mm。

為了解決瓦斯抽采帶來漏風(fēng)增加而導(dǎo)致自燃威脅增大的問題，在封閉采空區(qū)時增加擋風(fēng)簾，同時通過對切頂后運輸巷噴涂高分子堵漏材料，進(jìn)而抑制采空區(qū)瓦斯涌向采掘空間，阻隔遺煤與空氣接觸。

在噴涂高分子堵漏材料之前，受到采空區(qū)采動垮落影響，大量瓦斯通過漏風(fēng)流涌向采掘空間， 因此回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛燃帮L(fēng)排瓦斯量變化浮動較大，且其值整體較高； 在向切頂留巷段噴涂高分子堵漏材料時，在堵漏材料經(jīng)過成型、固化、密封之后，回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛群惋L(fēng)排瓦斯量逐漸降低，最后回風(fēng)流瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.36%～0.41%。表明在切頂卸壓留巷后及時噴涂堵漏材料能及時切斷采空區(qū)瓦斯越流通道， 且封閉采空區(qū)效果較好。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)巷道切頂卸壓后實體煤側(cè)應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力峰值及頂板巖層垂直位移分布特征，綜合確定了新景礦3216工作面運輸巷切頂卸壓技術(shù)參數(shù)為:切割角度為15°， 切割縫長度Lc=6m。

（2）3216運輸巷留巷段噴涂高分子堵漏材料后及時切斷了采空區(qū)瓦斯越流通道，采空區(qū)往采掘空間滲漏瓦斯量大大降低，采空區(qū)封閉效果較好，有效降低瓦斯?jié)舛取?/p>

由于瓦斯與火災(zāi)治理存在矛盾，減小配量、降低抽采負(fù)壓等有利于防火但不利于瓦斯防治，因此在突出易自燃煤層地質(zhì)條件下切頂卸壓自成巷技術(shù)應(yīng)以“以防為主、防滅結(jié)合、高度協(xié)同”防控思路為指導(dǎo)， 實現(xiàn)卸壓后及時切斷越流通道、采空區(qū)內(nèi)瓦斯精準(zhǔn)高效抽出、同步噴灑霧化阻化劑， 即堵-抽-注協(xié)同治理。