1. 引言
在我国，有43.8%的煤矿为高瓦斯矿井，煤矿安全生产事故中有30%~40%的人员死亡是由瓦斯爆炸引起的，而重大伤亡事故中瓦斯爆炸事故占70%~80% [1]。据统计，1990~1999年这十年期间，我国煤矿发生3人以上的安全事故共4002起，死亡人数27,495人，其中包括瓦斯事故2767起，占事故总起数的69.14%，死亡人数为20,625人，占总死亡人数的75.01%；2002~2005年间，一次死亡达10人以上的煤矿生产事故中，瓦斯事故引起的人员死亡约占总死亡人数的71%，而其中死亡在100人以上的特大事故，绝大部分多数是由瓦斯爆炸引起的。2007~2010年间共发生瓦斯类安全事故216起，死亡1688人[2]。另外，随着矿井产量的不断提高，矿井开采深度的增加和开采强度的增大以及采煤工艺的不断改进，引起矿井内的瓦斯涌出量不断增加，使煤矿瓦斯灾害愈来愈严重，原来的低瓦斯矿井转变为高瓦斯矿井，高瓦斯矿井转变成煤与瓦斯突出矿井，给煤矿的安全生产带来了严重威胁，影响了煤矿生产的经济效益和安全效益[3]。因此，煤矿瓦斯灾害防治就显得尤为重要，是确保我国煤矿安全生产的重中之重[4]。针对瓦斯抽采钻孔的参数优化研究方面国内许多科研院所进行了大量的技术攻关，其中杨夺的硕士论文《顺层倾向长钻孔区域性瓦斯预抽技术研究》对顺层倾向钻孔的瓦斯抽采参数进行了优化研究，同时以煤层瓦斯赋存状态、煤的瓦斯含量、瓦斯在煤中的扩散运动和渗透运动为基础，利用井下瓦斯解吸法分析确定工作面煤层瓦斯含量，并建立了百米钻孔瓦斯涌出方程，根据测定的瓦斯涌出量计算出瓦斯衰减系数[5]。王雪芹在其硕士论文《基于平沟煤矿16#煤层的瓦斯地质预测及抽放技术研究》中从瓦斯地质将角度分析问题将地质构造(褶皱、断层)、煤层底板标高、煤层顶底板围岩性质、煤层厚度、煤层埋深、水文地质条件等影响因素与煤层瓦斯含量之间的关系进行了定性或定量分析，最终确定了影响平沟煤矿16#煤层瓦斯含量变化的两个主要因素：煤层底板标高(h)和煤层埋深(H)；同时建立了瓦斯流动方程并结合SF6示踪气体测定法测定了瓦斯抽采钻孔的瓦斯抽采半径，瓦斯抽采钻孔参数优化研究收到了非常好的研究效果[6]，但是国内针对采煤工作面采空区埋管瓦斯抽采时采空区的瓦斯涌出带、过渡带、滞留带的“三带”划分方面研究的相对较少，通过对采空区瓦斯涌出“三带”的细致划分可以为采空区埋管瓦斯抽采提供科学依据，非常具有研究和使用价值[7]。针对这种情况我们需要展开技术研究。
2. 矿井及工作面概况
2.1. 矿井概况
老石旦煤矿位于内蒙古自治区桌子山煤田西翼的老石旦精查区，隶属于国家能源集团乌海能源有限责任公司，行政区划属乌海市海南区管辖。矿区呈北东—南西向带状展布，其走向长7.12 km，宽1.7 km，井田面积9.7767 km2。2007年核定批复生产能力1.50 万t/a，截至2020年12月31日，矿井剩余保有资源储量5513.82万吨、可采储量4710.21万吨，剩余服务年限20.13年。2019年矿井完成了安全技术改造，系统得到进一步简化，形成“一井一面”生产格局。矿井采用斜立井混合式开拓，布置主斜井、副斜井、回风立井3个井筒，为单一水平开采。井田共划分三个采区，北一、北二采区已回采完毕，现主采北三采区16号煤层，为中硫主焦煤，16号煤层分为：16-1、16-2、16-3、16-4，合并为一层采用综放开采，平均厚度8.8 m。
2.2. 16402综放工作面概况
老石旦煤矿16402工作面位于16#煤运输大巷左翼，031604、16401工作面西北侧。其南面为16405工作面，西面为未开采区。该工作面平均煤层厚度8.8 m，煤层倾角5˚左右，工作面切眼长度180 m，进回风顺槽走向长度2417 m，该工作面采用走向长壁采煤法，综合机械化放顶煤采煤工艺，全部垮落法控制顶板。
