綜采工作面上隅角瓦斯綜合治理技術(shù)研究及應(yīng)用

邊高沁

（山西高平科興申家莊煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400）

1 N10909 綜采工作面概述

申家莊煤N10909 綜采工作面位于輔助水平北一采區(qū)西翼，北部為N10911 工作面（設(shè)計(jì)），南部為N10907 綜采工作面采空區(qū)，西部為地質(zhì)不可采區(qū)，東部為北軌道大巷、北膠帶大巷、北回風(fēng)大巷。地表多為山丘、荒地，相對(duì)位于馬家莊村東北部，有少量樹木和耕地[1-2]。

N10909 綜采工作面切眼長(zhǎng)度為150 m，順槽長(zhǎng)度為782 m，回采煤層為9 號(hào)層，煤層在工作面內(nèi)部發(fā)育完整，厚度1.10～1.60 m，平均厚度為1.26 m，工作面局部含一層夾矸，夾矸厚度變化在0.2～0.3 m。煤層頂?shù)装鍘r性如表1 所示。

表1 N10909 綜采工作面回采的9 號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性表

N10909 綜采工作面地質(zhì)條件復(fù)雜，根據(jù)物探資料顯示，工作面回采區(qū)域內(nèi)主要地質(zhì)構(gòu)造以中下斷層為主，預(yù)計(jì)共計(jì)揭露29 條斷層，斷層平均落差為0.9 m，平均傾角為52°，在480～790 m 段共計(jì)揭露21 條斷層，形成斷層群區(qū)。受斷層影響，工作面回采至482 m 處時(shí)上隅角出現(xiàn)瓦斯異常現(xiàn)象，實(shí)測(cè)上隅角瓦斯最大濃度（體積分?jǐn)?shù)，下同）達(dá)1.7%，工作面推進(jìn)至485 m 處時(shí)共計(jì)出現(xiàn)6 次上隅角瓦斯超限斷電現(xiàn)象，嚴(yán)重制約著工作面安全快速推進(jìn)[3]。

2 上隅角瓦斯超限原因分析

1）地質(zhì)構(gòu)造影響：N10909 綜采工作面回采至480 m 處進(jìn)入斷層群區(qū)，受斷層影響，工作面煤體及圍巖出現(xiàn)高密度裂隙區(qū)域，在裂隙帶內(nèi)富含高濃度瓦斯，工作面的9 號(hào)煤層整體穩(wěn)定性差，在斷層群區(qū)回采時(shí)煤壁垮落嚴(yán)重，導(dǎo)致裂隙區(qū)內(nèi)瓦斯快速涌入工作面內(nèi)，造成工作面及上隅角瓦斯超限現(xiàn)象[4]。

2）鄰近采空區(qū)影響：N10909 綜采工作面南部為N10907 綜采工作面采空區(qū)，與采空區(qū)之間預(yù)留保安煤柱寬度為30 m，工作面回采過斷層群區(qū)時(shí)受斷層影響，頂板圍巖出現(xiàn)裂隙，且裂隙帶向N10907 綜采工作面采空區(qū)方向延伸，并與采空區(qū)圍巖裂隙貫通，形成瓦斯流動(dòng)通道，導(dǎo)致N10907 綜采工作面采空區(qū)內(nèi)殘留的瓦斯沿裂隙通道進(jìn)入N10909 工作面，導(dǎo)致工作面內(nèi)瓦斯?jié)舛瘸蕖?/p>

3）采空區(qū)漏風(fēng)：N10909 綜采工作面采用U 型通風(fēng)系統(tǒng)，工作面設(shè)計(jì)配風(fēng)量為556 m3/min，采用“一進(jìn)一回”通風(fēng)方式，新鮮風(fēng)流從運(yùn)輸順槽進(jìn)入工作面，由于端頭支架與巷幫以及架與架之間間隙大，風(fēng)流進(jìn)入工作面后，部分風(fēng)流沿架間間隙進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)，在采空區(qū)負(fù)壓作用下漏風(fēng)風(fēng)流將采空區(qū)內(nèi)有害氣體從上隅角帶出，導(dǎo)致上隅角處瓦斯積聚超限現(xiàn)象。

