孤島工作面過斷層帶瓦斯綜合治理技術與應用

張凱強

(大同煤礦集團 忻州窯煤礦，山西 大同 037003)

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孤島工作面過斷層帶瓦斯綜合治理技術與應用

張凱強

(大同煤礦集團 忻州窯煤礦，山西 大同 037003)

針對忻州窯礦309盤區11#煤層8939“孤島”綜放回采面過斷層破碎帶期間瓦斯異常涌出及上隅角瓦斯積聚的實際情況，根據目前國內外礦井瓦斯涌出量預測方法，綜合分源預測法和礦山統計法，分析了8939“孤島”工作面過斷層破碎帶期間瓦斯涌出來源及涌出規律，并制定了合理的瓦斯綜合治理方案。通過合理配風、加強放頂、煤柱加固以及頂板來壓時的瓦斯治理應急措施等一系列技術手段，取得了良好的效果，有效控制了上隅角瓦斯積聚，實現了8939“孤島”綜放工作面過斷層破碎帶期間的安全生產，對無瓦斯抽放設備的礦井過斷層破碎帶等地質構造帶瓦斯防治有一定的指導作用。

高瓦斯礦井；孤島工作面；破碎帶；瓦斯涌出量；分源預測法；礦山統計法；瓦斯治理

近幾年來，全國煤礦瓦斯治理已取得顯著效果，瓦斯事故逐年下降，煤礦瓦斯防治形勢總體平穩好轉，但是瓦斯事故總量仍然較大，重特大瓦斯事故沒有得到有效遏制，瓦斯仍然是煤礦安全生產的“第一殺手”，瓦斯防治形勢依然嚴峻。據統計，2016年全年共發生瓦斯事故23起，同比減少22起，下降4.9%；但是全國8起10人以上重大事故中，有7起事故是瓦斯事故，死亡148人，占重大事故死亡人數的93.67%. 合理治理瓦斯，消滅瓦斯超限和瓦斯積聚仍是煤礦安全工作者當前最核心的任務。

大同煤礦集團忻州窯礦為高瓦斯礦井，作為一座有多年開采歷史的老礦，目前處于礦井開采后期，回采工作面陸續面臨兩側臨空或三側臨空的情況。該礦309盤區11#煤層8939面屬于“孤島”開采，礦山壓力集中顯現，且受地質構造帶、沖擊地壓等因素影響，瓦斯治理異常艱難。工作面初期開采過程中，采取內錯布置頂回風巷的手段治理上隅角瓦斯，效果較好。根據地質資料顯示，當工作面推進至810 m時，通過一條68～70 m寬的大斷層破碎帶，破碎帶貫穿整個工作面。先后采取布置頂回風巷、合理配風、加強放頂、維護煤柱等多種技術手段和管理措施，順利完成了工作面的開采并安全通過斷層破碎帶。

1 工作面概況

忻州窯礦位于大同煤田東北部，開采侏羅系煤層，已有近百年開采歷史，屬高瓦斯礦井。309盤區11-2#煤層8939工作面為厚煤層綜合機械化低位放頂煤開采，煤層中部低,兩翼高,大致呈一向斜構造，煤層傾角1°～9°,平均3°. 工作面4巷布置，一條運輸巷、一條尾回風巷、一條措施巷、一條內錯頂回風巷，采用“U+Ⅱ”型通風，采用內錯布置頂回風巷，控制上隅角氣體流向的方法稀釋工作面瓦斯。采區布置示意圖見圖1.

