喬福龍

（山西焦煤山煤國(guó)際韓家洼煤業(yè)有限公司，山西 大同 037031）

1 203 工作面概述

韓家洼煤礦203 工作面順槽長(zhǎng)度為919.5 m，傾向長(zhǎng)度為180 m，工作面回采煤層為22 號(hào)層，煤層平均厚度為9.58 m，礦井瓦斯等級(jí)鑒定為低瓦斯礦井。瓦斯絕對(duì)涌出量為0.66 m3/min，相對(duì)涌出量為0.39 m3/t，該層煤塵具有爆炸性。22 號(hào)煤層自燃等級(jí)為Ⅱ級(jí)，煤層自燃傾向性質(zhì)為自燃。

203 工作面于2021 年7 月15 日回采，工作面回采至420 m 處時(shí)，在回風(fēng)順槽側(cè)預(yù)先揭露K7 斷層沖刷帶疊加構(gòu)造異常區(qū)，K7 斷層沖刷帶貫穿整個(gè)工作面，斷層落差為2～4 m，傾角為70°，對(duì)工作面回采影響長(zhǎng)度為157 m，沖刷帶寬度為40 m。當(dāng)工作面回采至434 m 處揭露沖刷帶時(shí)，煤體涌出瓦斯?jié)舛韧蝗辉龃?，最大瓦斯?jié)舛龋w積分?jǐn)?shù)，下同）達(dá)1.7%，工作面過(guò)沖刷帶時(shí)平均回采速度為1.8 m/d，回采效率低。為了加快工作面過(guò)沖刷帶，降低沖刷帶瓦斯?jié)舛?，決定對(duì)工作面采取布置高位鉆孔、上隅角封堵等瓦斯治理技術(shù)[1-3]。

2 沖刷帶瓦斯分布規(guī)律及原瓦斯治理技術(shù)

2.1 沖刷帶瓦斯運(yùn)移及涌出時(shí)空分布規(guī)律

瓦斯擴(kuò)散移動(dòng)主要指的是瓦斯分子在自身密度梯度差的作用下，從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域移動(dòng)，工作面回采過(guò)程中煤巖體縱向裂隙帶和水平氣壓差是產(chǎn)生瓦斯擴(kuò)散移動(dòng)的條件；瓦斯擴(kuò)散移動(dòng)方式主要包括壓強(qiáng)擴(kuò)散、強(qiáng)制擴(kuò)散、熱擴(kuò)散和純擴(kuò)散四種；而沖刷帶瓦斯擴(kuò)散主要是由殘余壓強(qiáng)擴(kuò)散和全風(fēng)壓強(qiáng)制擴(kuò)散共同作用的。

為了準(zhǔn)確掌握203 工作面過(guò)沖刷帶瓦斯擴(kuò)散規(guī)律，在切眼內(nèi)每隔40 m 布置1 個(gè)瓦斯?jié)舛扔^察站，共計(jì)布置5 個(gè)測(cè)站，每個(gè)測(cè)站內(nèi)沿工作面傾向方向布置5 個(gè)測(cè)點(diǎn)，與工作面煤壁垂直且向采空區(qū)方向布置7個(gè)測(cè)點(diǎn)（延伸至架后2～3 m），所有測(cè)點(diǎn)布置間距為1.0 m，準(zhǔn)確測(cè)定各個(gè)測(cè)點(diǎn)處瓦斯?jié)舛?、風(fēng)速、風(fēng)量大小，計(jì)算出煤壁側(cè)及采空區(qū)瓦斯?jié)舛龋瑥亩治龀鐾咚褂砍鲆?guī)律，相關(guān)數(shù)據(jù)如圖1 所示，A、B、C、D、E 分別為自機(jī)頭到機(jī)尾距離間距45 m 的工作面測(cè)點(diǎn)。

圖1 203 工作面沿傾向、走向方向瓦斯分布規(guī)律圖

從圖1-1 可知，從機(jī)頭向機(jī)尾方向工作面內(nèi)瓦斯?jié)舛瘸蔬f增趨勢(shì)，其中在工作面中部區(qū)域瓦斯遞增幅度不大，但是從中部至上隅角段瓦斯?jié)舛冗f增幅度最大。從圖1-2 可知，各個(gè)測(cè)站采空區(qū)方向瓦斯?jié)舛葟臋C(jī)頭向機(jī)尾呈遞增趨勢(shì)，各個(gè)測(cè)站內(nèi)縱向測(cè)點(diǎn)從煤壁向采空區(qū)方向瓦斯?jié)舛日w呈現(xiàn)“高—低—高”趨勢(shì)，其中位于機(jī)頭段的瓦斯?jié)舛然颈３植蛔儭?/p>

2.2 原瓦斯治理技術(shù)

