綜采工作面上隅角瓦斯綜合治理技術研究及應用

邊高沁

（山西高平科興申家莊煤業有限公司，山西 高平 048400）

1 N10909 綜采工作面概述

申家莊煤N10909 綜采工作面位于輔助水平北一采區西翼，北部為N10911 工作面（設計），南部為N10907 綜采工作面采空區，西部為地質不可采區，東部為北軌道大巷、北膠帶大巷、北回風大巷。地表多為山丘、荒地，相對位于馬家莊村東北部，有少量樹木和耕地[1-2]。

N10909 綜采工作面切眼長度為150 m，順槽長度為782 m，回采煤層為9 號層，煤層在工作面內部發育完整，厚度1.10～1.60 m，平均厚度為1.26 m，工作面局部含一層夾矸，夾矸厚度變化在0.2～0.3 m。煤層頂底板巖性如表1 所示。

表1 N10909 綜采工作面回采的9 號煤層頂底板巖性表

N10909 綜采工作面地質條件復雜，根據物探資料顯示，工作面回采區域內主要地質構造以中下斷層為主，預計共計揭露29 條斷層，斷層平均落差為0.9 m，平均傾角為52°，在480～790 m 段共計揭露21 條斷層，形成斷層群區。受斷層影響，工作面回采至482 m 處時上隅角出現瓦斯異常現象，實測上隅角瓦斯最大濃度（體積分數，下同）達1.7%，工作面推進至485 m 處時共計出現6 次上隅角瓦斯超限斷電現象，嚴重制約著工作面安全快速推進[3]。

2 上隅角瓦斯超限原因分析

1）地質構造影響：N10909 綜采工作面回采至480 m 處進入斷層群區，受斷層影響，工作面煤體及圍巖出現高密度裂隙區域，在裂隙帶內富含高濃度瓦斯，工作面的9 號煤層整體穩定性差，在斷層群區回采時煤壁垮落嚴重，導致裂隙區內瓦斯快速涌入工作面內，造成工作面及上隅角瓦斯超限現象[4]。

2）鄰近采空區影響：N10909 綜采工作面南部為N10907 綜采工作面采空區，與采空區之間預留保安煤柱寬度為30 m，工作面回采過斷層群區時受斷層影響，頂板圍巖出現裂隙，且裂隙帶向N10907 綜采工作面采空區方向延伸，并與采空區圍巖裂隙貫通，形成瓦斯流動通道，導致N10907 綜采工作面采空區內殘留的瓦斯沿裂隙通道進入N10909 工作面，導致工作面內瓦斯濃度超限。

3）采空區漏風：N10909 綜采工作面采用U 型通風系統，工作面設計配風量為556 m3/min，采用“一進一回”通風方式，新鮮風流從運輸順槽進入工作面，由于端頭支架與巷幫以及架與架之間間隙大，風流進入工作面后，部分風流沿架間間隙進入采空區內，在采空區負壓作用下漏風風流將采空區內有害氣體從上隅角帶出，導致上隅角處瓦斯積聚超限現象。

4）采空區瓦斯影響：工作面過斷層期間采用仰俯斜回采工藝，導致斷層區內工作面底煤遺留量大，并隨著工作面推進甩入采空區內，遺煤內富含瓦斯在采空區內釋放，同時受采動影響，工作面頂板形成高位裂隙區，瓦斯聚集在裂隙區內，隨著采空區頂板垮落，裂隙區內瓦斯涌入采空區內，從而在架后50 m 范圍內形成采空區瓦斯富集區，部分瓦斯在負壓作用下進入工作面內。

3 上隅角瓦斯綜合治理技術

為了解決N10909 綜采工作面過斷層區上隅角出現的瓦斯超限問題，根據N10909 工作面上隅角瓦斯積聚原因，決定對上隅角采取合理有效的綜合瓦斯治理技術[5]。

3.1 順層瓦斯抽采鉆孔抽采

1）在斷層區對N10909 工作面煤層布置順層瓦斯抽采鉆孔進行超前瓦斯抽采，鉆孔采用交替式布置方式，鉆孔深度為80 m，直徑為75 m，鉆孔布置在頭尾順槽兩側煤壁上，鉆孔開口位置與頂板間距為1.5 m，每側鉆孔布置間距為10 m，以5°仰角進行布置。

2）工作面回采至485 m 處開始布置順槽鉆孔，尾順槽煤壁第一個鉆孔距工作面5.0 m，頭順槽煤壁第一個鉆孔距工作面10 m，頭尾順槽鉆孔交替布置；鉆孔施工完后對鉆孔內安裝瓦斯抽采花管，花管采用直徑為70 mm 的無縫鋼管焊制而成，鋼管上布置若干個直徑為8 mm 的瓦斯抽采小孔，每個鉆孔內安裝3 節花管，每節長度為2.0 m。

