掘進工作面過斷層期間瓦斯治理模式研究與應用

張 波

（晉能控股集團晉圣永安宏泰煤業有限公司，山西 晉城 048205）

0 引言

國內煤礦90%以上屬于井工開采，地下開采以及現階段的深部開采面臨著復雜的地質環境，尤其是高瓦斯礦井和突出礦井，在地質構造影響區域，瓦斯含量和壓力較其他區域更大，更不可預知[1-4]。伴隨著采掘等擾動影響，在掘進期間很容易發生煤與瓦斯突出、瓦斯大量涌出，導致瓦斯超限，造成事故發生。構造區由于地質板塊引起的移動，導致煤體發生破裂，構造區成為應力集中區，裂隙貫通，瓦斯富集[5-6]。因此，在過斷層時針對瓦斯問題要有針對性的解決方式。

1 概況

晉圣永安宏泰煤業由山西沁水永晉宏泰煤業有限公司、山西沁水五里廟煤業有限公司、晉城沁秀煤業有限公司張山煤礦、山西沁水嘉峰煤業有限公司，4座礦井及寺河西井區邊界塊段整合而成，永安宏泰煤業屬于煤與瓦斯突出礦井，最大瓦斯含量為12.56 m3/t，設計能力為90 萬t/a，批準開采3 號煤層，井田面積為6.507 9 km2，開采深度由529.95 m 至179.95 m 標高，煤層厚6.10～6.80 m，平均厚6.34 m，二采區回風一巷設計長度為634 m，工作面煤層走向南北，傾向東西單斜構造，預計坡度為負6°～18°。沿3 號煤層頂板掘進，巷道由西向東300 m 處有一落差為2～3 m 的逆斷層，該處煤層厚度由原來的6.34 m 逐步增厚至8.15 m。

2 掘進工作面過斷層瓦斯

地質構造會打亂煤層走向趨勢，煤體遭到破壞，受斷層構造影響區的影響，構造影響區為應力集中區，煤體原生孔隙和次生裂隙較發育，有利于瓦斯富集。該區域瓦斯含量和壓力大，一般都具有突出危險性。在巷道掘進過該區域時，因采動影響，裂隙會演化發育導通瓦斯富集區，使得瓦斯涌向掘進工作面，導致掘進工作面瓦斯超限。

現場二采區回風二巷東段，掘進22 m 處發現一個長軸約24 m，短軸約20 m 的陷落柱，井底聯絡二巷向西打抽放鉆孔時發現塌孔情況，塌孔由南向北規律性變短，距井底聯絡二巷北端15 m 處有一高冒區，高冒區西側煤層跑上，推斷是一條方位角15°的小斷層。二采區回風二巷東段已掘進至54.406 m 處，并通過了陷落柱，巷道現處于封閉狀態。

3 定向長鉆孔+穿層鉆孔治理模式

根據《防治煤與瓦斯突出細則》的要求，結合現場施工條件，二采區回風一巷過斷層瓦斯治理方案采用定向長鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯和穿層鉆孔預抽區段煤層瓦斯相結合的方式如圖1 所示。

圖1 穿層鉆孔預抽區段煤層瓦斯平面圖

3.1 穿層鉆孔預抽區段煤層瓦斯

二采區回風一巷斷層處，如煤體厚度由原來的6.34 m 逐步增厚至8.15 m，在二采區回風二巷（巖巷）通過穿層鉆孔向二采區回風一巷（煤巷）施工普通鉆孔，采用1 臺ZYW-3200S 鉆機，配套94 mm 鉆頭、螺旋槽鉆桿施工，共設計鉆孔11 組，鉆孔進尺為3 562 m，采用“兩堵一注”的封孔方式，封孔長度為8 m，孔口抽放負壓不低于13 kPa，如圖2 所示。

圖2 穿層鉆孔預抽區段煤層瓦斯剖面圖

3.2 定向長鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯

根據抽采銜接安排，如圖3 所示，在回風一巷開口處鉆場施工本煤層條帶式千米鉆孔以及5 號煤孔，覆蓋二采區回風一、二巷，降低該區域中煤體瓦斯含量，掩護巷道正常掘進，2 號鉆孔施工結束。

