孤岛工作面过断层带瓦斯综合治理技术与应用

张凯强

(大同煤矿集团 忻州窑煤矿，山西 大同 037003)



孤岛工作面过断层带瓦斯综合治理技术与应用

张凯强

(大同煤矿集团 忻州窑煤矿，山西 大同 037003)

针对忻州窑矿309盘区11#煤层8939“孤岛”综放回采面过断层破碎带期间瓦斯异常涌出及上隅角瓦斯积聚的实际情况，根据目前国内外矿井瓦斯涌出量预测方法，综合分源预测法和矿山统计法，分析了8939“孤岛”工作面过断层破碎带期间瓦斯涌出来源及涌出规律，并制定了合理的瓦斯综合治理方案。通过合理配风、加强放顶、煤柱加固以及顶板来压时的瓦斯治理应急措施等一系列技术手段，取得了良好的效果，有效控制了上隅角瓦斯积聚，实现了8939“孤岛”综放工作面过断层破碎带期间的安全生产，对无瓦斯抽放设备的矿井过断层破碎带等地质构造带瓦斯防治有一定的指导作用。

高瓦斯矿井；孤岛工作面；破碎带；瓦斯涌出量；分源预测法；矿山统计法；瓦斯治理

近几年来，全国煤矿瓦斯治理已取得显著效果，瓦斯事故逐年下降，煤矿瓦斯防治形势总体平稳好转，但是瓦斯事故总量仍然较大，重特大瓦斯事故没有得到有效遏制，瓦斯仍然是煤矿安全生产的“第一杀手”，瓦斯防治形势依然严峻。据统计，2016年全年共发生瓦斯事故23起，同比减少22起，下降4.9%；但是全国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，占重大事故死亡人数的93.67%. 合理治理瓦斯，消灭瓦斯超限和瓦斯积聚仍是煤矿安全工作者当前最核心的任务。

大同煤矿集团忻州窑矿为高瓦斯矿井，作为一座有多年开采历史的老矿，目前处于矿井开采后期，回采工作面陆续面临两侧临空或三侧临空的情况。该矿309盘区11#煤层8939面属于“孤岛”开采，矿山压力集中显现，且受地质构造带、冲击地压等因素影响，瓦斯治理异常艰难。工作面初期开采过程中，采取内错布置顶回风巷的手段治理上隅角瓦斯，效果较好。根据地质资料显示，当工作面推进至810 m时，通过一条68～70 m宽的大断层破碎带，破碎带贯穿整个工作面。先后采取布置顶回风巷、合理配风、加强放顶、维护煤柱等多种技术手段和管理措施，顺利完成了工作面的开采并安全通过断层破碎带。

1 工作面概况

忻州窑矿位于大同煤田东北部，开采侏罗系煤层，已有近百年开采历史，属高瓦斯矿井。309盘区11-2#煤层8939工作面为厚煤层综合机械化低位放顶煤开采，煤层中部低,两翼高,大致呈一向斜构造，煤层倾角1°～9°,平均3°. 工作面4巷布置，一条运输巷、一条尾回风巷、一条措施巷、一条内错顶回风巷，采用“U+Ⅱ”型通风，采用内错布置顶回风巷，控制上隅角气体流向的方法稀释工作面瓦斯。采区布置示意图见图1.

图1 309盘区11#层8939面通风系统示意图

8939工作面三面临空，形成“孤岛”，相邻采空区瓦斯涌出量比正常情况下较大，且被一条68～70 m宽的大断层破碎带贯穿整个工作面。当工作面推进至断层破碎带前20 m范围内，工作面瓦斯涌出量开始增大，最大瓦斯涌出量7.9 m3/min，同时过断层破碎带期间顶回风巷存在和机道塌通或顶板破碎煤矸石堵塞顶回风巷断面，造成回风短路或风量减少，达不到改变工作面上隅角气体流向，稀释瓦斯浓度的要求，上隅角瓦斯浓度最大达到2.2%，对生产造成极大的安全隐患。

2 过断层破碎带期间瓦斯异常涌出规律分析

2.1 瓦斯异常涌出来源分析

1) 根据《8939面地质说明书》，工作面基本顶为灰白色中砂、细砂岩，直接顶底板均为灰色及灰白色粉、细砂岩，煤层顶、底部均属于超硬、低透气性岩层，并且煤层中部低、两翼高，整个工作面位于区域向斜轴部，容易积存大量瓦斯。煤层顶底板情况见表1.

