大采高孤島工作面瓦斯綜合防治技術(shù)實(shí)踐

河南神火煤業(yè) 梁北煤礦 張清鋒 張 飛 張帥偉 李良印

大采高孤島工作面瓦斯綜合防治技術(shù)實(shí)踐

河南神火煤業(yè) 梁北煤礦 張清鋒 張 飛 張帥偉 李良印

一、礦井基本概況

神火煤業(yè)梁北煤礦隸屬于神火集團(tuán)，位于河南省禹州市城南6 km處，西鄰平禹煤電公司四礦，年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為90萬t，主采區(qū)分二疊系山西組底部二1煤層，為“三軟”煤層，煤層平均厚度4.2 m，屬煤與瓦斯突出礦井。煤層瓦斯壓力0.6～3.65 MPa,瓦斯含量4.91～13.97 m3/t，硬度系數(shù)0.15～0.3，煤層透氣性系數(shù)0.001 1～0.045 4 m2（MPa2·d）。

二、110 61工作面概況

11061工作面風(fēng)機(jī)巷分別于2006年3月開始掘進(jìn)，2009年7月貫通，2010年5月開始回采。該工作面位于11采區(qū)西翼上部，11采區(qū)軌道上山以西，東至虎頭山斷層煤柱，上部為11041工作面采空區(qū)，下部為11081工作面采空區(qū)，工作面走向長度740 m，工作面傾斜長度112 m，工作面煤層厚度相對(duì)穩(wěn)定，距切眼70 m位置有薄煤帶（工作面中上部，距風(fēng)巷20～40 m，走向長約70 m），工作面開切眼位置有一小構(gòu)造（小斷層，落差1.9 m，走向25°，傾角46°）。工作面瓦斯壓力1.372 MPa，瓦斯含量11.5 m3/t。采用“U”型通風(fēng)方式，風(fēng)、機(jī)巷斷面均為14 m2，工作面配風(fēng)量約2 300 m3/min?；夭蓱?yīng)用后退式走向長壁綜合機(jī)械化設(shè)備和一次采全高采煤工藝。

三、區(qū)域防突措施

根據(jù)回采準(zhǔn)備時(shí)間和預(yù)抽時(shí)間，先進(jìn)行第一遍本煤層預(yù)抽消突鉆孔施工，再根據(jù)各個(gè)塊段的不同情況有針對(duì)性地進(jìn)一步采取治理瓦斯措施。第一遍預(yù)抽消突鉆孔的布置方式為：工作面切眼位置沿走向布置鉆孔與11061風(fēng)機(jī)巷本煤層鉆孔垂直交叉；11061機(jī)巷上幫和11061風(fēng)巷下幫施工，機(jī)巷鉆孔設(shè)計(jì)孔深70 m，風(fēng)巷設(shè)計(jì)孔深65 m，鉆孔間距分別是0.7 m，從停采線外25 m開始向里施工，保停采線處有20 m以上預(yù)抽超前距。實(shí)際孔深65～85 m。

四、通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整

在采面回采期間，密切關(guān)注工作面的推進(jìn)度，掌握工作面上部和下部采空區(qū)密閉內(nèi)的瓦斯流運(yùn)移方向，利用風(fēng)壓差，始終將兩個(gè)采空區(qū)內(nèi)的瓦斯流入11061工作面，規(guī)劃好采空區(qū)內(nèi)的瓦斯運(yùn)移方向，然后通過瓦斯抽放管道抽出進(jìn)行利用。

五、110 61工作面瓦斯分段治理

根據(jù)11061工作面回采期間所處的不同位置，由開切眼位置的半孤島向全孤島過渡。將11061工作面沿走向人為劃分為4段，分別采取措施進(jìn)行瓦斯治理，如圖1所示。

1.A段。即11061工作面前20 m，初采階段，初次放頂期間根據(jù)梁北煤礦其他采面回采經(jīng)驗(yàn)，推斷11061工作面的初次來壓步距為20 m。初次放頂考慮工作面局部應(yīng)力集中，初次來壓易造成工作面煤與瓦斯壓出現(xiàn)象，工作面的瓦斯治理方法如下。