圖3 定向長鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯

3.2.1 鉆機型號、鉆桿尺寸類型和排渣方式

鉆機型號：ZDY6000LD 型鉆機，長×寬×高=3 380 mm×1 450 mm×1 800 mm。鉆桿尺寸類型：施工使用Φ73 mm 圓形通纜鉆桿，Φ95 mm 圓形打撈鉆桿，Φ96 mm/Φ105 mm 鉆頭施工，Φ105 mm 打撈鉆頭，Φ105 mm 鉆頭開孔，Φ200 mm 鉆頭擴孔。排渣方式：采用水力排渣。

3.2.2 施工工藝及封孔工藝

開孔使用Φ105 mm 專用開孔鉆頭進行開孔，Φ200 mm 專用開孔鉆頭進行擴孔，鉆孔鉆進至少10.5 m，反復沖孔，保證孔內清潔無煤（巖）渣后退出鉆桿。然后塞入專用的封孔管，一端使用石膏封閉，并綁上注漿管與返漿管，返漿管綁在下部靠近孔底位置，注漿管綁在上部靠近孔口位置。將已經用石膏封閉的封孔管下入鉆孔內，孔內封孔段不得小于8 m，孔外端超出巖壁200 mm 左右。用石膏和清水制成膏狀對孔口進行封閉，密封距離不小于400 mm 要求封嚴填實，孔口凝固后開始進行注漿。

孔內注漿，打開注漿泵，按比例加入水泥和水（質量比為0.8∶1.0）進行攪拌（可加入少量速凝劑），攪拌均勻后開始進行注漿；注漿過程中應堅持“小流量，長時間”的原則，使孔內壓力逐漸上升，以便水泥漿能夠更多的滲入煤壁，保證封孔的氣密性。當排氣管往外滲漿時，說明孔內水泥漿已經注滿，此時應用鐵絲將排氣管扎住并繼續注漿使漿滲入煤壁，當煤壁往外滲水冒氣泡時，即可停止注漿，并用鐵絲將注漿管扎住；注漿完成后要對封孔泵進行清洗；注漿結束6 h內，該鉆孔不得施工。

施工采用泥漿泵水驅動螺桿鉆具（馬達）鉆進。孔口采用孔口五通進行聯抽，上抽氣、下排水，鉆孔施工過程中排水必須接入氣水分離器，進行二次瓦斯抽采。鉆孔施工過程中孔口五通處必須安裝壓盤。

3.3 鉆孔施工

回風一巷開口處千米鉆場1 號鉆孔設計弦長500 m，覆蓋覆蓋二采區回風一、二巷區段煤體。鉆孔施工嚴格按照設計要求孔間距進行施工，鉆孔施工采取慢鉆進、多沖孔的方式施工，過陷落柱時，反復沖孔，調整施工角度，成孔率提高，具體鉆孔施工情況如下：1 號主分支21 m 處見陷落柱，實時傾角10°，傾角保持在10°～13°穿過陷落柱，在87 m 處探頂成功，共計9 次成功探頂，8 次成功探低，在387 m 探底板時有卡鉆現象，其他施工正常。2 號主分支在270～300 m 傾角急變區兩次出現壓力大的情況，其他施工正常。3 號主分支根據1 號和2 號主分支的施工經驗與實際煤層變化情況，成空施工到位。4 號主分支施工至300 m 前后30 m 區域煤體破碎嚴重，壓力大，有卡鉆現象，最遠施工至351 m。

3.4 瓦斯治理效果分析

永安宏泰煤業二采區回風一巷掘進工作面煤層采用預先抽采瓦斯方式，工作面在掘進前進行四個月的抽采，抽采時間約為2 920 h，瓦斯抽放量約為643 462 m3，抽出瓦斯的濃度與抽采時間成反比，在瓦斯抽采施工期間，瓦斯平均濃度（體積分數）約為33.4%。在整個二采區回風一巷掘進過程中，工作面瓦斯濃度（體積分數）最大為0.12%，并未出現瓦斯超限的現象，在掘進過程中，通過防突區域驗證鉆屑瓦斯解吸指標K1值為0.16～0.29，說明采用該方案進行瓦斯治理效果良好。在掘進通過斷層期間，工作面回風流濃度變化及防突區域驗證K1值變化如圖4、圖5。

圖4 工作面回風流濃度變化

圖5 區域驗證K1 值變化情況

4 結語

通過二采區回風一巷過斷層的瓦斯治理研究，可知定向長鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯和穿層鉆孔預抽區段煤層瓦斯相結合的方式是治理瓦斯的有效方法，確保了巷道在通過斷層是的安全掘進，同時也為永安宏泰煤業在今后過地質構造過程中的瓦斯治理技術上提供借鑒和指導。