1.平安煤炭开采工程技术研究院有限公司 安徽淮南 232001；
2.深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室 安徽淮南 232001；
3.安徽理工大学能源与安全学院 安徽淮南 232001；
4.淮南市建筑勘察设计研究院 安徽淮南 232000；
5.中煤第三建设集团安徽地质测量工程有限责任公司 安徽宿州 234001
摘要：结合矿井实际情况及己14煤层赋存状况，选择开采己14煤层作为己15煤层的上保护层进行开采。为实现安全开采，首先对厚硬顶板进行管理，并在保护层开采期间采用厚硬顶板沿空留巷技术对己14保护层采面的下进风巷进行留巷，使用“Y”型通风等瓦斯综合治理技术，实现了保护层和邻近层工作面无煤柱煤与瓦斯共采。
关键词：厚硬顶板；沿空留巷；煤与瓦斯共采
坚硬顶板下进行长壁开采时，如果顶板处理不好，随着采面的推进，采空区悬顶面积逐渐增大。长时间大面积采空区顶板不垮时，将使得采面控顶区内压力高度集中，在支护强度承受不了顶板的高压时，控顶区内顶板会在高压力作用下发生剪切破坏。这样，高压力载荷势必造成采面支护结构受到严重的破坏，从而给采面的安全生产带来极大的威胁[1-3]。
坚硬顶板冒落时，一方面由于岩层折断时产生的强烈动载荷会损坏或推倒大量工作面支架，从而顶板常沿煤壁切断造成工作面垮冒事故；另一方面，由于大量岩体同时冒落，形成很大冲击波，对井下人员及设备造成严重的危害。
对于坚硬特厚顶板直覆条件，在采空侧容易形成常悬臂结构，由于悬臂存在，在巷道周围尤其是墙体上方易形成高支承压力，造成留巷围岩变形剧烈。此外，大跨度、长距离、大范围悬顶易发生大面积顶板突然垮落对墙体的冲击作用。在类似条件下的沿空留巷在全国尚无成功的先例。
在多种不利因素的影响下，己14-31010和己15-31010工作面的安全开采受到极大的威胁。因此，在大采深、厚硬顶板和近距离煤层群条件下实现煤与瓦斯共采意义重大。
1 己14-31010工作面概况
己14-31010工作面标高-726～-772m，埋深1062m～1066m。工作面东西可采走向长571.9m，南北倾斜宽150m，平均煤厚0.5m，煤层倾角平均6°，原始煤层瓦斯含量15.256m3/t，最大原始煤层瓦斯压力1.78MPa，煤层埋藏深，地应力与瓦斯压力较大[4]。己14煤层底板与己15-17煤层顶板间的层间距8～17m。己14煤层直接顶为细砂岩，厚度9.6m，基本顶为中粒砂岩，厚度7.6m，完整性好、致密坚硬，强度90MP，煤岩坚固性系数f最高可达9，为大采深、复杂顶板、近距离高瓦斯煤层群的开采条件。
2 己14-31010工作面厚硬顶板管理
2.1 超前深孔预爆破处理坚硬顶板技术
超前深孔预裂松动爆破的钻孔布置有单向钻孔法和双向钻孔法两种布置方式。单向钻孔法，即在风巷或机巷向另一端巷道打斜深孔，为了保证另一端巷道的安全，通常孔底距另一端巷道的水平距离要大于20m。双向钻孔法，即在下风巷与上风巷同时向岩体内部钻斜深孔，两炮孔底水平距离不应小于20m，但是同样不能大于炸药的两倍抵抗线半径，否则会造成岩石大块率较大。
本次爆破采用巷道双向钻孔法炮孔布置方式，即在工作面下风巷与上风巷同时向顶板岩体内打孔，每一组包含三个炮孔，分别老顶切断孔、块度控制孔和端头切断孔。采用的炮孔布置参数如表1所示。
2.2 倾向小水平转角钻孔群切顶技术