圖 1 11061工作面劃分區(qū)段

（1）區(qū)域瓦斯治理。風(fēng)、機(jī)巷施工本煤層抽放鉆孔沿傾向布置與工作面施工。本煤層抽放鉆孔沿走向布置呈垂直交叉。11061機(jī)巷：孔間距為0.7 m，孔徑為94 mm，鉆孔垂直煤壁（方位角為0°），鉆孔傾角隨煤層頂板坡度，鉆孔超前50 m。11061風(fēng)巷的孔間距為0.7 m，孔徑為94 mm，鉆孔垂直煤壁（方位角為0°），鉆孔傾角隨煤層頂板坡度，鉆孔超前50 m。工作面切眼：孔間距為0.7m，孔徑為94 mm，鉆孔垂直煤壁（方位角為0°），鉆孔呈水平布置，鉆孔深度65 m，經(jīng)區(qū)域效檢不超標(biāo)。

（2）局部瓦斯治理措施。無論工作面區(qū)域驗(yàn)證是否超標(biāo)，工作面均采取局部防突措施施工并進(jìn)行局部措施效果檢驗(yàn)，且局部措施效果檢驗(yàn)不超指標(biāo)時(shí)方準(zhǔn)回采，否則必須施工補(bǔ)充措施，直至檢驗(yàn)指標(biāo)不超。

（3）治理效果。工作面防治煤與瓦斯突出達(dá)到有效治理目標(biāo)，但工作面初采由于受構(gòu)造和11081已采區(qū)的影響，工作面直接頂在回采約5m處，大面積垮落，老塘乏風(fēng)被大量帶入工作面風(fēng)流中。

熱液蝕變主要為中低溫蝕變礦物組合為主，有硅化、黃鐵礦化、絹云母化、碳酸鹽化、青磐巖化等。黃鐵礦呈集合體團(tuán)塊狀、浸染狀、星點(diǎn)狀分布，主要發(fā)生在角礫巖內(nèi)部及附近巖體內(nèi)。

2.B段。11061工作面前方是采動(dòng)應(yīng)力疊加區(qū)。根據(jù)前期對(duì)11061工作面及順槽的電磁輻射觀測和變形分析結(jié)果，11061工作面切眼傾斜長112 m，已回采110 m左右，接近一次見方，處于高礦壓時(shí)期。當(dāng)工作面回采50 m后，工作面局部煤層變?。◤拿汉窠? m變?yōu)?.3 m左右，且極不穩(wěn)定），頂?shù)装迤鸱?，煤?.0 m，起伏區(qū)域15 m。回采至70 m后，工作面頂?shù)装迤鸱觿?、煤厚變化加劇，最薄?.3～0.5 m。且工作面出現(xiàn)小構(gòu)造，落差1.0 m，走向北東，該構(gòu)造距離風(fēng)巷20～40 m范圍分布，是礦山壓力支撐點(diǎn)，工作面回采過程中和打卸壓鉆孔期間出現(xiàn)響煤炮，且響過煤炮后煤壁有明顯的位移現(xiàn)象，位移量最多處達(dá)100 mm。治理措施如下。

（1）區(qū)域瓦斯治理。工作面進(jìn)入全孤島前，工作面處于局部構(gòu)造帶，礦山壓力局部應(yīng)力集中明顯。采取的措施有：在機(jī)巷布置鉆場，布置扇形瓦斯抽放鉆孔，進(jìn)行瓦斯卸壓抽放，鉆孔以打到構(gòu)造處的深度為準(zhǔn)。在工作面風(fēng)巷布置卸壓抽放鉆孔，沿走向每0.7 m布置一列鉆孔（加上第一遍預(yù)抽本煤層鉆孔，每列3個(gè)鉆孔），每列2個(gè)抽放卸壓孔，鉆孔深度以穿過構(gòu)造為準(zhǔn)。停止工作面推進(jìn)，將液壓鉆機(jī)搬入工作面，在工作面構(gòu)造處及兩側(cè)20 m范圍內(nèi)補(bǔ)打卸壓鉆孔。風(fēng)、機(jī)巷和工作面分別加密布置區(qū)域效檢孔，經(jīng)區(qū)域效檢不超指標(biāo)。采取深孔松動(dòng)爆破措施。工作面每一局部防突措施鉆孔施工前，必須采取松動(dòng)爆破措施：沿工作面傾向，每8 m布置一個(gè)深12 m爆破卸壓孔，鉆孔布置在煤層的偽底當(dāng)中，每孔裝藥量2卷（每卷1 m）。工作面執(zhí)行松動(dòng)爆破措施后，必須執(zhí)行工作面局部卸壓鉆孔措施。鉆孔深度12.1 m。

（2）局部瓦斯治理措施。松動(dòng)爆破后，不論工作面區(qū)域驗(yàn)證是否超標(biāo)，工作面均進(jìn)行局部防突措施施工。重點(diǎn)是構(gòu)造處的局部卸壓鉆孔的施工，必須保證鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)深度，并進(jìn)行局部措施效果檢驗(yàn)。

