薄煤層綜采工作面防瓦斯防滅火綜合技術

霍海峰

（山西鄉寧焦煤集團富康源煤業有限公司， 山西 臨汾 041000）

富康源礦位于位于鄉寧縣臺頭鎮神角村，井田面積為9.75 km2，設計生產能力120 萬t/a，主要為薄煤層工作面，地質構造復雜，裂隙比較發育，瓦斯賦存條件較好，涌出量較大。薄煤層工作面由于采高低，采場推進速度快，頂板緩慢下沉，裂隙帶發育差，采空區瓦斯富集帶向深部運移，致使頂板斜交鉆孔瓦斯抽采量較低，薄煤層工作面瓦斯治理始終是制約富康源礦薄煤層工作面高產、高效、安全生產的一個難題。富康源礦根據薄煤層工作面采空區瓦斯富集區域滯后的分布運移規律和采動裂隙發育階段、活躍階段、穩定階段均滯后的覆巖采動裂隙演化規律，采取地面立孔為主的瓦斯立體抽采技術，取得較好的效果。

受困于經濟大環境，煤炭企業經濟效益嚴重下滑，礦井舉步維艱。2106 工作面周邊鄰近舊巷，如何從工作面布置方式開始，按照“一面一策”的原則，充分利用周邊舊巷，采取靈活多變的防瓦斯防治技術，替代成本較高的地面瓦斯抽采立井為主的防瓦斯防治綜合技術，為今后類似工作面提供借鑒經驗。根據實際情況，在充分考慮舊巷松動圈的防治自然發火基礎上，采取利用上部舊巷作為高位瓦斯抽采巷替代地面瓦斯抽采立井和回順斜交鉆孔、大流量移動泵抽排回風隅角防瓦斯防滅火綜合防治技術。

1 2106 工作面概況

2106 工作面位于富康源礦西二采區南部西側，工作面走向長908 m，傾向長220.5 m，可采儲量22.04萬t。煤層傾角3°，平均厚度2.6 m，自然發火期3～6 個月，工作面偽頂為灰黑色泥巖，厚度1.0 m，直接頂為中、粉砂巖互層，夾泥巖層，厚度在5 m 左右，老頂以粉砂巖、粗砂巖和砂礫巖為主的砂巖互層，工作面上部19.35～22.08 m 普遍發育4 煤層，煤層厚度在0.42～0.84 m，屬不可采煤層。

2 薄煤層工作面采空區瓦斯分布運移規律和覆巖采動裂隙演化規律

2.1 薄煤層工作面采空區瓦斯分布、運移規律

采空區內的瓦斯分布、運移取決于采空區內部的風流運動規律、瓦斯擴散運動規律及瓦斯上浮運動規律的綜合作用。瓦斯濃度在采空區內形成一種相對穩定的動態平衡的濃度梯度，從切頂線往采空區深部方向及底板往頂部裂隙帶方向瓦斯濃度漸漸變大，在采空區內存在一個等濃度的曲面梯度。

由于薄煤層工作面斷面小，阻力大，采空區兩端通風壓差較中厚煤層工作面高；頂板不易垮落，采空區漏風阻力小，采空區漏風比中厚煤層綜采工作面多；因此薄煤層工作面相比較中厚煤層工作面，其采空區瓦斯富集帶向采空區深部運移，其運移的距離與工作面采高、配風量、頂板垮落情況有關。

2.2 薄煤層工作面覆巖采動裂隙演化規律

采煤工作面覆巖移動規律的理論分析表明：煤層群中，某一個煤層首采后，受采動影響，圍巖發生不同程度的破壞和變形，沿煤層法線方向上劃分為“三帶”，即冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶（其高度分別為H1、H2、H3）；沿煤層走向方向上采動裂隙從產生到穩定經歷三個階段，即開始發育階段、活躍階段、穩定階段；在開采層的下部，產生裂隙帶和膨脹變形帶。