当煤层顶板为坚硬难垮冒顶板时，沿空留巷采空侧顶板易形成大跨度悬顶，形成对留巷围岩的长时高支承压力，不利于留巷围岩稳定。在分析沿空留巷围岩结构运动特征的基础上，提出一种促使沿空留巷充分卸压的顶板控制方法，采用2组共6个超前预裂钻孔，充分松动墙体外侧老顶岩层，其目的是使老顶在墙体外侧破断，消除大跨度悬顶悬露以及回转下沉对沿空留巷围岩的影响，从根本上大幅缓解沿空留巷围岩压力，优化留巷区域应力场，减小沿空留巷上覆岩层对围岩的作用时间，达到控制留巷变形的目的。钻孔布置及参数如图1。
截止8月10日现场共实施切放顶孔爆破16次，其中4次强制放顶作业，12次切顶作业，施工钻孔81个。
（a）炮孔布置剖面图 （b）炮孔布置俯视图
图1 切顶孔布置图
2.3矿压观测
为了掌握己14-31010工作面前期采场和沿空留巷的围岩变形、顶板离层、顶板压力、锚杆索受力、工作面支架阻力等规律，总结这一阶段留巷的相关特征，同时为下一阶段的留巷工作提供相关借鉴，自4月10日起，在己14-31010工作面进行了采场及沿空留巷矿压规律观测。
（1）通过对超前工作面表面位移测站、留巷内表面位移测站、爆破影响区表面位移测站的分析，认为超前工作面动压影响区在40m左右；沿空留巷顶底变形持续周期大于两帮，但剧烈程度小于两帮；超前工作面测站（距切眼200m）两帮的最终变形量144mm；留巷的两帮保持了较好的完整性，顶板未出现剧烈下沉和明显开裂，底板也未出现过大底鼓。留巷顶板锚固区内外基本没有发生离层。
（3）通过观测发现切放顶孔爆破之后托锚力有一个明显的突变，分析认为切顶爆破切断了设计切断的老顶，爆破后该区域出现应力重新调整，托锚力的突变是该条件下的矿压显现的重要形式。
（4）留巷内距切眼80m处单体安装30d，支护阻力从147.74kN增长到171.76kN，增长量为24.02kN，增长率16.26%；超前工作面距切眼175m处单体安装30d，支护阻力从107.15kN增长到227.18kN，增长量为120.03kN，增长率为112%。观测结果表明巷内单体初撑力满足要求，能充分发挥主动支撑的性能，在动压影响区域，单体能够实现快速增阻，有效支护顶板；在留巷内单体支柱从安装开始表现出良好的增阻特性，能够有效缓解墙体压力，为墙体的充分凝固和后期的稳定性创造条件。
通过深孔预爆破处理坚硬顶板，工作面周期来压明显减小，矿压显现剧烈程度明显下降；有效弱化了留巷区域高应力，保护了充填墙体的完整与稳定。
3 瓦斯综合治理技术
防治瓦斯灾害的主要技术途径有三条：一是加强矿井通风，稀释采掘空间瓦斯浓度；二是通过瓦斯抽放，减少瓦斯涌入采掘空间；三是释放岩层的瓦斯和地压，消除瓦斯突出危害。辅助手段是瓦斯监测，控制火源，建立防隔爆体系。己14-31010工作面具体的瓦斯治理技术措施为：1）采用沿空留巷二进一回的“Y”型通风方式；2）留巷段墙体内埋管抽采高浓度瓦斯；3）下向钻孔抽采邻近层卸压瓦斯；4）高位钻孔抽采顶板裂隙带瓦斯。
3.1“Y”型通风技术
为了有效解决瓦斯问题，选择开采己14煤层作为己15煤层的上保护层进行开采。在保护层开采期间对己14保护层采面的下进风巷进行顶板沿空留巷，采用二进一回的“Y”型通风方式[5-6]。“Y”型通风在保护层己14-31010综采工作面回采过程中，将己14-31010工作面后方留巷段作为工作面回风巷，工作面两顺槽均进风，其中上进风巷进风量为1700m3/min，下进风巷进风量374m3/min。
⑴保护层己14-31010工作面通风路线
新鲜风1：己14—31010上进风巷→工作面；
新鲜风2：己14—31010下进风巷→己14-31010下进风巷留巷段。