表1 煤层顶底板情况表

2) 受断层破碎带影响，5939巷附近有11条正逆小断层，这些发育的小断层大多发生在煤层并且高差在0.2～1.4 m，既有利于吸附态瓦斯转变为游离态，又有利于瓦斯赋存，形成高瓦斯涌出区域。

3) 工作面为孤岛开采工作面，其东、西、北部均为采空区，周围封闭了大量的采空区，采空区越大积聚的瓦斯越多，涌出的瓦斯越多。孤岛工作面应力集中作用明显，当推进到断层破碎带影响区域时，煤柱承压大，裂隙大量发育，在矿井主扇负压作用下，采空区内大量瓦斯被负压抽到工作面。

2.2 瓦斯异常涌出规律和瓦斯积聚原因分析

1) 瓦斯涌出主要来源于工作面煤层瓦斯涌出和采空区瓦斯涌出，一般在工作面割煤及移架期间瓦斯涌出量变化较大，峰值出现在15:30～18:00，2:00～5:00，其他时间段工作面瓦斯涌出量变化不大。

2) 工作面作业区域瓦斯浓度一般较低，但上隅角及后溜尾处瓦斯浓度较高。

3) 当顶回风巷和工作面机道短路或顶回风巷断面被破碎煤矸石堵塞时，采空区污风进入顶回风巷风量减少，上隅角气体流场变化，采空区大量气体涌出至上隅角区域，造成瓦斯积聚和超限。

3 过断层破碎带期间瓦斯综合治理技术

3.1 合理配风

合理配风是瓦斯防治最常见、最有效的手段，用风量来稀释瓦斯是瓦斯治理最基本的方法。根据以往开采8935、8937面过断层破碎带经验，顶回风巷风量由750 m3/min增加到1 000 m3/min，尾回风巷风量由450 m3/min降低到300 m3/min，增加上隅角后采空区和工作面的风压差，控制上隅角气体流向，有效稀释上隅角和后溜尾瓦斯。

3.2 煤柱堵漏

8939面2939巷、5939巷煤柱，在掘进和回采过程中，受孤岛面集中应力挤压作用，煤柱整体性变形位移严重，特别是断层破碎带影响区域，部分出现裂隙沟通采空区，瓦斯涌出量较大。为减少采空区漏风，从5939巷和2939巷向采空区煤柱注破碎煤体黏接堵漏高分子材料永固S. 5939巷从860 m通尺点至970 m通尺点段、2939巷从790 m通尺点至900 m通尺点段，由里向外施工钻孔并注永固S，钻孔设在5935巷、2939巷靠采空区侧，巷帮与顶板交界处，施工钻孔和注永固S同步进行。

永固S是一种煤岩体高分子注浆加固剂，由两组份组成，使用时两组份料按1∶1配比，通过专用气动注浆泵和混合枪注入到松散或破碎的煤岩体裂隙中。产品混合黏度低，能渗入较细岩缝中，反应迅速，形成的固结体具有高强度、高韧性、抗压缩形变、抗拉伸、抗剪切、阻燃等特点，能够把原来松散的、破碎的、不连续的煤岩体围岩胶结成连续的、完整的受力体。注永固S可超前加固5939、2939巷临空煤柱间的破碎煤岩体，减少采空区的瓦斯涌出量。8939面煤柱加固注永固S钻孔技术参数见表2.

表2 8939面煤柱加固注永固S钻孔技术参数表

3.3 维护顶回风巷保证“U+Ⅱ”型通风系统稳定

在断层破碎带影响区域内割煤时，顶回风巷和尾回风巷煤柱容易漏通造成顶回风巷短路和顶回风巷被破碎顶板煤矸石堵塞通风断面，破坏“U+Ⅱ”型通风系统，无法有效稀释瓦斯。

1) 从5939巷打孔到两巷煤柱和顶回风巷破碎顶板区域提前注永固S，可超前加固5939巷和8939顶回风巷煤柱间破碎煤岩体和8939顶回风巷破碎顶板，防止回采时顶回风巷与工作面漏通和破碎煤岩体塌落阻塞顶回风断面，保证8939顶回风巷风流稳定，“U+Ⅱ”型通风系统稳定。

2) 在顶回风巷断层破碎带影响区域，用道木架设“井”字型木垛，预防破碎顶板落下堵塞顶回风巷通风断面。

3.4 上隅角导风法

在采取加大配风、减少采空区瓦斯涌出、维护顶回风巷后，仍无法有效稀释上隅角及后溜尾瓦斯浓度时，采取在工作面尾部挂设L风障，增加工作面尾部阻力，将风流引入上隅角和后溜尾，消除积聚瓦斯。309盘区8939面风障布置示意图见图2.

图2 309盘区8939面风障布置示意图

4 技术措施效果分析

1) 向采空区隔离煤柱充填永固S材料，黏贴破碎煤体，封堵充填煤柱裂隙，实际操作中简单方便，从减少采空区瓦斯涌出的效果来看比较实用。

2) 通过注永固S维护顶回风巷煤柱，打“井”字型木垛的方法维护顶回风巷通风系统，在过断层破碎带的过程中顶回风巷煤柱一直完好，为保证回风量一直在700～900 m3/min起到了关键作用，取得了良好的效果。

5 结 语

通过采取上述瓦斯防治技术及管理措施后，8939“孤岛”综放工作面安全通过了70 m宽的断层破碎带，上隅角和后溜尾瓦斯浓度控制在0.5%以下，顶回风巷瓦斯浓度控制在0.8%以下，尾回风巷瓦斯浓度控制在0.2%以下，未出现因瓦斯超限而停产和瓦斯超限作业现象，保证了工作面的安全生产。

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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

张凯强(1990—)，男，山西浑源人，2012年毕业于西安科技大学，助理工程师，主要从事煤矿通风与瓦斯治理等方面的技术管理工作

(E-mail)476357335@qq.com

TD712

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1672-0652(2017)03-0016-04