圖1 309盤區11#層8939面通風系統示意圖

8939工作面三面臨空，形成“孤島”，相鄰采空區瓦斯涌出量比正常情況下較大，且被一條68～70 m寬的大斷層破碎帶貫穿整個工作面。當工作面推進至斷層破碎帶前20 m范圍內，工作面瓦斯涌出量開始增大，最大瓦斯涌出量7.9 m3/min，同時過斷層破碎帶期間頂回風巷存在和機道塌通或頂板破碎煤矸石堵塞頂回風巷斷面，造成回風短路或風量減少，達不到改變工作面上隅角氣體流向，稀釋瓦斯濃度的要求，上隅角瓦斯濃度最大達到2.2%，對生產造成極大的安全隱患。

2 過斷層破碎帶期間瓦斯異常涌出規律分析

2.1 瓦斯異常涌出來源分析

1) 根據《8939面地質說明書》，工作面基本頂為灰白色中砂、細砂巖，直接頂底板均為灰色及灰白色粉、細砂巖，煤層頂、底部均屬于超硬、低透氣性巖層，并且煤層中部低、兩翼高，整個工作面位于區域向斜軸部，容易積存大量瓦斯。煤層頂底板情況見表1.

表1 煤層頂底板情況表

2) 受斷層破碎帶影響，5939巷附近有11條正逆小斷層，這些發育的小斷層大多發生在煤層并且高差在0.2～1.4 m，既有利于吸附態瓦斯轉變為游離態，又有利于瓦斯賦存，形成高瓦斯涌出區域。

3) 工作面為孤島開采工作面，其東、西、北部均為采空區，周圍封閉了大量的采空區，采空區越大積聚的瓦斯越多，涌出的瓦斯越多。孤島工作面應力集中作用明顯，當推進到斷層破碎帶影響區域時，煤柱承壓大，裂隙大量發育，在礦井主扇負壓作用下，采空區內大量瓦斯被負壓抽到工作面。

2.2 瓦斯異常涌出規律和瓦斯積聚原因分析

1) 瓦斯涌出主要來源于工作面煤層瓦斯涌出和采空區瓦斯涌出，一般在工作面割煤及移架期間瓦斯涌出量變化較大，峰值出現在15:30～18:00，2:00～5:00，其他時間段工作面瓦斯涌出量變化不大。

2) 工作面作業區域瓦斯濃度一般較低，但上隅角及后溜尾處瓦斯濃度較高。

3) 當頂回風巷和工作面機道短路或頂回風巷斷面被破碎煤矸石堵塞時，采空區污風進入頂回風巷風量減少，上隅角氣體流場變化，采空區大量氣體涌出至上隅角區域，造成瓦斯積聚和超限。

3 過斷層破碎帶期間瓦斯綜合治理技術

3.1 合理配風

合理配風是瓦斯防治最常見、最有效的手段，用風量來稀釋瓦斯是瓦斯治理最基本的方法。根據以往開采8935、8937面過斷層破碎帶經驗，頂回風巷風量由750 m3/min增加到1 000 m3/min，尾回風巷風量由450 m3/min降低到300 m3/min，增加上隅角后采空區和工作面的風壓差，控制上隅角氣體流向，有效稀釋上隅角和后溜尾瓦斯。

3.2 煤柱堵漏

8939面2939巷、5939巷煤柱，在掘進和回采過程中，受孤島面集中應力擠壓作用，煤柱整體性變形位移嚴重，特別是斷層破碎帶影響區域，部分出現裂隙溝通采空區，瓦斯涌出量較大。為減少采空區漏風，從5939巷和2939巷向采空區煤柱注破碎煤體黏接堵漏高分子材料永固S. 5939巷從860 m通尺點至970 m通尺點段、2939巷從790 m通尺點至900 m通尺點段，由里向外施工鉆孔并注永固S，鉆孔設在5935巷、2939巷靠采空區側，巷幫與頂板交界處，施工鉆孔和注永固S同步進行。

永固S是一種煤巖體高分子注漿加固劑，由兩組份組成，使用時兩組份料按1∶1配比，通過專用氣動注漿泵和混合槍注入到松散或破碎的煤巖體裂隙中。產品混合黏度低，能滲入較細巖縫中，反應迅速，形成的固結體具有高強度、高韌性、抗壓縮形變、抗拉伸、抗剪切、阻燃等特點，能夠把原來松散的、破碎的、不連續的煤巖體圍巖膠結成連續的、完整的受力體。注永固S可超前加固5939、2939巷臨空煤柱間的破碎煤巖體，減少采空區的瓦斯涌出量。8939面煤柱加固注永固S鉆孔技術參數見表2.

