大采高孤岛工作面瓦斯综合防治技术实践

河南神火煤业 梁北煤矿 张清锋 张 飞 张帅伟 李良印

大采高孤岛工作面瓦斯综合防治技术实践

河南神火煤业 梁北煤矿 张清锋 张 飞 张帅伟 李良印

一、矿井基本概况

神火煤业梁北煤矿隶属于神火集团，位于河南省禹州市城南6 km处，西邻平禹煤电公司四矿，年设计生产能力为90万t，主采区分二叠系山西组底部二1煤层，为“三软”煤层，煤层平均厚度4.2 m，属煤与瓦斯突出矿井。煤层瓦斯压力0.6～3.65 MPa,瓦斯含量4.91～13.97 m3/t，硬度系数0.15～0.3，煤层透气性系数0.001 1～0.045 4 m2（MPa2·d）。

二、110 61工作面概况

11061工作面风机巷分别于2006年3月开始掘进，2009年7月贯通，2010年5月开始回采。该工作面位于11采区西翼上部，11采区轨道上山以西，东至虎头山断层煤柱，上部为11041工作面采空区，下部为11081工作面采空区，工作面走向长度740 m，工作面倾斜长度112 m，工作面煤层厚度相对稳定，距切眼70 m位置有薄煤带（工作面中上部，距风巷20～40 m，走向长约70 m），工作面开切眼位置有一小构造（小断层，落差1.9 m，走向25°，倾角46°）。工作面瓦斯压力1.372 MPa，瓦斯含量11.5 m3/t。采用“U”型通风方式，风、机巷断面均为14 m2，工作面配风量约2 300 m3/min。回采应用后退式走向长壁综合机械化设备和一次采全高采煤工艺。

三、区域防突措施

根据回采准备时间和预抽时间，先进行第一遍本煤层预抽消突钻孔施工，再根据各个块段的不同情况有针对性地进一步采取治理瓦斯措施。第一遍预抽消突钻孔的布置方式为：工作面切眼位置沿走向布置钻孔与11061风机巷本煤层钻孔垂直交叉；11061机巷上帮和11061风巷下帮施工，机巷钻孔设计孔深70 m，风巷设计孔深65 m，钻孔间距分别是0.7 m，从停采线外25 m开始向里施工，保停采线处有20 m以上预抽超前距。实际孔深65～85 m。

四、通风系统调整

在采面回采期间，密切关注工作面的推进度，掌握工作面上部和下部采空区密闭内的瓦斯流运移方向，利用风压差，始终将两个采空区内的瓦斯流入11061工作面，规划好采空区内的瓦斯运移方向，然后通过瓦斯抽放管道抽出进行利用。

五、110 61工作面瓦斯分段治理

根据11061工作面回采期间所处的不同位置，由开切眼位置的半孤岛向全孤岛过渡。将11061工作面沿走向人为划分为4段，分别采取措施进行瓦斯治理，如图1所示。

1.A段。即11061工作面前20 m，初采阶段，初次放顶期间根据梁北煤矿其他采面回采经验，推断11061工作面的初次来压步距为20 m。初次放顶考虑工作面局部应力集中，初次来压易造成工作面煤与瓦斯压出现象，工作面的瓦斯治理方法如下。

图 1 11061工作面划分区段

（1）区域瓦斯治理。风、机巷施工本煤层抽放钻孔沿倾向布置与工作面施工。本煤层抽放钻孔沿走向布置呈垂直交叉。11061机巷：孔间距为0.7 m，孔径为94 mm，钻孔垂直煤壁（方位角为0°），钻孔倾角随煤层顶板坡度，钻孔超前50 m。11061风巷的孔间距为0.7 m，孔径为94 mm，钻孔垂直煤壁（方位角为0°），钻孔倾角随煤层顶板坡度，钻孔超前50 m。工作面切眼：孔间距为0.7m，孔径为94 mm，钻孔垂直煤壁（方位角为0°），钻孔呈水平布置，钻孔深度65 m，经区域效检不超标。

（2）局部瓦斯治理措施。无论工作面区域验证是否超标，工作面均采取局部防突措施施工并进行局部措施效果检验，且局部措施效果检验不超指标时方准回采，否则必须施工补充措施，直至检验指标不超。

（3）治理效果。工作面防治煤与瓦斯突出达到有效治理目标，但工作面初采由于受构造和11081已采区的影响，工作面直接顶在回采约5m处，大面积垮落，老塘乏风被大量带入工作面风流中。