3. 存在的问题
目前，煤矿井下采煤工作面采空区瓦斯治理的方法主要有采空区埋管瓦斯抽采、顶板高位瓦斯抽采等治理方法。根据钱鸣高院士的砌体梁理论工作面回采后采空区以及上覆岩层存在着“竖三带”(即冒落带、裂隙带、弯曲下沉带)如图1所示；“横三区”(即煤壁支撑影响区、离层区、重新压实区)如图2所示。大量的邻近层的瓦斯会通过裂隙带进入采空区，同时由于“横三区”的存在，在采空区存在一个瓦斯流动的“O”圈理论(俗称“瓦斯河”理论)，如图3所示，即在始采线、上下煤柱线、回采工作面切眼所形成的采空区内由于四周都是煤壁支撑影响区，在这个范围内顶板垮落后受到煤壁的支撑影响存在大量的裂隙，遗留煤炭释放的瓦斯、邻近煤层涌入采空区的瓦斯在这个煤壁支撑影响区内大量存在[8]。而在离层区内也存在一部分瓦斯属于过渡带，而在采空区的中心地带属于重新压实区，这一区域顶板压力比较大，垮落的岩石受到挤压裂隙很少，瓦斯赋存比较少，这样在采空区四周形成了一个瓦斯流动的“O”圈，这样从回采工作面向采空区方向瓦斯涌出也就存在瓦斯涌出带、过渡带、滞留带的“三带”，这也是采空区埋管瓦斯抽采的基本工作原理[9]。目前煤矿工作面采空区瓦斯抽采采用埋管瓦斯抽采治理瓦斯的情况比较多。但是在现实工作面中由于针对采空区方向瓦斯涌出也就存在瓦斯涌出带、过渡带、滞留带的“三带”的确定仍然停留在依靠工作经验来划分的阶段，导致采空区埋管瓦斯抽采没有抽采标准，带有一定的盲目性和随意性致使瓦斯抽采效率偏低，瓦斯治理效果较差，为了解决这个技术难题提出了一种确定采煤工作面采空区瓦斯涌出“三带”新方法克服了上述技术难题，填补了国内的技术空白。该技术在采煤工作面进行了多次的试验和应用，取得了较好的社会和经济效益，保证了采煤工作面安全、高效、稳定地生产。
Figure 1. Schematic diagram of the collapse of the roof of the working face
图1. 工作面顶板垮落三带示意图
I——煤壁支撑影响区；II——重新压实区；III——离层区
Figure 2. Schematic diagram of the distribution of the three horizontal areas of the goaf of the working face
图2. 工作面采空区横三区分布示意图
Figure 3. Schematic diagram of the “O” ring in the goaf of the working face
图3. 工作面采空区“O”型圈示意图
4. 一种测定采空区瓦斯涌出“三带”的方法的实践与应用
4.1. 一种测定采空区瓦斯涌出“三带”的方法研发目的
一种测定采空区瓦斯涌出“三带”的方法目的就是解决采煤工作面采空区瓦斯涌出“三带”划分的盲目性和无序性技术难题而发明出来的，主要目的如下：
1) 一种确定采煤工作面采空区瓦斯涌出“三带”新方法通过对埋管瓦斯抽采过程中对管内瓦斯浓度的观测再结合工作面退进度的计算准确地测算出采空区瓦斯涌出“三带”的范围，从根本上解决了瓦斯涌出“三带”划分的盲目性和无序性的技术难题；
2) 一种确定采煤工作面采空区瓦斯涌出“三带”新方法工作原理简单，节约成本，使用起来比较方便；
3) 一种确定采煤工作面采空区瓦斯涌出“三带”新方法在有效治理工作面采空区及上隅角瓦斯超限的难题的同时还为埋管瓦斯抽采参数的优化提供了新的思路和方法，起到了良好的应用效果。
4.2. 一种确定采煤工作面采空区瓦斯涌出“三带”新方法工作原理的理论基础和依据