表2 8939面煤柱加固注永固S鉆孔技術參數表

3.3 維護頂回風巷保證“U+Ⅱ”型通風系統穩定

在斷層破碎帶影響區域內割煤時，頂回風巷和尾回風巷煤柱容易漏通造成頂回風巷短路和頂回風巷被破碎頂板煤矸石堵塞通風斷面，破壞“U+Ⅱ”型通風系統，無法有效稀釋瓦斯。

1) 從5939巷打孔到兩巷煤柱和頂回風巷破碎頂板區域提前注永固S，可超前加固5939巷和8939頂回風巷煤柱間破碎煤巖體和8939頂回風巷破碎頂板，防止回采時頂回風巷與工作面漏通和破碎煤巖體塌落阻塞頂回風斷面，保證8939頂回風巷風流穩定，“U+Ⅱ”型通風系統穩定。

2) 在頂回風巷斷層破碎帶影響區域，用道木架設“井”字型木垛，預防破碎頂板落下堵塞頂回風巷通風斷面。

3.4 上隅角導風法

在采取加大配風、減少采空區瓦斯涌出、維護頂回風巷后，仍無法有效稀釋上隅角及后溜尾瓦斯濃度時，采取在工作面尾部掛設L風障，增加工作面尾部阻力，將風流引入上隅角和后溜尾，消除積聚瓦斯。309盤區8939面風障布置示意圖見圖2.

圖2 309盤區8939面風障布置示意圖

4 技術措施效果分析

1) 向采空區隔離煤柱充填永固S材料，黏貼破碎煤體，封堵充填煤柱裂隙，實際操作中簡單方便，從減少采空區瓦斯涌出的效果來看比較實用。

2) 通過注永固S維護頂回風巷煤柱，打“井”字型木垛的方法維護頂回風巷通風系統，在過斷層破碎帶的過程中頂回風巷煤柱一直完好，為保證回風量一直在700～900 m3/min起到了關鍵作用，取得了良好的效果。

5 結 語

通過采取上述瓦斯防治技術及管理措施后，8939“孤島”綜放工作面安全通過了70 m寬的斷層破碎帶，上隅角和后溜尾瓦斯濃度控制在0.5%以下，頂回風巷瓦斯濃度控制在0.8%以下，尾回風巷瓦斯濃度控制在0.2%以下，未出現因瓦斯超限而停產和瓦斯超限作業現象，保證了工作面的安全生產。

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Application Research on Gas Comprehensive Treatment Technique in Working Face through Fault

ZHANG Kaiqiang

Based on the actual condition of abnormal gas emission and accumulation in the upper corner in isolated caving workface of No.8939 in xinzhouyao coal mine, during mining through fault and fracture zone, method of gas volume prediction, including traditional one, comprehensive source classified one, and coal mine statistic one are introduced to analysis the gas volume and emission rule, all for the set of reasonable treatment programs. By a series of means, such as the rational allocation of air, the strengthening while caving, the pillar reinforcement, and turning on emergency model while the pressure is coming, the gas accumulation in upper corner is effectively controlled, safety achieved. The practice in the paper has guiding meaning for similar coal mines with gas drainage equipment unavailable.

High gas mine; Island working face; Broken zone; Gas emission rate; Different-source forecast method; Mine statistical method; Gas treatment

2017-02-12

張凱強(1990—)，男，山西渾源人，2012年畢業于西安科技大學，助理工程師，主要從事煤礦通風與瓦斯治理等方面的技術管理工作

(E-mail)476357335@qq.com

TD712

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1672-0652(2017)03-0016-04