热液蚀变主要为中低温蚀变矿物组合为主，有硅化、黄铁矿化、绢云母化、碳酸盐化、青磐岩化等。黄铁矿呈集合体团块状、浸染状、星点状分布，主要发生在角砾岩内部及附近岩体内。

2.B段。11061工作面前方是采动应力叠加区。根据前期对11061工作面及顺槽的电磁辐射观测和变形分析结果，11061工作面切眼倾斜长112 m，已回采110 m左右，接近一次见方，处于高矿压时期。当工作面回采50 m后，工作面局部煤层变薄（从煤厚近5 m变为0.3 m左右，且极不稳定），顶底板起伏，煤厚1.0 m，起伏区域15 m。回采至70 m后，工作面顶底板起伏加剧、煤厚变化加剧，最薄处0.3～0.5 m。且工作面出现小构造，落差1.0 m，走向北东，该构造距离风巷20～40 m范围分布，是矿山压力支撑点，工作面回采过程中和打卸压钻孔期间出现响煤炮，且响过煤炮后煤壁有明显的位移现象，位移量最多处达100 mm。治理措施如下。

（1）区域瓦斯治理。工作面进入全孤岛前，工作面处于局部构造带，矿山压力局部应力集中明显。采取的措施有：在机巷布置钻场，布置扇形瓦斯抽放钻孔，进行瓦斯卸压抽放，钻孔以打到构造处的深度为准。在工作面风巷布置卸压抽放钻孔，沿走向每0.7 m布置一列钻孔（加上第一遍预抽本煤层钻孔，每列3个钻孔），每列2个抽放卸压孔，钻孔深度以穿过构造为准。停止工作面推进，将液压钻机搬入工作面，在工作面构造处及两侧20 m范围内补打卸压钻孔。风、机巷和工作面分别加密布置区域效检孔，经区域效检不超指标。采取深孔松动爆破措施。工作面每一局部防突措施钻孔施工前，必须采取松动爆破措施：沿工作面倾向，每8 m布置一个深12 m爆破卸压孔，钻孔布置在煤层的伪底当中，每孔装药量2卷（每卷1 m）。工作面执行松动爆破措施后，必须执行工作面局部卸压钻孔措施。钻孔深度12.1 m。

（2）局部瓦斯治理措施。松动爆破后，不论工作面区域验证是否超标，工作面均进行局部防突措施施工。重点是构造处的局部卸压钻孔的施工，必须保证钻孔达到设计深度，并进行局部措施效果检验。

（3）由于矿山压力局部集中，风巷上隅角的上帮实体煤壁破坏严重，煤壁处局部瓦斯涌出量增大，形成“瓦斯膜”。对上帮的煤壁实行打孔抽放措施，钻孔始终超前上隅角30 m，孔深12.1 m，孔距1 m。通过局部瓦斯抽放，有效地解决了上隅角处“瓦斯膜”现象。

（4）治理效果。工作面防治煤与瓦斯突出达到有效治理目标，采煤期间瓦斯均衡涌出，涌出量1.8 m3/min。但工作面采取局部卸压钻孔时，工作面伴有煤炮声，煤炮后工作面有位移现象发生，最大量约100 mm，工作面往往要撤人实行间歇性施工钻孔，工作面推进速度减慢，每月推进速度约30 m。

3.C段。工作面进入全孤岛，风、机巷矿山压力显现明显，又因为是“三软煤层”，巷道两帮的收敛量剧增，收敛量达1.5 m，底鼓量也大大增加，底鼓量折合约2 m，给工作面的通风瓦斯治理带来相当大的压力。原因如下：一是工作面有效通风断面减小，影响工作面风量；二是矿压作用，封闭工作面煤壁瓦斯涌出通道，致使工作面瓦斯很难得到释放；三是风机两巷两帮收敛，造成本煤层瓦斯抽放钻孔封孔段被破坏，大量抽放钻孔漏气，瓦斯抽不出来。针对这些问题，采取如下措施。