（3）由于礦山壓力局部集中，風(fēng)巷上隅角的上幫實(shí)體煤壁破壞嚴(yán)重，煤壁處局部瓦斯涌出量增大，形成“瓦斯膜”。對(duì)上幫的煤壁實(shí)行打孔抽放措施，鉆孔始終超前上隅角30 m，孔深12.1 m，孔距1 m。通過局部瓦斯抽放，有效地解決了上隅角處“瓦斯膜”現(xiàn)象。

（4）治理效果。工作面防治煤與瓦斯突出達(dá)到有效治理目標(biāo)，采煤期間瓦斯均衡涌出，涌出量1.8 m3/min。但工作面采取局部卸壓鉆孔時(shí)，工作面伴有煤炮聲，煤炮后工作面有位移現(xiàn)象發(fā)生，最大量約100 mm，工作面往往要撤人實(shí)行間歇性施工鉆孔，工作面推進(jìn)速度減慢，每月推進(jìn)速度約30 m。

3.C段。工作面進(jìn)入全孤島，風(fēng)、機(jī)巷礦山壓力顯現(xiàn)明顯，又因?yàn)槭恰叭浢簩印保锏纼蓭偷氖諗苛縿≡?，收斂量達(dá)1.5 m，底鼓量也大大增加，底鼓量折合約2 m，給工作面的通風(fēng)瓦斯治理帶來相當(dāng)大的壓力。原因如下：一是工作面有效通風(fēng)斷面減小，影響工作面風(fēng)量；二是礦壓作用，封閉工作面煤壁瓦斯涌出通道，致使工作面瓦斯很難得到釋放；三是風(fēng)機(jī)兩巷兩幫收斂，造成本煤層瓦斯抽放鉆孔封孔段被破壞，大量抽放鉆孔漏氣，瓦斯抽不出來。針對(duì)這些問題，采取如下措施。

（1）區(qū)域治理措施。隨工作面推進(jìn)，邊采邊打孔抽放并保證有一臺(tái)鉆機(jī)始終對(duì)工作面壓力集中帶擾動(dòng)、增流抽放。在機(jī)巷仍然布置鉆場，布置扇形瓦斯抽放鉆孔，縮小孔底間距，進(jìn)行瓦斯卸壓抽放。在工作面風(fēng)巷布置卸壓抽放鉆孔，沿走向每0.7 m布置一列鉆孔（加上第一遍預(yù)抽本煤層鉆孔，每列3個(gè)鉆孔），每列有2個(gè)抽放卸壓孔，同時(shí)在風(fēng)巷布置抽放鉆場，朝向工作面方向施工卸壓鉆孔擾動(dòng)、增流抽放。與中國礦業(yè)大學(xué)結(jié)合，測出超前壓力范圍，并根據(jù)范圍大小增加工作面超前支護(hù)的長度，工作面超前支護(hù)100 m打雙排支柱，工作面超前支護(hù)200 m打單排支柱，對(duì)于局部巷道收斂量大的區(qū)域并進(jìn)行修護(hù)。風(fēng)、機(jī)巷和工作面分別加密布置區(qū)域效檢孔，經(jīng)區(qū)域效檢不超過指標(biāo)。

（3）治理效果。工作面防治煤與瓦斯突出達(dá)到有效治理目標(biāo)，工作面回采期間瓦斯涌出量最大11.5 m3/min，工作面月推進(jìn)65 m。但工作面兩巷的應(yīng)力集中支撐點(diǎn)附近施工12.1 m淺孔抽放鉆孔時(shí)，經(jīng)常有鉆孔噴孔現(xiàn)象發(fā)生。

4.D段。工作面進(jìn)入末采階段。約距末采70 m時(shí)，兩巷收斂量減小，工作面執(zhí)行12.1 m淺孔抽放孔時(shí)沒有瓦斯噴孔現(xiàn)象。

（1）區(qū)域治理措施。利用風(fēng)壓差，將2個(gè)空區(qū)內(nèi)的瓦斯向11061工作面方向以外的方向運(yùn)移，然后通過瓦斯抽放管道抽出，增大瓦斯抽放能力（采空區(qū)處煤柱承壓，煤柱破壞深度增加，大量瓦斯釋放出來）。風(fēng)、機(jī)2巷的卸壓抽放鉆孔提前打完，對(duì)2巷抽放鉆孔低壓注水后繼續(xù)連孔抽放，利用遇水膨脹保封孔段的密封，抽出高濃度瓦斯。