煤層開采后，覆巖的裂隙及離層的分布狀態，對瓦斯流動產生非常大的影響，離層裂隙帶是瓦斯積聚的空間，也是瓦斯流通的通道。巖層的垂直裂隙寬度，主要取決于開采層的采高和巖層的極限拉伸值。

根據鐵法礦區實踐中積累的資料和有關研究分析表明，中厚煤層沿工作面走向方向，煤壁前方（超過30 m）至工作面后方30 m 左右，約兩倍煤層垂直層間距為采動裂隙開始發育階段；30～80 m 左右，約二倍層間距為活躍階段；80 m 往后為穩定階段。距離煤層頂板H1+（1/3）H2高度是采動裂隙發育較充分區域。

薄煤層工作面采高低，采場推進速度快，頂板緩慢下沉，采動裂隙發育差。總結以往薄煤層工作面抽采經驗，相比較中厚煤層工作面，其采動裂隙開始發育階段、活躍階段、穩定階段均滯后20 m 左右，冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶的高度（H1、H2、H3）均較小，特別是采動裂隙發育較充分區域的高度僅為10 m左右。

3 薄煤層工作面防瓦斯防滅火綜合防治技術

總結以往薄煤層工作面瓦斯治理的經驗，結合薄煤層工作面采空區瓦斯分布運移規律和覆巖采動裂隙演化規律的理論分析，根據2106 實際情況，在充分考慮舊巷松動圈的防治自然發火基礎上，采取利用上部舊巷作為高位瓦斯抽采巷替代地面瓦斯抽采立井和回順斜交鉆孔、大流量移動泵抽排回風隅角防瓦斯防滅火綜合防治技術。

3.1 上部舊巷作為高位瓦斯抽采巷替代地面瓦斯抽采立井和回順斜交鉆孔

2106 上部與回順平行有一舊巷作為排風巷，從回撤巷至工作面方向排風巷距7 煤層頂板26.94～45.58 m（工作面側高差大），距回順（工作面以里）20 m。總結以往薄煤層工作面瓦斯治理的經驗，結合2 采區薄煤層工作面采空區瓦斯分布運移規律和覆巖采動裂隙演化規律的理論分析，一般薄煤層工作面頂板裂隙帶垂距25～30 m，回順煤壁支撐影響區距回順30 m 以上，因此，高位瓦斯巷的理想位置為距回順50 m、垂距25～30 m。排風巷位置直接做為高位瓦斯抽采巷是不合適的。

經多方案經濟技術對比，采取在上部舊巷作為排風巷施工下行鉆孔做為通道，將工作面瓦斯富集區域的裂隙帶與排風巷導通，工作面開采前，對排風巷充填封閉，帶入抽采系統，工作面開采后，進行抽采。

3.2 大流量移動泵抽排回風隅角瓦斯

薄煤層工作面一般在上隅角利用珍珠巖封堵、大流量移動泵抽排回風隅角瓦斯，改變回風隅角流場分布，解決回風隅角瓦斯超限問題。該方法抽采濃度低、抽采量小，不能徹底解決采煤工作面瓦斯超限，只能處理局部瓦斯積聚，可作瓦斯治理的輔助方法。大流量移動泵抽排回風隅角瓦斯需要安設2 臺大功率（一般160 kW）的水環式真空泵，鋪設一趟大直徑（一般為Φ450 mm）抽采管路至回風隅角，管理復雜，影響因素多，動態實時解決回風隅角瓦斯超限的難度較大，還需要該方法將大量氧氣帶入采空區，改變了采空區“漏風帶”、“氧化帶”、“窒息帶”的分布，對防治采空區自然發火非常不利，不能適應于自然發火期較短、自然發火較嚴重的工作面。

3.3 2106 工作面及周邊舊巷防治自然發火綜合措施

受采動及集中應力影響，2106 周邊及上部舊巷松動圈范圍較大，特別是回順側借用2105 聯絡巷道眾多，存在較大的自然發火隱患。2106 在利用周邊舊巷抽采瓦斯時，必須在充分考慮舊巷松動圈的防治自然發火基礎上進行，2106 工作面開采期間采取以下防治自然發火措施。