4）采空區(qū)瓦斯影響：工作面過斷層期間采用仰俯斜回采工藝，導(dǎo)致斷層區(qū)內(nèi)工作面底煤遺留量大，并隨著工作面推進(jìn)甩入采空區(qū)內(nèi)，遺煤內(nèi)富含瓦斯在采空區(qū)內(nèi)釋放，同時(shí)受采動(dòng)影響，工作面頂板形成高位裂隙區(qū)，瓦斯聚集在裂隙區(qū)內(nèi)，隨著采空區(qū)頂板垮落，裂隙區(qū)內(nèi)瓦斯涌入采空區(qū)內(nèi)，從而在架后50 m 范圍內(nèi)形成采空區(qū)瓦斯富集區(qū)，部分瓦斯在負(fù)壓作用下進(jìn)入工作面內(nèi)。

3 上隅角瓦斯綜合治理技術(shù)

為了解決N10909 綜采工作面過斷層區(qū)上隅角出現(xiàn)的瓦斯超限問題，根據(jù)N10909 工作面上隅角瓦斯積聚原因，決定對(duì)上隅角采取合理有效的綜合瓦斯治理技術(shù)[5]。

3.1 順層瓦斯抽采鉆孔抽采

1）在斷層區(qū)對(duì)N10909 工作面煤層布置順層瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行超前瓦斯抽采，鉆孔采用交替式布置方式，鉆孔深度為80 m，直徑為75 m，鉆孔布置在頭尾順槽兩側(cè)煤壁上，鉆孔開口位置與頂板間距為1.5 m，每側(cè)鉆孔布置間距為10 m，以5°仰角進(jìn)行布置。

2）工作面回采至485 m 處開始布置順槽鉆孔，尾順槽煤壁第一個(gè)鉆孔距工作面5.0 m，頭順槽煤壁第一個(gè)鉆孔距工作面10 m，頭尾順槽鉆孔交替布置；鉆孔施工完后對(duì)鉆孔內(nèi)安裝瓦斯抽采花管，花管采用直徑為70 mm 的無縫鋼管焊制而成，鋼管上布置若干個(gè)直徑為8 mm 的瓦斯抽采小孔，每個(gè)鉆孔內(nèi)安裝3 節(jié)花管，每節(jié)長(zhǎng)度為2.0 m。

3.2 采空區(qū)埋管瓦斯抽采

1）N10909 工作面北部為N10911 回風(fēng)順槽，間距為30 m，首先在N10909 回風(fēng)順槽與N10911 回風(fēng)順槽施工通風(fēng)橫貫，橫貫斷面規(guī)格為寬×高=3.0 m×3.0 m，長(zhǎng)度為30 m，通風(fēng)橫貫布置間距為50 m，通風(fēng)橫貫內(nèi)施工2 道密閉墻，在墻體內(nèi)安裝2 趟直徑為219 mm 的瓦斯抽采支管并采用閥門控制，支管與安裝在N10911 回風(fēng)順槽內(nèi)抽采主管連接，如圖1 所示。

圖1 采空區(qū)埋管瓦斯抽采施工平面示意圖

2）當(dāng)?shù)谝粋€(gè)通風(fēng)橫貫進(jìn)入采空區(qū)后，及時(shí)在瓦斯抽采支管上安裝2 根直徑為163 mm 的瓦斯抽采軟管，橫貫進(jìn)入采空區(qū)10 m 后，打開閥門進(jìn)行采空區(qū)瓦斯抽采；當(dāng)?shù)? 個(gè)通風(fēng)橫貫進(jìn)入采空區(qū)后，及時(shí)關(guān)閉第1 個(gè)通風(fēng)橫貫抽采閥門，并對(duì)第2 個(gè)橫貫內(nèi)接入采空區(qū)瓦斯抽采軟管，并打開閥門繼續(xù)進(jìn)行瓦斯抽采，依次類推，直至工作面過斷層群區(qū)。

3.3 高位裂隙鉆孔抽采

1）對(duì)N10909 工作面裂隙帶布置高位裂隙鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采，為了不影響工作面正?；夭?，將高位裂隙鉆場(chǎng)布置在N10911 回風(fēng)順槽內(nèi)，鉆場(chǎng)布置間距為30 m，鉆場(chǎng)規(guī)格為長(zhǎng)×深×高=3.5 m×4.0 m×3.0 m，鉆場(chǎng)內(nèi)圍巖采用錨桿（索）、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。

