大采高孤島工作面瓦斯綜合防治技術實踐

河南神火煤業 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實踐

河南神火煤業 梁北煤礦 張清鋒 張 飛 張帥偉 李良印

一、礦井基本概況

神火煤業梁北煤礦隸屬于神火集團，位于河南省禹州市城南6 km處，西鄰平禹煤電公司四礦，年設計生產能力為90萬t，主采區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0.15～0.3，煤層透氣性系數0.001 1～0.045 4 m2（MPa2·d）。

二、110 61工作面概況

11061工作面風機巷分別于2006年3月開始掘進，2009年7月貫通，2010年5月開始回采。該工作面位于11采區西翼上部，11采區軌道上山以西，東至虎頭山斷層煤柱，上部為11041工作面采空區，下部為11081工作面采空區，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穩定，距切眼70 m位置有薄煤帶（工作面中上部，距風巷20～40 m，走向長約70 m），工作面開切眼位置有一小構造（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”型通風方式，風、機巷斷面均為14 m2，工作面配風量約2 300 m3/min。回采應用后退式走向長壁綜合機械化設備和一次采全高采煤工藝。

三、區域防突措施

根據回采準備時間和預抽時間，先進行第一遍本煤層預抽消突鉆孔施工，再根據各個塊段的不同情況有針對性地進一步采取治理瓦斯措施。第一遍預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風機巷本煤層鉆孔垂直交叉；11061機巷上幫和11061風巷下幫施工，機巷鉆孔設計孔深70 m，風巷設計孔深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以上預抽超前距。實際孔深65～85 m。

四、通風系統調整

在采面回采期間，密切關注工作面的推進度，掌握工作面上部和下部采空區密閉內的瓦斯流運移方向，利用風壓差，始終將兩個采空區內的瓦斯流入11061工作面，規劃好采空區內的瓦斯運移方向，然后通過瓦斯抽放管道抽出進行利用。

五、110 61工作面瓦斯分段治理

根據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，初次放頂期間根據梁北煤礦其他采面回采經驗，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力集中，初次來壓易造成工作面煤與瓦斯壓出現象，工作面的瓦斯治理方法如下。

圖 1 11061工作面劃分區段

（1）區域瓦斯治理。風、機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，經區域效檢不超標。

（2）局部瓦斯治理措施。無論工作面區域驗證是否超標，工作面均采取局部防突措施施工并進行局部措施效果檢驗，且局部措施效果檢驗不超指標時方準回采，否則必須施工補充措施，直至檢驗指標不超。

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

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。黃鐵礦呈集合體團塊狀、浸染狀、星點狀分布，主要發生在角礫巖內部及附近巖體內。

2.B段。11061工作面前方是采動應力疊加區。根據前期對11061工作面及順槽的電磁輻射觀測和變形分析結果，11061工作面切眼傾斜長112 m，已回采110 m左右，接近一次見方，處于高礦壓時期。當工作面回采50 m后，工作面局部煤層變薄（從煤厚近5 m變為0.3 m左右，且極不穩定），頂底板起伏，煤厚1.0 m，起伏區域15 m。回采至70 m后，工作面頂底板起伏加劇、煤厚變化加劇，最薄處0.3～0.5 m。且工作面出現小構造，落差1.0 m，走向北東，該構造距離風巷20～40 m范圍分布，是礦山壓力支撐點，工作面回采過程中和打卸壓鉆孔期間出現響煤炮，且響過煤炮后煤壁有明顯的位移現象，位移量最多處達100 mm。治理措施如下。

（1）區域瓦斯治理。工作面進入全孤島前，工作面處于局部構造帶，礦山壓力局部應力集中明顯。采取的措施有：在機巷布置鉆場，布置扇形瓦斯抽放鉆孔，進行瓦斯卸壓抽放，鉆孔以打到構造處的深度為準。在工作面風巷布置卸壓抽放鉆孔，沿走向每0.7 m布置一列鉆孔（加上第一遍預抽本煤層鉆孔，每列3個鉆孔），每列2個抽放卸壓孔，鉆孔深度以穿過構造為準。停止工作面推進，將液壓鉆機搬入工作面，在工作面構造處及兩側20 m范圍內補打卸壓鉆孔。風、機巷和工作面分別加密布置區域效檢孔，經區域效檢不超指標。采取深孔松動爆破措施。工作面每一局部防突措施鉆孔施工前，必須采取松動爆破措施：沿工作面傾向，每8 m布置一個深12 m爆破卸壓孔，鉆孔布置在煤層的偽底當中，每孔裝藥量2卷（每卷1 m）。工作面執行松動爆破措施后，必須執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。松動爆破后，不論工作面區域驗證是否超標，工作面均進行局部防突措施施工。重點是構造處的局部卸壓鉆孔的施工，必須保證鉆孔達到設計深度，并進行局部措施效果檢驗。

（3）由于礦山壓力局部集中，風巷上隅角的上幫實體煤壁破壞嚴重，煤壁處局部瓦斯涌出量增大，形成“瓦斯膜”。對上幫的煤壁實行打孔抽放措施，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”現象。

