薄煤層綜采工作面防瓦斯防滅火綜合技術(shù)

霍海峰

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)富康源煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 041000）

富康源礦位于位于鄉(xiāng)寧縣臺頭鎮(zhèn)神角村，井田面積為9.75 km2，設(shè)計生產(chǎn)能力120 萬t/a，主要為薄煤層工作面，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，裂隙比較發(fā)育，瓦斯賦存條件較好，涌出量較大。薄煤層工作面由于采高低，采場推進(jìn)速度快，頂板緩慢下沉，裂隙帶發(fā)育差，采空區(qū)瓦斯富集帶向深部運(yùn)移，致使頂板斜交鉆孔瓦斯抽采量較低，薄煤層工作面瓦斯治理始終是制約富康源礦薄煤層工作面高產(chǎn)、高效、安全生產(chǎn)的一個難題。富康源礦根據(jù)薄煤層工作面采空區(qū)瓦斯富集區(qū)域滯后的分布運(yùn)移規(guī)律和采動裂隙發(fā)育階段、活躍階段、穩(wěn)定階段均滯后的覆巖采動裂隙演化規(guī)律，采取地面立孔為主的瓦斯立體抽采技術(shù)，取得較好的效果。

受困于經(jīng)濟(jì)大環(huán)境，煤炭企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益嚴(yán)重下滑，礦井舉步維艱。2106 工作面周邊鄰近舊巷，如何從工作面布置方式開始，按照“一面一策”的原則，充分利用周邊舊巷，采取靈活多變的防瓦斯防治技術(shù)，替代成本較高的地面瓦斯抽采立井為主的防瓦斯防治綜合技術(shù)，為今后類似工作面提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)際情況，在充分考慮舊巷松動圈的防治自然發(fā)火基礎(chǔ)上，采取利用上部舊巷作為高位瓦斯抽采巷替代地面瓦斯抽采立井和回順斜交鉆孔、大流量移動泵抽排回風(fēng)隅角防瓦斯防滅火綜合防治技術(shù)。

1 2106 工作面概況

2106 工作面位于富康源礦西二采區(qū)南部西側(cè)，工作面走向長908 m，傾向長220.5 m，可采儲量22.04萬t。煤層傾角3°，平均厚度2.6 m，自然發(fā)火期3～6 個月，工作面?zhèn)雾敒榛液谏鄮r，厚度1.0 m，直接頂為中、粉砂巖互層，夾泥巖層，厚度在5 m 左右，老頂以粉砂巖、粗砂巖和砂礫巖為主的砂巖互層，工作面上部19.35～22.08 m 普遍發(fā)育4 煤層，煤層厚度在0.42～0.84 m，屬不可采煤層。

2 薄煤層工作面采空區(qū)瓦斯分布運(yùn)移規(guī)律和覆巖采動裂隙演化規(guī)律

2.1 薄煤層工作面采空區(qū)瓦斯分布、運(yùn)移規(guī)律

采空區(qū)內(nèi)的瓦斯分布、運(yùn)移取決于采空區(qū)內(nèi)部的風(fēng)流運(yùn)動規(guī)律、瓦斯擴(kuò)散運(yùn)動規(guī)律及瓦斯上浮運(yùn)動規(guī)律的綜合作用。瓦斯?jié)舛仍诓煽諈^(qū)內(nèi)形成一種相對穩(wěn)定的動態(tài)平衡的濃度梯度，從切頂線往采空區(qū)深部方向及底板往頂部裂隙帶方向瓦斯?jié)舛葷u漸變大，在采空區(qū)內(nèi)存在一個等濃度的曲面梯度。

由于薄煤層工作面斷面小，阻力大，采空區(qū)兩端通風(fēng)壓差較中厚煤層工作面高；頂板不易垮落，采空區(qū)漏風(fēng)阻力小，采空區(qū)漏風(fēng)比中厚煤層綜采工作面多；因此薄煤層工作面相比較中厚煤層工作面，其采空區(qū)瓦斯富集帶向采空區(qū)深部運(yùn)移，其運(yùn)移的距離與工作面采高、配風(fēng)量、頂板垮落情況有關(guān)。

2.2 薄煤層工作面覆巖采動裂隙演化規(guī)律

采煤工作面覆巖移動規(guī)律的理論分析表明：煤層群中，某一個煤層首采后，受采動影響，圍巖發(fā)生不同程度的破壞和變形，沿煤層法線方向上劃分為“三帶”，即冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶（其高度分別為H1、H2、H3）；沿煤層走向方向上采動裂隙從產(chǎn)生到穩(wěn)定經(jīng)歷三個階段，即開始發(fā)育階段、活躍階段、穩(wěn)定階段；在開采層的下部，產(chǎn)生裂隙帶和膨脹變形帶。