2）在每個(gè)高位鉆場(chǎng)內(nèi)位于采空區(qū)的側(cè)煤壁上布置4 個(gè)高位裂隙鉆孔，鉆孔編號(hào)為1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)，鉆孔深度為80 m，鉆孔布置仰角為12°，鉆孔終孔位置與工作面頂板垂高不低于15 m，其中1 號(hào)鉆孔向工作面?zhèn)人浇菫?5°，2 號(hào)鉆孔水平角為30°，3號(hào)鉆孔水平角為45°，4 號(hào)鉆孔水平角為60°。

3）高位鉆孔施工完后進(jìn)行高位裂隙帶瓦斯抽采，每個(gè)高位鉆場(chǎng)瓦斯抽采時(shí)間不得低于10 d，當(dāng)工作面回采至與第1 個(gè)高位鉆場(chǎng)水平距為5.0 m 時(shí)停止瓦斯抽采，并對(duì)第2 個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)高位鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采。

3.4 安裝風(fēng)障、引射器

1）為了解決端頭漏風(fēng)問題，在工作面端頭支架與順槽處安裝一道“Z”型風(fēng)障，風(fēng)障采用Z 型鋼架、風(fēng)筒布制成，風(fēng)障長(zhǎng)度為30 m，兩邊長(zhǎng)為2.0 m，將風(fēng)障一端固定在端頭支架頂梁下方，另一端固定在頭順槽非煤壁側(cè)巷幫上，在風(fēng)障上設(shè)置人行通道，便于人員通行。

2）在工作面進(jìn)風(fēng)流距上隅角15 m 處安裝1 臺(tái)風(fēng)流引射器，引射器功率為15 kW，通過直徑為300 mm柔性風(fēng)筒將風(fēng)流引入上隅角處，從而對(duì)上隅角積聚瓦斯進(jìn)行排除。

4 實(shí)際應(yīng)用效果分析

截至2022 年3 月17 日，N10909 工作面已回采至610 m，且完全過斷層群區(qū)，通過對(duì)斷層群區(qū)工作面上隅角采取合理有效的瓦斯綜合治理技術(shù)后，取得了以下顯著應(yīng)用成效：

1）工作面在后期回采過程中實(shí)測(cè)上隅角處平均瓦斯?jié)舛葹?.3%，工作面內(nèi)平均瓦斯?jié)舛葹?.7%，回風(fēng)巷內(nèi)平均瓦斯?jié)舛葹?.8%，如圖2 所示。采取相關(guān)治理措施后，未出現(xiàn)1 起上隅角瓦斯超限出現(xiàn)工作面斷電事故。

圖2 綜合瓦斯治理技術(shù)后工作面瓦斯?jié)舛茸兓€圖

2）工作面煤層采取順層瓦斯抽采、采空區(qū)埋管瓦斯抽采、高位裂隙孔瓦斯抽采后，降低了工作面瓦斯涌出量，瓦斯抽采率達(dá)37.8%。

3）對(duì)工作面安裝風(fēng)障后起到了風(fēng)流引導(dǎo)作用，減少了端頭漏風(fēng)量，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，安裝風(fēng)障前端頭處漏風(fēng)量達(dá)17%，安裝風(fēng)障后端頭漏風(fēng)量減少至5%。

4）對(duì)上隅角處安裝引射器后，解決了傳統(tǒng)U 型通風(fēng)系統(tǒng)造成上隅角窩風(fēng)問題，以及自然風(fēng)流排瓦斯能力差等技術(shù)難題，杜絕了上隅角瓦斯積聚現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)安裝風(fēng)流引射器后上隅角平均瓦斯?jié)舛仍?%以下。

5 結(jié)語

申家莊煤礦根據(jù)N10909 綜采工作面上隅角瓦斯超限原因，對(duì)工作面提出了順槽煤層瓦斯抽采、高位裂隙瓦斯抽采、采空區(qū)埋管等一系列瓦斯治理技術(shù)，實(shí)踐應(yīng)用效果表明，采取綜合瓦斯抽采技術(shù)后有效控制了工作面瓦斯?jié)舛?，降低了上隅角瓦斯超限現(xiàn)象，保證了工作面回采安全，取得了顯著應(yīng)用成效。