乏风：工作面→己14-31010下进风巷留巷段→己14-31010下进风联巷→己14—31030下进风巷（专用回风巷）→三水平东翼回风巷下山→北山回风井→地面。
⑵通风系统
在工作面回采过程中，采用充填留巷保留保护层己14-31010工作面下进风巷作为工作面回风巷，采用二进一回的“Y”型通风方式[7]。由于工作面上、下巷均进风，上隅角处于进风侧，解决了上隅角瓦斯超限问题。
3.2瓦斯抽采
根据该工作面的瓦斯和巷道系统情况，结合目前国内外瓦斯治理经验，设计留巷墙体埋管和高位钻孔抽采等综合瓦斯治理技术[8-10]，设计工作面回采期间采用以下瓦斯治理措施：
1）留巷墙体埋管抽采
留巷施工过程中，设计在留巷墙体每间隔10m预埋抽采管路，当墙体充填开始时，在采空区侧模板上预埋一不小于Φ150mm抽采管，当墙体初凝脱模时，保留埋管孔；当墙体中凝结强度具备时，可将埋管与干管合茬。抽采管道穿过留巷充填体，伸入采空区的长度不少于1.5m，前端1m管壁布置Φ10mm的进气花孔。通过三通和连接管接入风巷内Φ300mm的抽采管道上。通过控制采空区抽采管道口的数量和开启程度可控制采空区瓦斯抽采量和抽采瓦斯浓度，从而改变采空区瓦斯流动和瓦斯浓度场分布，控制采空区瓦斯涌出。
2）高位钻场顶板走向钻孔抽采
为进一步解决采空区瓦斯涌入对己14-31010工作面瓦斯综合治理的影响，设计在留巷顶板中线施工高位钻孔并合茬抽采采空区高位环形裂隙带内的卸压瓦斯。
开孔位置：己14-31010下进风巷沿空留巷巷内，滞后工作面一个来压步距的范围（20m），在巷道顶板中线每隔20m开孔施工高位钻孔；
抽采时间：在滞后工作面一个来压步距（20m）范围之后合茬抽采己15煤层卸压瓦斯；
采空区高位抽采钻孔设计参数如表2所示。
3）己14-31010工作面下进风巷下向穿层钻孔抽采卸压瓦斯
下向穿层钻孔瓦斯抽采可分为采前预抽和卸压抽采两种方法。邻近层己15已经抽采近两年，己15煤未卸压就进行采前预抽的效果可能不太理想，且从目前回风瓦斯的浓度情况看，也没有采前预抽的必要。为避免下覆己15煤层卸压瓦斯对己14-31010工作面的影响，设计下向钻孔抽采瓦斯，钻孔布置参数见表3。
开孔位置：己14-31010下进风巷巷内，在巷道底板距上帮1m处施工下向穿层钻孔，可超前工作面施工；
抽采时间：在滞后工作面一个来压步距（20m）范围内合茬抽采己15煤层卸压瓦斯；
封孔方式、材料及封孔工艺：钻孔施工到位后，将孔内的钻屑用风水除水排渣清洗干净，同时下入2吋和4分管，共计2路，2吋管的最前端带尖锥，4分管略短下入2吋管内。下向钻孔采用“两堵一封”的带压封孔方式，注浆泵采用注浆压力高于4MPa的电动注浆泵。
4 保护层开采效果评价
4.1风量及风排瓦斯情况
1）己14煤层风量及风排瓦斯情况
从2月4日至6月21日，己14-31010上风巷风量在1016~1819 m3/min变化，平均1600m3/min，下风巷风量在240~510 m3/min变化，留巷风量1432~2099 m3/min变化（图1）。留巷内瓦斯浓度平均0.17%，未出现过瓦斯超限事故。己14-31010工作面风排瓦斯浓度0.09%~0.33%，风排瓦斯纯量1.51m3/min~6.72m3/min，平均3.31m3/min，2月4日至6月21日累计风排瓦斯总量66.92万m3。
2）己15煤层风量及风排瓦斯情况