為了解決工作面過(guò)沖刷帶時(shí)瓦斯超限問(wèn)題，在工作面回采前期布置順層鉆孔進(jìn)行本煤層瓦斯預(yù)抽；順層鉆孔布置在203 工作面頭尾順槽煤壁上，鉆孔直徑為115 mm，長(zhǎng)度為90 m，鉆孔交替布置，布置間距為10 m；向鉆孔內(nèi)安裝1 根直徑為113 mm 的抽采軟管，并通過(guò)抽采閥門(mén)與主管連接，在采區(qū)臨時(shí)抽采泵房?jī)?nèi)安裝2 臺(tái)2BEC60 移動(dòng)抽采泵進(jìn)行瓦斯抽采，抽采混合流量為105 m3/min。

2.3 主要存在的問(wèn)題

1）工作面在揭露沖刷帶后回采速度慢，隨著沖刷帶不斷揭露，工作面內(nèi)瓦斯?jié)舛仍黾?，工作面被迫停采，采用順層瓦斯抽采時(shí)存在抽采盲區(qū)，且現(xiàn)有的瓦斯抽采技術(shù)抽采能力有限、抽采效果差，起不到預(yù)期抽采效果[4]。

2）由于受斷層構(gòu)造沖刷帶影響，煤體及頂板出現(xiàn)裂隙帶，部分瓦斯富集在頂板裂隙區(qū)內(nèi)，隨著回采后頂板垮落瓦斯涌入采空區(qū)內(nèi)，傳統(tǒng)順層鉆孔無(wú)法對(duì)裂隙瓦斯進(jìn)行抽采。

3）203 工作面采用傳統(tǒng)的U 型通風(fēng)系統(tǒng)，在通風(fēng)過(guò)程中采空區(qū)漏風(fēng)量大，且采空區(qū)兩端頭存在較大負(fù)壓差，在負(fù)壓作用下漏風(fēng)量從機(jī)頭向機(jī)尾移動(dòng)，并從上隅角處流出，從而將采空區(qū)內(nèi)部分有害氣體帶出，導(dǎo)致上隅角處瓦斯超限現(xiàn)象。

3 沖刷帶瓦斯治理技術(shù)優(yōu)化應(yīng)用

3.1 布置高位鉆場(chǎng)

1）由于運(yùn)輸順槽內(nèi)煤體負(fù)壓方向與自然風(fēng)壓方向相反，布置高位鉆孔瓦斯抽采時(shí)抽采效果差、抽采流量低，所以決定在203 回風(fēng)順槽內(nèi)布置高位鉆場(chǎng)。高位鉆場(chǎng)布置在440～600 m 段，為了避免出現(xiàn)抽采盲區(qū)，防止出現(xiàn)沖刷帶瓦斯抽采低谷區(qū)，高位鉆場(chǎng)布置間距為50 m，共計(jì)布置3 個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)布置10 個(gè)高位裂隙鉆場(chǎng)，鉆孔深度為100 m，直徑為93 mm。

2）鉆場(chǎng)內(nèi)鉆孔編號(hào)為1 號(hào)—10 號(hào)，如圖2 所示，鉆孔間距為0.5 m，距頂板間距為1.0 m，鉆孔布置仰角為2°～12°，水平角為5°～50°，鉆孔布置后終孔位置水平間距為6.0 m，垂直間距為1.0 m。

圖2 203 工作面沖刷帶瓦斯綜合治理技術(shù)平面圖

3）鉆孔施工完成后，對(duì)所有鉆孔內(nèi)安裝瓦斯抽采花管，花管長(zhǎng)度為10 m，花管直徑為75 mm，對(duì)鉆孔孔口5.0 m 范圍內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)孔處理，并進(jìn)行封孔處理；每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)安裝1 個(gè)多通混合器，花管與混合器連接，每根花管與混合器連接處安裝1 個(gè)流量計(jì)以及控制閥門(mén)；每個(gè)鉆場(chǎng)瓦斯抽采時(shí)間為15 d。

3.2 采空區(qū)埋管瓦斯抽采

為了減少采空區(qū)內(nèi)瓦斯涌出量，避免上隅角瓦斯積聚現(xiàn)象，對(duì)上隅角后方采取埋管瓦斯抽采，并對(duì)上隅角進(jìn)行封堵，增加采空區(qū)瓦斯抽采負(fù)壓值。

1）首先在上隅角處安裝1 根瓦斯抽采管路，在管路端頭上安裝正三通，正三通上覆安裝1 個(gè)篩管，篩管垂直底板布置，在刷管四周架設(shè)木垛進(jìn)行維護(hù)。

2）在正三通后方安裝3 根瓦斯抽采軟管，每根長(zhǎng)度為6 m，當(dāng)?shù)谝唤M瓦斯抽采系統(tǒng)埋入采空區(qū)30 m 后安裝第二組抽采系統(tǒng)，第二組抽采系統(tǒng)通過(guò)分支管路與主管路連接，依次類(lèi)推直至工作面過(guò)沖刷帶。