1）各聯絡巷注水。各聯絡巷回收前，通過預埋4寸管注水，讓底板充分膨脹變形，降低空間，減小漏風，利于防治自然發火。

2）在各聯絡川煤柱打孔注阻化劑、煤壁噴灑阻化劑。

3）加強尾巷、各聯絡川煤柱觀測點、排風巷、抽采地點的取樣化驗分析。各聯絡川做好充填封閉的準備，自然發火指標異常及時充填封閉。

4）在大巷安設注氮機備用，一旦發現隱患，經各聯絡巷往采空區注氮，控制采空區氧氣濃度在16%以下。

4 瓦斯防治效果

確定工作面瓦斯防治方案后，按照設計施工外錯瓦斯聯絡巷等巷道，2019 年6 月19 日2106 工作面貫通。工作面開采前，W2Ⅱ期排風巷施工下行鉆孔2 690 m 并進行了封閉帶入抽采系統。自2015 年12 月20 日2106 工作面開采至2016 年5 月18 日與回撤巷貫通工作面停產，高位瓦斯巷抽采效果特好，平均抽采量11.36 m3/min，最大抽采量達到15.48 m3/min，對工作面瓦斯治理起到至關重要作用，完全替代了地面瓦斯抽采立井和回順斜交鉆孔抽采，回風瓦斯濃度始終在0.5%以下。大流量移動泵抽排瓦斯量3.34 m3/min，上隅角瓦斯濃度控制在1%以下，取得了較好的效果。

5 社會經濟效益

5.1 社會效益

富康源礦薄煤層工作面一直 大流量移動泵抽排治理上隅角瓦斯、頂板斜交鉆孔和水平鉆孔抽采采空區前部富集區瓦斯、地面立孔抽采采空區后部富集區瓦斯的瓦斯立體抽采治理方案，采用永久系統和臨時系統聯合抽采方式，治理薄煤層工作面瓦斯，取得較好的效果。

受困于經濟大環境，2106 工作面不再施工地面瓦斯抽采立井，而是根據實際情況，充分利用周邊舊巷，最終確定了利用上部舊巷作為高位瓦斯抽采巷替代地面瓦斯抽采立井和回順斜交鉆孔、大流量移動泵抽排回風隅角的瓦斯防滅火綜合防治技術并取得了較好的效果，2106 工作面在開采過程中，杜絕了瓦斯超限現象，保證了工作面安全生產，為薄煤層刨煤機工作面瓦斯治理提供了新思路，為今后類似工作面瓦斯治理提供借鑒經驗。

5.2 經濟效益

相比較地面瓦斯抽采立井和頂板斜交鉆孔，節約瓦斯治理資金669 萬元。采用地面瓦斯抽采立井及斜交鉆孔瓦斯防治方案資金累計712.44 萬元，其中地面瓦斯抽采立井需要資金415 萬元，回順斜交鉆孔需要資 金297.44 萬元。2106 工作面新瓦斯防治方案資金累計43.34 萬元，其中高位瓦斯抽采巷需要資金34.97 萬元。

6 結論

1）根據薄煤層工作面采空區瓦斯富集區域后移的分布運移規律和采動裂隙發育階段、活躍階段、穩定階段均滯后的覆巖采動裂隙演化規律，通過優化工作面設計，充分利用2106 工作面上部舊巷作為高位瓦斯抽采巷替代地面瓦斯抽采立井和回順斜交鉆孔、大流量移動泵抽排回風隅角的防瓦斯防滅火綜合防治技術并取得了較好的效果。

2）2106 工作面瓦斯治理經驗，拓寬了工作面瓦斯防治思路，為今后類似工作面瓦斯治理提供借鑒經驗。

3）受采動及集中應力影響，工作面周邊及上部舊巷松動圈范圍較大，存在一定的自然發火隱患。在治理瓦斯時，必須在充分考慮舊巷松動圈的防治自然發火基礎上進行，采取綜合防治自然發火措施。