斷層沖刷帶瓦斯治理技術的研究與應用

喬福龍

（山西焦煤山煤國際韓家洼煤業有限公司，山西 大同 037031）

1 203 工作面概述

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

203 工作面于2021 年7 月15 日回采，工作面回采至420 m 處時，在回風順槽側預先揭露K7 斷層沖刷帶疊加構造異常區，K7 斷層沖刷帶貫穿整個工作面，斷層落差為2～4 m，傾角為70°，對工作面回采影響長度為157 m，沖刷帶寬度為40 m。當工作面回采至434 m 處揭露沖刷帶時，煤體涌出瓦斯濃度突然增大，最大瓦斯濃度（體積分數，下同）達1.7%，工作面過沖刷帶時平均回采速度為1.8 m/d，回采效率低。為了加快工作面過沖刷帶，降低沖刷帶瓦斯濃度，決定對工作面采取布置高位鉆孔、上隅角封堵等瓦斯治理技術[1-3]。

2 沖刷帶瓦斯分布規律及原瓦斯治理技術

2.1 沖刷帶瓦斯運移及涌出時空分布規律

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

為了準確掌握203 工作面過沖刷帶瓦斯擴散規律，在切眼內每隔40 m 布置1 個瓦斯濃度觀察站，共計布置5 個測站，每個測站內沿工作面傾向方向布置5 個測點，與工作面煤壁垂直且向采空區方向布置7個測點（延伸至架后2～3 m），所有測點布置間距為1.0 m，準確測定各個測點處瓦斯濃度、風速、風量大小，計算出煤壁側及采空區瓦斯濃度，從而分析出瓦斯涌出規律，相關數據如圖1 所示，A、B、C、D、E 分別為自機頭到機尾距離間距45 m 的工作面測點。

圖1 203 工作面沿傾向、走向方向瓦斯分布規律圖

從圖1-1 可知，從機頭向機尾方向工作面內瓦斯濃度呈遞增趨勢，其中在工作面中部區域瓦斯遞增幅度不大，但是從中部至上隅角段瓦斯濃度遞增幅度最大。從圖1-2 可知，各個測站采空區方向瓦斯濃度從機頭向機尾呈遞增趨勢，各個測站內縱向測點從煤壁向采空區方向瓦斯濃度整體呈現“高—低—高”趨勢，其中位于機頭段的瓦斯濃度基本保持不變。

2.2 原瓦斯治理技術

為了解決工作面過沖刷帶時瓦斯超限問題，在工作面回采前期布置順層鉆孔進行本煤層瓦斯預抽；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，長度為90 m，鉆孔交替布置，布置間距為10 m；向鉆孔內安裝1 根直徑為113 mm 的抽采軟管，并通過抽采閥門與主管連接，在采區臨時抽采泵房內安裝2 臺2BEC60 移動抽采泵進行瓦斯抽采，抽采混合流量為105 m3/min。

2.3 主要存在的問題

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，工作面內瓦斯濃度增加，工作面被迫停采，采用順層瓦斯抽采時存在抽采盲區，且現有的瓦斯抽采技術抽采能力有限、抽采效果差，起不到預期抽采效果[4]。

2）由于受斷層構造沖刷帶影響，煤體及頂板出現裂隙帶，部分瓦斯富集在頂板裂隙區內，隨著回采后頂板垮落瓦斯涌入采空區內，傳統順層鉆孔無法對裂隙瓦斯進行抽采。

3）203 工作面采用傳統的U 型通風系統，在通風過程中采空區漏風量大，且采空區兩端頭存在較大負壓差，在負壓作用下漏風量從機頭向機尾移動，并從上隅角處流出，從而將采空區內部分有害氣體帶出，導致上隅角處瓦斯超限現象。

3 沖刷帶瓦斯治理技術優化應用

3.1 布置高位鉆場

1）由于運輸順槽內煤體負壓方向與自然風壓方向相反，布置高位鉆孔瓦斯抽采時抽采效果差、抽采流量低，所以決定在203 回風順槽內布置高位鉆場。高位鉆場布置在440～600 m 段，為了避免出現抽采盲區，防止出現沖刷帶瓦斯抽采低谷區，高位鉆場布置間距為50 m，共計布置3 個鉆場，每個鉆場內布置10 個高位裂隙鉆場，鉆孔深度為100 m，直徑為93 mm。