根据钱鸣高院士的砌体梁理论工作面回采后采空区以及上覆岩层存在着“竖三带”(即冒落带、裂隙带、弯曲下沉带)，“横三区”(即煤壁支撑影响区、离层区、重新压实区)。大量的邻近层的瓦斯会通过裂隙带进入采空区，同时由于“横三区”的存在，在采空区存在一个瓦斯流动的“O”圈理论(俗称“瓦斯河”理论)如图3所示，即在始采线、上下煤柱线、回采工作面切眼所形成的采空区内由于四周都是煤壁支撑影响区，在这个范围内顶板垮落后受到煤壁的支撑影响存在大量的裂隙，遗留煤炭释放的瓦斯、邻近煤层涌入采空区的瓦斯在这个煤壁支撑影响区内大量存在。而在离层区内也存在一部分瓦斯属于过渡带，而在采空区的中心地带属于重新压实区，这一区域顶板压力比较大，垮落的岩石受到挤压裂隙很少，瓦斯赋存比较少，这样在采空区四周形成了一个瓦斯流动的“O”圈。在采煤工作面回采过程中随着工作面的向前推进，工作面后方的采空区并不是一下子顶板全部垮落充满整个的空间，首先是垮落带的伪顶先行垮落，这样工作面顶板形成悬臂梁，随着工作面的推进断裂带的岩石在自重和上覆岩石的压力作用下开始发生破裂，断裂带中岩石裂隙越来越大，越来越多，逐步变得破碎不堪，而且工作面越往前推进悬臂梁越长，在悬臂梁达到极限位置不能承受岩石自重和上覆岩石压力时，垮落带上部的断裂带和弯曲下沉带的岩石就会突然大面积的垮落形成周期来压。断裂带中岩石裂隙越来越大，越来越多的变化有一个缓慢积累的过程，在断裂带中岩石裂隙变化的过程中煤层上覆盖围岩中瓦斯随着裂隙的增多大量吸附状态的瓦斯被解吸出来变成游离状态的瓦斯而进入采空区，采空区瓦斯呈现增大趋势。在横向方向上如图2所示形成了煤壁支撑影响区、重新压实区、离层区三个区。由于“横三区”的存在，在采空区存在一个瓦斯流动的“O”圈理论(俗称“瓦斯河”理论)，即在始采线、上下煤柱线、回采工作面切眼所形成的采空区内由于四周都是煤壁支撑影响区，在这个范围内顶板垮落后受到煤壁的支撑影响存在大量的裂隙，遗留煤炭释放的瓦斯、邻近煤层涌入采空区的瓦斯在这个煤壁支撑影响区内大量存在。这样从回采工作面向采空区方向瓦斯涌出也就存在瓦斯涌出带、过渡带、滞留带的“三带”如图4所示，这也是采空区埋管瓦斯抽采的基本工作原理。一种确定采煤工作面采空区瓦斯涌出“三带”新方法正是建立在采空区存在一个瓦斯流动的“O”圈理论的基础上的。
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I——瓦斯涌出带；II——过渡带；III——滞留带
Figure 4. Schematic diagram of the “three belts” of gas gushing out of the goaf of the working face
图4. 工作面采空区瓦斯涌出“三带”示意图
4.3. 一种确定采煤工作面采空区瓦斯涌出“三带”新方法的工作原理
Figure 5. Schematic diagram of the “three belts” of goaf gas gushing out of the goaf for the determination of buried pipe pumping in the goaf
图5. 采空区埋管抽放测定采空区瓦斯涌出“三带”示意图
首先如图5所示在工作面的上隅角设置两趟瓦斯抽放管路用来抽放采空区的瓦斯，分别设置靠上面的瓦斯抽放管为瓦斯抽放管1，靠下面的瓦斯抽放管为瓦斯抽放管2，并且在瓦斯抽放管1和瓦斯抽放管2的最前面的三通上面设置瓦斯观测孔并利用四合一多功能参数仪来测定瓦斯抽放管内的瓦斯浓度、负压、温度、流量等参数。一种确定采煤工作面采空区瓦斯涌出“三带”新方法的工作原理本质上是通过测定瓦斯抽放管内的瓦斯浓度参数，并以瓦斯为介质和标志性气体来观测采空区瓦斯浓度随着工作面的推进度而发生变化的情况来划分采空区瓦斯涌出的“三带”，在实际工作中收到了良好的应用效果。
4.4. 一种测定采空区瓦斯涌出“三带”的方法实践与应用