煤層開采后，覆巖的裂隙及離層的分布狀態(tài)，對瓦斯流動產(chǎn)生非常大的影響，離層裂隙帶是瓦斯積聚的空間，也是瓦斯流通的通道。巖層的垂直裂隙寬度，主要取決于開采層的采高和巖層的極限拉伸值。

根據(jù)鐵法礦區(qū)實(shí)踐中積累的資料和有關(guān)研究分析表明，中厚煤層沿工作面走向方向，煤壁前方（超過30 m）至工作面后方30 m 左右，約兩倍煤層垂直層間距為采動裂隙開始發(fā)育階段；30～80 m 左右，約二倍層間距為活躍階段；80 m 往后為穩(wěn)定階段。距離煤層頂板H1+（1/3）H2高度是采動裂隙發(fā)育較充分區(qū)域。

薄煤層工作面采高低，采場推進(jìn)速度快，頂板緩慢下沉，采動裂隙發(fā)育差?？偨Y(jié)以往薄煤層工作面抽采經(jīng)驗(yàn)，相比較中厚煤層工作面，其采動裂隙開始發(fā)育階段、活躍階段、穩(wěn)定階段均滯后20 m 左右，冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶的高度（H1、H2、H3）均較小，特別是采動裂隙發(fā)育較充分區(qū)域的高度僅為10 m左右。

3 薄煤層工作面防瓦斯防滅火綜合防治技術(shù)

總結(jié)以往薄煤層工作面瓦斯治理的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合薄煤層工作面采空區(qū)瓦斯分布運(yùn)移規(guī)律和覆巖采動裂隙演化規(guī)律的理論分析，根據(jù)2106 實(shí)際情況，在充分考慮舊巷松動圈的防治自然發(fā)火基礎(chǔ)上，采取利用上部舊巷作為高位瓦斯抽采巷替代地面瓦斯抽采立井和回順斜交鉆孔、大流量移動泵抽排回風(fēng)隅角防瓦斯防滅火綜合防治技術(shù)。

3.1 上部舊巷作為高位瓦斯抽采巷替代地面瓦斯抽采立井和回順斜交鉆孔

2106 上部與回順平行有一舊巷作為排風(fēng)巷，從回撤巷至工作面方向排風(fēng)巷距7 煤層頂板26.94～45.58 m（工作面?zhèn)雀卟畲螅?，距回順（工作面以里?0 m?？偨Y(jié)以往薄煤層工作面瓦斯治理的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合2 采區(qū)薄煤層工作面采空區(qū)瓦斯分布運(yùn)移規(guī)律和覆巖采動裂隙演化規(guī)律的理論分析，一般薄煤層工作面頂板裂隙帶垂距25～30 m，回順煤壁支撐影響區(qū)距回順30 m 以上，因此，高位瓦斯巷的理想位置為距回順50 m、垂距25～30 m。排風(fēng)巷位置直接做為高位瓦斯抽采巷是不合適的。

經(jīng)多方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)對比，采取在上部舊巷作為排風(fēng)巷施工下行鉆孔做為通道，將工作面瓦斯富集區(qū)域的裂隙帶與排風(fēng)巷導(dǎo)通，工作面開采前，對排風(fēng)巷充填封閉，帶入抽采系統(tǒng)，工作面開采后，進(jìn)行抽采。

3.2 大流量移動泵抽排回風(fēng)隅角瓦斯

薄煤層工作面一般在上隅角利用珍珠巖封堵、大流量移動泵抽排回風(fēng)隅角瓦斯，改變回風(fēng)隅角流場分布，解決回風(fēng)隅角瓦斯超限問題。該方法抽采濃度低、抽采量小，不能徹底解決采煤工作面瓦斯超限，只能處理局部瓦斯積聚，可作瓦斯治理的輔助方法。大流量移動泵抽排回風(fēng)隅角瓦斯需要安設(shè)2 臺大功率（一般160 kW）的水環(huán)式真空泵，鋪設(shè)一趟大直徑（一般為Φ450 mm）抽采管路至回風(fēng)隅角，管理復(fù)雜，影響因素多，動態(tài)實(shí)時解決回風(fēng)隅角瓦斯超限的難度較大，還需要該方法將大量氧氣帶入采空區(qū)，改變了采空區(qū)“漏風(fēng)帶”、“氧化帶”、“窒息帶”的分布，對防治采空區(qū)自然發(fā)火非常不利，不能適應(yīng)于自然發(fā)火期較短、自然發(fā)火較嚴(yán)重的工作面。

3.3 2106 工作面及周邊舊巷防治自然發(fā)火綜合措施

受采動及集中應(yīng)力影響，2106 周邊及上部舊巷松動圈范圍較大，特別是回順側(cè)借用2105 聯(lián)絡(luò)巷道眾多，存在較大的自然發(fā)火隱患。2106 在利用周邊舊巷抽采瓦斯時，必須在充分考慮舊巷松動圈的防治自然發(fā)火基礎(chǔ)上進(jìn)行，2106 工作面開采期間采取以下防治自然發(fā)火措施。