2）鉆場內鉆孔編號為1 號—10 號，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平面圖

3）鉆孔施工完成后，對所有鉆孔內安裝瓦斯抽采花管，花管長度為10 m，花管直徑為75 mm，對鉆孔孔口5.0 m 范圍內進行擴孔處理，并進行封孔處理；每個鉆場內安裝1 個多通混合器，花管與混合器連接，每根花管與混合器連接處安裝1 個流量計以及控制閥門；每個鉆場瓦斯抽采時間為15 d。

3.2 采空區埋管瓦斯抽采

為了減少采空區內瓦斯涌出量，避免上隅角瓦斯積聚現象，對上隅角后方采取埋管瓦斯抽采，并對上隅角進行封堵，增加采空區瓦斯抽采負壓值。

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 個篩管，篩管垂直底板布置，在刷管四周架設木垛進行維護。

2）在正三通后方安裝3 根瓦斯抽采軟管，每根長度為6 m，當第一組瓦斯抽采系統埋入采空區30 m 后安裝第二組抽采系統，第二組抽采系統通過分支管路與主管路連接，依次類推直至工作面過沖刷帶。

3）由于203 工作面回采高度為4.0 m，上隅角空間大，采用傳統水泥磚墻進行封堵時勞動作業強度大、成本高，且在對頂板施工過程中，頂板很容易垮落，所以決定對上隅角采用阻燃聚氨酯模塊進行封堵，先對上隅角支設填充模塊，然后對模塊內注入聚氨酯化學材料，該材料具有凝固時間短、膨脹體積大、質量輕、抗壓強度好且封堵效果好等優點。

3.3 切巷淺孔排放

為了提前對沖刷帶富集游離瓦斯進行釋放，在工作面內從機頭向機尾方向布置6 組超前抽采鉆孔進行釋放，每組布置8 個鉆孔，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°；每組鉆孔預留6.0 m 超前距。

3.4 順槽布置斜交鉆孔

為了降低煤層內瓦斯濃度，解決傳統順槽鉆孔瓦斯抽采時負壓小、抽采效果差等技術難題，決定對203 工作面布置斜交鉆孔進行瓦斯抽采[5]。

1）由于運輸順槽側風流流向工作面，為了增加瓦斯鉆孔抽采負壓，運輸順槽側煤壁鉆孔布置水平角為-10°（向著采空區方向為負），回風順槽側鉆孔布置水平角為10°，所有鉆孔傾角為0°，深度為100 m，布置間距為10 m，運輸順槽側第1 個鉆孔布置在445 m處，回風順槽側第1 個鉆孔布置在450 m 處，鉆孔開口位置距頂板間距為1.5 m。

2）鉆孔施工完成后，對鉆孔內安裝抽采花管，并進行封孔處理，每5 個鉆孔為1 組，通過1 個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、閥門以及流量計，每組鉆孔抽采時間不低于5 d。

3.5 瓦斯治理效果

203 工作面于8 月17 日完全通過沖刷帶，通過對203 工作面沖刷帶采取合理有效的瓦斯治理技術后，取得了以下顯著應用成效：

1）降低了瓦斯濃度。采取瓦斯抽采技術后分別對工作面落煤點、回風巷、上隅角以及架后布置瓦斯監測點，通過現場實測發現，落煤點平均瓦斯濃度（瓦斯濃度為瓦斯體積分數，下同）由原來的1.2%降低至0.52%，回風流中平均瓦斯濃度由原來的1.24%降低至0.81%，上隅角處瓦斯濃度由原來的0.95%降低至0.42%，架后30 m 范圍內采空區瓦斯濃度由原來的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。對過沖刷區采取瓦斯治理技術后，降低了回采煤層瓦斯涌出量以及上隅角瓦斯積聚現象，后期回采中未出現瓦斯超限斷電現象，工作面回采速度由原來的1.8 m/d 提高至5.4 m/d。

4 結語

韓家洼煤礦針對203 工作面過地質構造沖刷帶期間瓦斯涌出量異常以及瓦斯超限現象，通過對回采煤層、高位裂隙帶以及采空區采取合理有效的瓦斯治理技術后，降低了沖刷帶瓦斯涌出現象，減少了工作面瓦斯濃度，保證了工作面安全高效回采，取得了顯著應用成效。