（2）局部瓦斯治理措施。工作面繼續(xù)執(zhí)行12.1 m的淺孔卸壓措施，工作面均勻布置。

六、綜合治理注意事項(xiàng)

1.必須經(jīng)常深入井下，掌握第一手的資料，及時(shí)將回采推進(jìn)度和回采期間出現(xiàn)的異常情況在圖紙上描述、標(biāo)注。

2.分“塊段”治理，要掌握好各轉(zhuǎn)接治理的關(guān)鍵點(diǎn)，既要防治重點(diǎn)失控，出現(xiàn)事故，又要防止出現(xiàn)措施千篇一律的情況，無端增加工作量，增加施工工程量并浪費(fèi)時(shí)間。

3.半孤島工作面開采時(shí)，11061工作面應(yīng)力分布較平穩(wěn)。走向方向，風(fēng)巷超前影響距離約為70 m，機(jī)巷超前影響距離為40 m，工作面前方10～20 m范圍為礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈區(qū)。沿傾向方向，風(fēng)巷下側(cè)12～15 m、機(jī)巷上側(cè)20～25 m處為垂直應(yīng)力峰值范圍，應(yīng)力集中系數(shù)約為2.3～2.5，且工作面中部的應(yīng)力無跳躍現(xiàn)象。

4.在孤島工作面開采時(shí)，工作面應(yīng)力變化較劇烈。在走向方向上，超前影響距離為40 m，工作面前方10～20 m為礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈區(qū)。在傾向方向上，風(fēng)巷下側(cè)20～25 m，機(jī)巷上側(cè)22～26 m處為垂直應(yīng)力峰值區(qū)，應(yīng)力集中系數(shù)約為3.0～3.5，且采面中部應(yīng)力變化劇烈，存在明顯的應(yīng)力跳躍現(xiàn)象。

5.工作面下部（靠近11081工作面一側(cè)）的應(yīng)力應(yīng)變，半孤島和全孤島基本一致。但在11041采空區(qū)一側(cè)，孤島工作面的應(yīng)力應(yīng)變明顯大于半孤島工作面應(yīng)力，且變化更趨劇烈。

6.薄煤帶開采應(yīng)重點(diǎn)解決薄煤區(qū)構(gòu)造應(yīng)力疊加。煤層變薄區(qū)從煤厚約5 m變?yōu)榧s0.3 m，且極不穩(wěn)定，薄煤層在頂部和底部依次出現(xiàn)，巖層層理非常紊亂，巖性變化大，在這么短的可見區(qū)域內(nèi)能夠看到斷層和類褶曲的小構(gòu)造。說明此處還經(jīng)歷過局部的構(gòu)造作用，致使應(yīng)力進(jìn)一步疊加。

七、綜合治理經(jīng)驗(yàn)

本文，筆者通過對(duì)11061工作面回采期間進(jìn)行防突及瓦斯治理，總結(jié)出以下經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)。

1.合理布置回采工作面的順序，減少或避免孤島工作面布置。

2.工作面開采及開采速度與瓦斯治理的關(guān)系。當(dāng)工作面推進(jìn)長度為工作面寬度的1倍、2倍和3倍等整數(shù)倍時(shí)，受采動(dòng)空間結(jié)構(gòu)及周期來壓等因素的綜合影響，采面的應(yīng)力集中系數(shù)較高，且?guī)r層活動(dòng)較劇烈，往往是動(dòng)力災(zāi)害的多發(fā)位置，因此需要在這些位置附近應(yīng)做好監(jiān)測及預(yù)防工作。孤島工作面風(fēng)巷、機(jī)巷的采動(dòng)影響距離較大，應(yīng)延長超前支護(hù)范圍，加強(qiáng)超前支護(hù)強(qiáng)度。風(fēng)、機(jī)巷超前段受采動(dòng)強(qiáng)烈影響，累計(jì)變形量大，應(yīng)采取加大支護(hù)強(qiáng)度、臥底刷幫等方法，以保證兩巷超前范圍內(nèi)的斷面大小。

3.高應(yīng)力區(qū)卸壓保護(hù)。孤島工作面應(yīng)力集中區(qū)較多，且應(yīng)力集中系數(shù)較大，可對(duì)應(yīng)力集中區(qū)采取卸壓爆破、鉆孔卸壓等方法，降低應(yīng)力集中系數(shù)，改善應(yīng)力集中區(qū)的分布。