3）由于203 工作面回采高度為4.0 m，上隅角空間大，采用傳統(tǒng)水泥磚墻進(jìn)行封堵時(shí)勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度大、成本高，且在對(duì)頂板施工過(guò)程中，頂板很容易垮落，所以決定對(duì)上隅角采用阻燃聚氨酯模塊進(jìn)行封堵，先對(duì)上隅角支設(shè)填充模塊，然后對(duì)模塊內(nèi)注入聚氨酯化學(xué)材料，該材料具有凝固時(shí)間短、膨脹體積大、質(zhì)量輕、抗壓強(qiáng)度好且封堵效果好等優(yōu)點(diǎn)。

3.3 切巷淺孔排放

為了提前對(duì)沖刷帶富集游離瓦斯進(jìn)行釋放，在工作面內(nèi)從機(jī)頭向機(jī)尾方向布置6 組超前抽采鉆孔進(jìn)行釋放，每組布置8 個(gè)鉆孔，鉆孔深度為30 m，直徑65 m，每組鉆孔布置3 排，采用“三二三”布置方式，鉆孔布置間排距為1.0 m，相鄰2 排鉆孔邁步式布置；第1 排鉆孔距頂板間距為1.0 m，鉆孔水平角、傾角為0°；每組鉆孔預(yù)留6.0 m 超前距。

3.4 順槽布置斜交鉆孔

為了降低煤層內(nèi)瓦斯?jié)舛?，解決傳統(tǒng)順槽鉆孔瓦斯抽采時(shí)負(fù)壓小、抽采效果差等技術(shù)難題，決定對(duì)203 工作面布置斜交鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采[5]。

1）由于運(yùn)輸順槽側(cè)風(fēng)流流向工作面，為了增加瓦斯鉆孔抽采負(fù)壓，運(yùn)輸順槽側(cè)煤壁鉆孔布置水平角為-10°（向著采空區(qū)方向?yàn)樨?fù)），回風(fēng)順槽側(cè)鉆孔布置水平角為10°，所有鉆孔傾角為0°，深度為100 m，布置間距為10 m，運(yùn)輸順槽側(cè)第1 個(gè)鉆孔布置在445 m處，回風(fēng)順槽側(cè)第1 個(gè)鉆孔布置在450 m 處，鉆孔開(kāi)口位置距頂板間距為1.5 m。

2）鉆孔施工完成后，對(duì)鉆孔內(nèi)安裝抽采花管，并進(jìn)行封孔處理，每5 個(gè)鉆孔為1 組，通過(guò)1 個(gè)混合器與瓦斯抽采支管連接，在支管與主管之間安裝壓力表、閥門(mén)以及流量計(jì)，每組鉆孔抽采時(shí)間不低于5 d。

3.5 瓦斯治理效果

203 工作面于8 月17 日完全通過(guò)沖刷帶，通過(guò)對(duì)203 工作面沖刷帶采取合理有效的瓦斯治理技術(shù)后，取得了以下顯著應(yīng)用成效：

1）降低了瓦斯?jié)舛?。采取瓦斯抽采技術(shù)后分別對(duì)工作面落煤點(diǎn)、回風(fēng)巷、上隅角以及架后布置瓦斯監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，落煤點(diǎn)平均瓦斯?jié)舛龋ㄍ咚節(jié)舛葹橥咚贵w積分?jǐn)?shù)，下同）由原來(lái)的1.2%降低至0.52%，回風(fēng)流中平均瓦斯?jié)舛扔稍瓉?lái)的1.24%降低至0.81%，上隅角處瓦斯?jié)舛扔稍瓉?lái)的0.95%降低至0.42%，架后30 m 范圍內(nèi)采空區(qū)瓦斯?jié)舛扔稍瓉?lái)的1.8%降低至0.87%。

2）提高了瓦斯抽采純量。采取瓦斯治理技術(shù)后，煤層瓦斯抽采純量提高至2.46 m3/min，提高了15.2%；高位裂隙帶瓦斯抽采純量提高至8.4 m3/min，提高了14%；采空區(qū)瓦斯抽采純量提高至5.1 m3/min，提高了11.7%。

3）加快了回采速度。對(duì)過(guò)沖刷區(qū)采取瓦斯治理技術(shù)后，降低了回采煤層瓦斯涌出量以及上隅角瓦斯積聚現(xiàn)象，后期回采中未出現(xiàn)瓦斯超限斷電現(xiàn)象，工作面回采速度由原來(lái)的1.8 m/d 提高至5.4 m/d。

4 結(jié)語(yǔ)

韓家洼煤礦針對(duì)203 工作面過(guò)地質(zhì)構(gòu)造沖刷帶期間瓦斯涌出量異常以及瓦斯超限現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)回采煤層、高位裂隙帶以及采空區(qū)采取合理有效的瓦斯治理技術(shù)后，降低了沖刷帶瓦斯涌出現(xiàn)象，減少了工作面瓦斯?jié)舛龋ＷC了工作面安全高效回采，取得了顯著應(yīng)用成效。