3.2 采空區埋管瓦斯抽采

1）N10909 工作面北部為N10911 回風順槽，間距為30 m，首先在N10909 回風順槽與N10911 回風順槽施工通風橫貫，橫貫斷面規格為寬×高=3.0 m×3.0 m，長度為30 m，通風橫貫布置間距為50 m，通風橫貫內施工2 道密閉墻，在墻體內安裝2 趟直徑為219 mm 的瓦斯抽采支管并采用閥門控制，支管與安裝在N10911 回風順槽內抽采主管連接，如圖1 所示。

圖1 采空區埋管瓦斯抽采施工平面示意圖

2）當第一個通風橫貫進入采空區后，及時在瓦斯抽采支管上安裝2 根直徑為163 mm 的瓦斯抽采軟管，橫貫進入采空區10 m 后，打開閥門進行采空區瓦斯抽采；當第2 個通風橫貫進入采空區后，及時關閉第1 個通風橫貫抽采閥門，并對第2 個橫貫內接入采空區瓦斯抽采軟管，并打開閥門繼續進行瓦斯抽采，依次類推，直至工作面過斷層群區。

3.3 高位裂隙鉆孔抽采

1）對N10909 工作面裂隙帶布置高位裂隙鉆孔進行瓦斯抽采，為了不影響工作面正常回采，將高位裂隙鉆場布置在N10911 回風順槽內，鉆場布置間距為30 m，鉆場規格為長×深×高=3.5 m×4.0 m×3.0 m，鉆場內圍巖采用錨桿（索）、金屬網聯合支護。

2）在每個高位鉆場內位于采空區的側煤壁上布置4 個高位裂隙鉆孔，鉆孔編號為1 號、2 號、3 號、4 號，鉆孔深度為80 m，鉆孔布置仰角為12°，鉆孔終孔位置與工作面頂板垂高不低于15 m，其中1 號鉆孔向工作面側水平角為15°，2 號鉆孔水平角為30°，3號鉆孔水平角為45°，4 號鉆孔水平角為60°。

3）高位鉆孔施工完后進行高位裂隙帶瓦斯抽采，每個高位鉆場瓦斯抽采時間不得低于10 d，當工作面回采至與第1 個高位鉆場水平距為5.0 m 時停止瓦斯抽采，并對第2 個鉆場內高位鉆孔進行瓦斯抽采。

3.4 安裝風障、引射器

1）為了解決端頭漏風問題，在工作面端頭支架與順槽處安裝一道“Z”型風障，風障采用Z 型鋼架、風筒布制成，風障長度為30 m，兩邊長為2.0 m，將風障一端固定在端頭支架頂梁下方，另一端固定在頭順槽非煤壁側巷幫上，在風障上設置人行通道，便于人員通行。

2）在工作面進風流距上隅角15 m 處安裝1 臺風流引射器，引射器功率為15 kW，通過直徑為300 mm柔性風筒將風流引入上隅角處，從而對上隅角積聚瓦斯進行排除。

4 實際應用效果分析

截至2022 年3 月17 日，N10909 工作面已回采至610 m，且完全過斷層群區，通過對斷層群區工作面上隅角采取合理有效的瓦斯綜合治理技術后，取得了以下顯著應用成效：

1）工作面在后期回采過程中實測上隅角處平均瓦斯濃度為0.3%，工作面內平均瓦斯濃度為0.7%，回風巷內平均瓦斯濃度為0.8%，如圖2 所示。采取相關治理措施后，未出現1 起上隅角瓦斯超限出現工作面斷電事故。

圖2 綜合瓦斯治理技術后工作面瓦斯濃度變化曲線圖

2）工作面煤層采取順層瓦斯抽采、采空區埋管瓦斯抽采、高位裂隙孔瓦斯抽采后，降低了工作面瓦斯涌出量，瓦斯抽采率達37.8%。

3）對工作面安裝風障后起到了風流引導作用，減少了端頭漏風量，通過現場實測發現，安裝風障前端頭處漏風量達17%，安裝風障后端頭漏風量減少至5%。

4）對上隅角處安裝引射器后，解決了傳統U 型通風系統造成上隅角窩風問題，以及自然風流排瓦斯能力差等技術難題，杜絕了上隅角瓦斯積聚現象，現場實測安裝風流引射器后上隅角平均瓦斯濃度在3%以下。

5 結語

申家莊煤礦根據N10909 綜采工作面上隅角瓦斯超限原因，對工作面提出了順槽煤層瓦斯抽采、高位裂隙瓦斯抽采、采空區埋管等一系列瓦斯治理技術，實踐應用效果表明，采取綜合瓦斯抽采技術后有效控制了工作面瓦斯濃度，降低了上隅角瓦斯超限現象，保證了工作面回采安全，取得了顯著應用成效。