（4）治理效果。工作面防治煤與瓦斯突出達到有效治理目標，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，工作面伴有煤炮聲，煤炮后工作面有位移現象發生，最大量約100 mm，工作面往往要撤人實行間歇性施工鉆孔，工作面推進速度減慢，每月推進速度約30 m。

3.C段。工作面進入全孤島，風、機巷礦山壓力顯現明顯，又因為是“三軟煤層”，巷道兩幫的收斂量劇增，收斂量達1.5 m，底鼓量也大大增加，底鼓量折合約2 m，給工作面的通風瓦斯治理帶來相當大的壓力。原因如下：一是工作面有效通風斷面減小，影響工作面風量；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；三是風機兩巷兩幫收斂，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。針對這些問題，采取如下措施。

（1）區域治理措施。隨工作面推進，邊采邊打孔抽放并保證有一臺鉆機始終對工作面壓力集中帶擾動、增流抽放。在機巷仍然布置鉆場，布置扇形瓦斯抽放鉆孔，縮小孔底間距，進行瓦斯卸壓抽放。在工作面風巷布置卸壓抽放鉆孔，沿走向每0.7 m布置一列鉆孔（加上第一遍預抽本煤層鉆孔，每列3個鉆孔），每列有2個抽放卸壓孔，同時在風巷布置抽放鉆場，朝向工作面方向施工卸壓鉆孔擾動、增流抽放。與中國礦業大學結合，測出超前壓力范圍，并根據范圍大小增加工作面超前支護的長度，工作面超前支護100 m打雙排支柱，工作面超前支護200 m打單排支柱，對于局部巷道收斂量大的區域并進行修護。風、機巷和工作面分別加密布置區域效檢孔，經區域效檢不超過指標。

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

4.D段。工作面進入末采階段。約距末采70 m時，兩巷收斂量減小，工作面執行12.1 m淺孔抽放孔時沒有瓦斯噴孔現象。

（1）區域治理措施。利用風壓差，將2個空區內的瓦斯向11061工作面方向以外的方向運移，然后通過瓦斯抽放管道抽出，增大瓦斯抽放能力（采空區處煤柱承壓，煤柱破壞深度增加，大量瓦斯釋放出來）。風、機2巷的卸壓抽放鉆孔提前打完，對2巷抽放鉆孔低壓注水后繼續連孔抽放，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。工作面繼續執行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

1.必須經常深入井下，掌握第一手的資料，及時將回采推進度和回采期間出現的異常情況在圖紙上描述、標注。

2.分“塊段”治理，要掌握好各轉接治理的關鍵點，既要防治重點失控，出現事故，又要防止出現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時間。

3.半孤島工作面開采時，11061工作面應力分布較平穩。走向方向，風巷超前影響距離約為70 m，機巷超前影響距離為40 m，工作面前方10～20 m范圍為礦壓顯現強烈區。沿傾向方向，風巷下側12～15 m、機巷上側20～25 m處為垂直應力峰值范圍，應力集中系數約為2.3～2.5，且工作面中部的應力無跳躍現象。

4.在孤島工作面開采時，工作面應力變化較劇烈。在走向方向上，超前影響距離為40 m，工作面前方10～20 m為礦壓顯現強烈區。在傾向方向上，風巷下側20～25 m，機巷上側22～26 m處為垂直應力峰值區，應力集中系數約為3.0～3.5，且采面中部應力變化劇烈，存在明顯的應力跳躍現象。

5.工作面下部（靠近11081工作面一側）的應力應變，半孤島和全孤島基本一致。但在11041采空區一側，孤島工作面的應力應變明顯大于半孤島工作面應力，且變化更趨劇烈。

6.薄煤帶開采應重點解決薄煤區構造應力疊加。煤層變薄區從煤厚約5 m變為約0.3 m，且極不穩定，薄煤層在頂部和底部依次出現，巖層層理非常紊亂，巖性變化大，在這么短的可見區域內能夠看到斷層和類褶曲的小構造。說明此處還經歷過局部的構造作用，致使應力進一步疊加。

七、綜合治理經驗

本文，筆者通過對11061工作面回采期間進行防突及瓦斯治理，總結出以下經驗和體會。

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系。當工作面推進長度為工作面寬度的1倍、2倍和3倍等整數倍時，受采動空間結構及周期來壓等因素的綜合影響，采面的應力集中系數較高，且巖層活動較劇烈，往往是動力災害的多發位置，因此需要在這些位置附近應做好監測及預防工作。孤島工作面風巷、機巷的采動影響距離較大，應延長超前支護范圍，加強超前支護強度。風、機巷超前段受采動強烈影響，累計變形量大，應采取加大支護強度、臥底刷幫等方法，以保證兩巷超前范圍內的斷面大小。

3.高應力區卸壓保護。孤島工作面應力集中區較多，且應力集中系數較大，可對應力集中區采取卸壓爆破、鉆孔卸壓等方法，降低應力集中系數，改善應力集中區的分布。