（1）区域治理措施。随工作面推进，边采边打孔抽放并保证有一台钻机始终对工作面压力集中带扰动、增流抽放。在机巷仍然布置钻场，布置扇形瓦斯抽放钻孔，缩小孔底间距，进行瓦斯卸压抽放。在工作面风巷布置卸压抽放钻孔，沿走向每0.7 m布置一列钻孔（加上第一遍预抽本煤层钻孔，每列3个钻孔），每列有2个抽放卸压孔，同时在风巷布置抽放钻场，朝向工作面方向施工卸压钻孔扰动、增流抽放。与中国矿业大学结合，测出超前压力范围，并根据范围大小增加工作面超前支护的长度，工作面超前支护100 m打双排支柱，工作面超前支护200 m打单排支柱，对于局部巷道收敛量大的区域并进行修护。风、机巷和工作面分别加密布置区域效检孔，经区域效检不超过指标。

（3）治理效果。工作面防治煤与瓦斯突出达到有效治理目标，工作面回采期间瓦斯涌出量最大11.5 m3/min，工作面月推进65 m。但工作面两巷的应力集中支撑点附近施工12.1 m浅孔抽放钻孔时，经常有钻孔喷孔现象发生。

4.D段。工作面进入末采阶段。约距末采70 m时，两巷收敛量减小，工作面执行12.1 m浅孔抽放孔时没有瓦斯喷孔现象。

（1）区域治理措施。利用风压差，将2个空区内的瓦斯向11061工作面方向以外的方向运移，然后通过瓦斯抽放管道抽出，增大瓦斯抽放能力（采空区处煤柱承压，煤柱破坏深度增加，大量瓦斯释放出来）。风、机2巷的卸压抽放钻孔提前打完，对2巷抽放钻孔低压注水后继续连孔抽放，利用遇水膨胀保封孔段的密封，抽出高浓度瓦斯。

（2）局部瓦斯治理措施。工作面继续执行12.1 m的浅孔卸压措施，工作面均匀布置。

六、综合治理注意事项

1.必须经常深入井下，掌握第一手的资料，及时将回采推进度和回采期间出现的异常情况在图纸上描述、标注。

2.分“块段”治理，要掌握好各转接治理的关键点，既要防治重点失控，出现事故，又要防止出现措施千篇一律的情况，无端增加工作量，增加施工工程量并浪费时间。

3.半孤岛工作面开采时，11061工作面应力分布较平稳。走向方向，风巷超前影响距离约为70 m，机巷超前影响距离为40 m，工作面前方10～20 m范围为矿压显现强烈区。沿倾向方向，风巷下侧12～15 m、机巷上侧20～25 m处为垂直应力峰值范围，应力集中系数约为2.3～2.5，且工作面中部的应力无跳跃现象。

4.在孤岛工作面开采时，工作面应力变化较剧烈。在走向方向上，超前影响距离为40 m，工作面前方10～20 m为矿压显现强烈区。在倾向方向上，风巷下侧20～25 m，机巷上侧22～26 m处为垂直应力峰值区，应力集中系数约为3.0～3.5，且采面中部应力变化剧烈，存在明显的应力跳跃现象。

5.工作面下部（靠近11081工作面一侧）的应力应变，半孤岛和全孤岛基本一致。但在11041采空区一侧，孤岛工作面的应力应变明显大于半孤岛工作面应力，且变化更趋剧烈。

6.薄煤带开采应重点解决薄煤区构造应力叠加。煤层变薄区从煤厚约5 m变为约0.3 m，且极不稳定，薄煤层在顶部和底部依次出现，岩层层理非常紊乱，岩性变化大，在这么短的可见区域内能够看到断层和类褶曲的小构造。说明此处还经历过局部的构造作用，致使应力进一步叠加。

七、综合治理经验

本文，笔者通过对11061工作面回采期间进行防突及瓦斯治理，总结出以下经验和体会。

1.合理布置回采工作面的顺序，减少或避免孤岛工作面布置。

2.工作面开采及开采速度与瓦斯治理的关系。当工作面推进长度为工作面宽度的1倍、2倍和3倍等整数倍时，受采动空间结构及周期来压等因素的综合影响，采面的应力集中系数较高，且岩层活动较剧烈，往往是动力灾害的多发位置，因此需要在这些位置附近应做好监测及预防工作。孤岛工作面风巷、机巷的采动影响距离较大，应延长超前支护范围，加强超前支护强度。风、机巷超前段受采动强烈影响，累计变形量大，应采取加大支护强度、卧底刷帮等方法，以保证两巷超前范围内的断面大小。

3.高应力区卸压保护。孤岛工作面应力集中区较多，且应力集中系数较大，可对应力集中区采取卸压爆破、钻孔卸压等方法，降低应力集中系数，改善应力集中区的分布。