1）各聯(lián)絡(luò)巷注水。各聯(lián)絡(luò)巷回收前，通過預(yù)埋4寸管注水，讓底板充分膨脹變形，降低空間，減小漏風(fēng)，利于防治自然發(fā)火。

2）在各聯(lián)絡(luò)川煤柱打孔注阻化劑、煤壁噴灑阻化劑。

3）加強(qiáng)尾巷、各聯(lián)絡(luò)川煤柱觀測點(diǎn)、排風(fēng)巷、抽采地點(diǎn)的取樣化驗(yàn)分析。各聯(lián)絡(luò)川做好充填封閉的準(zhǔn)備，自然發(fā)火指標(biāo)異常及時充填封閉。

4）在大巷安設(shè)注氮機(jī)備用，一旦發(fā)現(xiàn)隱患，經(jīng)各聯(lián)絡(luò)巷往采空區(qū)注氮，控制采空區(qū)氧氣濃度在16%以下。

4 瓦斯防治效果

確定工作面瓦斯防治方案后，按照設(shè)計施工外錯瓦斯聯(lián)絡(luò)巷等巷道，2019 年6 月19 日2106 工作面貫通。工作面開采前，W2Ⅱ期排風(fēng)巷施工下行鉆孔2 690 m 并進(jìn)行了封閉帶入抽采系統(tǒng)。自2015 年12 月20 日2106 工作面開采至2016 年5 月18 日與回撤巷貫通工作面停產(chǎn)，高位瓦斯巷抽采效果特好，平均抽采量11.36 m3/min，最大抽采量達(dá)到15.48 m3/min，對工作面瓦斯治理起到至關(guān)重要作用，完全替代了地面瓦斯抽采立井和回順斜交鉆孔抽采，回風(fēng)瓦斯?jié)舛仁冀K在0.5%以下。大流量移動泵抽排瓦斯量3.34 m3/min，上隅角瓦斯?jié)舛瓤刂圃?%以下，取得了較好的效果。

5 社會經(jīng)濟(jì)效益

5.1 社會效益

富康源礦薄煤層工作面一直 大流量移動泵抽排治理上隅角瓦斯、頂板斜交鉆孔和水平鉆孔抽采采空區(qū)前部富集區(qū)瓦斯、地面立孔抽采采空區(qū)后部富集區(qū)瓦斯的瓦斯立體抽采治理方案，采用永久系統(tǒng)和臨時系統(tǒng)聯(lián)合抽采方式，治理薄煤層工作面瓦斯，取得較好的效果。

受困于經(jīng)濟(jì)大環(huán)境，2106 工作面不再施工地面瓦斯抽采立井，而是根據(jù)實(shí)際情況，充分利用周邊舊巷，最終確定了利用上部舊巷作為高位瓦斯抽采巷替代地面瓦斯抽采立井和回順斜交鉆孔、大流量移動泵抽排回風(fēng)隅角的瓦斯防滅火綜合防治技術(shù)并取得了較好的效果，2106 工作面在開采過程中，杜絕了瓦斯超限現(xiàn)象，保證了工作面安全生產(chǎn)，為薄煤層刨煤機(jī)工作面瓦斯治理提供了新思路，為今后類似工作面瓦斯治理提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

5.2 經(jīng)濟(jì)效益

相比較地面瓦斯抽采立井和頂板斜交鉆孔，節(jié)約瓦斯治理資金669 萬元。采用地面瓦斯抽采立井及斜交鉆孔瓦斯防治方案資金累計712.44 萬元，其中地面瓦斯抽采立井需要資金415 萬元，回順斜交鉆孔需要資 金297.44 萬元。2106 工作面新瓦斯防治方案資金累計43.34 萬元，其中高位瓦斯抽采巷需要資金34.97 萬元。

6 結(jié)論

1）根據(jù)薄煤層工作面采空區(qū)瓦斯富集區(qū)域后移的分布運(yùn)移規(guī)律和采動裂隙發(fā)育階段、活躍階段、穩(wěn)定階段均滯后的覆巖采動裂隙演化規(guī)律，通過優(yōu)化工作面設(shè)計，充分利用2106 工作面上部舊巷作為高位瓦斯抽采巷替代地面瓦斯抽采立井和回順斜交鉆孔、大流量移動泵抽排回風(fēng)隅角的防瓦斯防滅火綜合防治技術(shù)并取得了較好的效果。

2）2106 工作面瓦斯治理經(jīng)驗(yàn)，拓寬了工作面瓦斯防治思路，為今后類似工作面瓦斯治理提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

3）受采動及集中應(yīng)力影響，工作面周邊及上部舊巷松動圈范圍較大，存在一定的自然發(fā)火隱患。在治理瓦斯時，必須在充分考慮舊巷松動圈的防治自然發(fā)火基礎(chǔ)上進(jìn)行，采取綜合防治自然發(fā)火措施。