现在以老石旦煤矿16402综放工作面为例介绍一下一种确定采煤工作面采空区瓦斯涌出“三带”新方法的工作原理，其工作原理是根据瓦斯抽放管内瓦斯浓度的变化情况再结合采煤工作面的推进进度来确定采空区瓦斯涌出“三带”的范围。由图6可知：国家能源集团某煤矿的16402工作面每天采煤4刀，每割一刀煤工作面推进0.8 m，则每日向前推进3.2 m，随着采煤工作面的推进，每隔4天上隅角瓦斯管浓度将达到一个高点，即每推进12.8 m，上隅角的瓦斯浓度将达到一个高值，此时随着工作面推进2个工作日，工作面上隅角瓦斯抽放管内的瓦斯浓度经常超过5%；回风巷瓦斯抽放管内的瓦斯浓度比老顶垮落时略低，但明显高于来压之前，持续3~4个工作日，然后缓慢下降，直至另一个生产循环。实测分析结果表明：周期来压期间采场瓦斯涌出量增大，周期来压时间与瓦斯涌出周期基本一致，但瓦斯涌出时间略超前周期来压时间。利用这一特点使得瓦斯治理与瓦斯涌出在时空上达到一定的耦合效应。根据实测瓦斯涌出的规律，结合工作面推进距离和周期来压规律，国家能源集团某煤矿16402工作面的瓦斯涌出三带划分为：涌出带为两天推进距离，即6.4 m；过渡带为3.6天推进距离，即为11.6 m；滞留带为过渡带往里面的所有采空区的空间。
(a)
(b)
(c)
Figure 6. Data curve of gas concentration at working face as a function of advancing distance
图6. 工作面瓦斯浓度随推进距离相关数据曲线图
通过现场观测和试验分析研究我们划分出了国家能源集团某煤矿16402工作面采空区瓦斯涌出“三带”的范围，即瓦斯涌出带在16402采煤工作面后方采空区内0 m~6.4 m之间，瓦斯过渡带在在16402采煤工作面后方采空区内6.4 m~18 m之间，而瓦斯滞留带在16402采煤工作面后方采空区内18 m以里的所有采空区的空间，比较准确地划分出国家能源集团某煤矿16402工作面采空区瓦斯涌出“三带”后，就为16402工作面上隅角采用埋管瓦斯抽采提供科学依据和理论指导。
5. 一种确定采煤工作面采空区瓦斯涌出“三带”新方法在施工期间应用时的注意事项
1) 一种确定采煤工作面采空区瓦斯涌出“三带”新方法的相关设施应该安排专人对该设施进行定期检查，发现设施有故障或损坏无法正常使用，必须立即进行更换，确保该支护装置能够正常发挥作用。
2) 应该对一种确定采煤工作面采空区瓦斯涌出“三带”新方法的相关设施进行挂牌管理，在管理牌上写明安放时间、负责人姓名等内容，并建立规范的管理台账和巡回检查记录。
3) 加强员工安全教育力度，使员工都能够做到爱护一种确定采煤工作面采空区瓦斯涌出“三带”新方法的相关设施，严禁闲杂人员移作他用或者损坏该设施，应该建立严格的奖惩制度，对破坏设备的人员进行严惩。
4) 一种确定采煤工作面采空区瓦斯涌出“三带”新方法的相关设施必须设置于便于安装和拆卸的地点，防止该设施被砸坏。
5) 损坏的一种确定采煤工作面采空区瓦斯涌出“三带”新方法的相关设施应该及时回收上井进行维修。
6. 结语
1) 一种确定采煤工作面采空区瓦斯涌出“三带”新方法破解了传统的采煤工作面采空区瓦斯涌出三带的划分经验主义和盲目性的弊端；
2) 一种确定采煤工作面采空区瓦斯涌出“三带”新方法为工作面采空区埋管瓦斯抽采的参数优化提供了科学依据和理论指导；
3) 一种确定采煤工作面采空区瓦斯涌出“三带”新方法在精准划分采空区瓦斯涌出三带的同时还有效地解决了采空区埋管抽放技术的盲目性和无序性的弊端，起到了一箭双雕的目的。
4) 一种确定采煤工作面采空区瓦斯涌出“三带”新方法的相关设施便于生产和使用。
5) 一种确定采煤工作面采空区瓦斯涌出“三带”新方法的相关设施结构简单，成本低廉，使用效果显著，并为工作面顶板的安全管理提供了新的技术支撑和思路。
NOTES
*第一作者。
#通讯作者。