己14煤层的开采对己15煤层也产生了影响。据统计己15-31010回风巷风量在684~1320 m3/min变化，瓦斯浓度0.05%~0.32%，风排瓦斯纯量0.62m3/min~6.39m3/min，平均2.22m3/min，2月4日至6月21日累计风排瓦斯总量45.12万m3。
4.2瓦斯抽采情况
1）己14煤层瓦斯抽采情况
采空区埋管从4月25日开始联网，统计到6月27日，瓦斯浓度0.43%~36%，平均1.52%；纯量0.32m3/min~27.98 m3/min，平均1.08 m3/min；累计抽采瓦斯9.78万m3。
下向穿层钻孔从5月27日开始联网，统计到6月27日，瓦斯浓度24.30%~59.05%，平均35.7%；纯量4.56m3/min~5.97 m3/min，平均5.48 m3/min；累计抽采瓦斯24.79万m3。
2）己15煤层瓦斯抽采情况
保护层开采后，由于受上部采动影响，下部被保护层己15-31010工作面地应力与瓦斯压力得到充分释放，提升了煤层的透气性，提高了瓦斯抽采半径，增加了瓦斯抽采量。
（1）己15-31010进风巷单孔瓦斯浓度变化情况
己15-31010进风巷123号抽放孔于2月17日抽放，首周平均瓦斯浓度35%（图2），抽放20天后有衰减趋势。该孔距保护层8.7m，保护层开始回采时浓度出现上升趋势，当保护层切眼超过钻孔位置5.1m时瓦斯浓度相对较高，后出现下降趋势，下降后再次出现回升。
（2）己15-31010回风巷单孔瓦斯浓度变化情况
己15-31010回风巷123号孔于2月18日抽放，首周瓦斯抽采平均浓度为21%，随后稳定在10%左右（图3）。该孔距保护层26.4m，保护层回采时浓度同时出现上升趋势，当保护层切眼与钻孔在同一位置时瓦斯浓度相对较高，随保护层开采，瓦斯浓度保持在80%以上。
己15-31010回风巷动压区范围抽放钻孔的平均瓦斯浓度在保护层回采切眼超过钻孔位置2m时相对最高，同时也很好的说明保护层的开采对提升下部己15煤层瓦斯抽采浓度影响较大。
图2 己15-31010进风巷123号孔浓度变化趋势图 图3己15-31010回风巷123号孔浓度变化趋势图
（3）己15-31010进、回风巷抽采量变化情况
己14-31010保护层开采后，己15-31010工作面瓦斯抽放量随之增加，其中己15-31010进风巷由2月4日的458m3/d上升至5月15日的11676m3/d，抽采瓦斯量增加了24倍。
保护层开采后己15-31010回风巷平均抽采瓦斯量由2月4日的1009m3/d上升至5月15日的13146m3/d，增加了12倍。
5 结论
（1）通过分析矿井实际情况及己14煤层赋存状况，对己14-31010工作面采取以深孔预裂爆破放顶技术和小水平转角钻孔群切顶技术为主的区域应力优化方案，解决了该工作面大面积悬顶问题，使工作面周期来压明显减小，矿压显现剧烈程度明显下降，有效弱化了留巷区域高应力，保护了充填墙体的完整与稳定。
（2）采用沿空留巷二进一回的“Y”型通风、留巷段墙体内埋管抽采高浓度瓦斯、高位钻孔抽采顶板裂隙带瓦斯和下向钻孔抽采邻近层卸压瓦斯等综合瓦斯治理技术实现了本煤层和邻近层瓦斯的高效抽采，为邻近层工作面安全开采创造了条件。
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论文作者:韩云春1.2,周伟1.2.3,张芹芹4,夏盆军5,杨
论文发表刊物:《基层建设》2018年第15期
论文发表时间:2018/7/27
标签：瓦斯论文; 工作面论文; 顶板论文; 钻孔论文; 煤层论文; 保护层论文; 浓度论文; 《基层建设》2018年第15期论文;