掘进工作面过断层期间瓦斯治理模式研究与应用

张 波

（晋能控股集团晋圣永安宏泰煤业有限公司，山西 晋城 048205）

0 引言

国内煤矿90%以上属于井工开采，地下开采以及现阶段的深部开采面临着复杂的地质环境，尤其是高瓦斯矿井和突出矿井，在地质构造影响区域，瓦斯含量和压力较其他区域更大，更不可预知[1-4]。伴随着采掘等扰动影响，在掘进期间很容易发生煤与瓦斯突出、瓦斯大量涌出，导致瓦斯超限，造成事故发生。构造区由于地质板块引起的移动，导致煤体发生破裂，构造区成为应力集中区，裂隙贯通，瓦斯富集[5-6]。因此，在过断层时针对瓦斯问题要有针对性的解决方式。

1 概况

晋圣永安宏泰煤业由山西沁水永晋宏泰煤业有限公司、山西沁水五里庙煤业有限公司、晋城沁秀煤业有限公司张山煤矿、山西沁水嘉峰煤业有限公司，4座矿井及寺河西井区边界块段整合而成，永安宏泰煤业属于煤与瓦斯突出矿井，最大瓦斯含量为12.56 m3/t，设计能力为90 万t/a，批准开采3 号煤层，井田面积为6.507 9 km2，开采深度由529.95 m 至179.95 m 标高，煤层厚6.10～6.80 m，平均厚6.34 m，二采区回风一巷设计长度为634 m，工作面煤层走向南北，倾向东西单斜构造，预计坡度为负6°～18°。沿3 号煤层顶板掘进，巷道由西向东300 m 处有一落差为2～3 m 的逆断层，该处煤层厚度由原来的6.34 m 逐步增厚至8.15 m。

2 掘进工作面过断层瓦斯

地质构造会打乱煤层走向趋势，煤体遭到破坏，受断层构造影响区的影响，构造影响区为应力集中区，煤体原生孔隙和次生裂隙较发育，有利于瓦斯富集。该区域瓦斯含量和压力大，一般都具有突出危险性。在巷道掘进过该区域时，因采动影响，裂隙会演化发育导通瓦斯富集区，使得瓦斯涌向掘进工作面，导致掘进工作面瓦斯超限。

现场二采区回风二巷东段，掘进22 m 处发现一个长轴约24 m，短轴约20 m 的陷落柱，井底联络二巷向西打抽放钻孔时发现塌孔情况，塌孔由南向北规律性变短，距井底联络二巷北端15 m 处有一高冒区，高冒区西侧煤层跑上，推断是一条方位角15°的小断层。二采区回风二巷东段已掘进至54.406 m 处，并通过了陷落柱，巷道现处于封闭状态。

3 定向长钻孔+穿层钻孔治理模式

根据《防治煤与瓦斯突出细则》的要求，结合现场施工条件，二采区回风一巷过断层瓦斯治理方案采用定向长钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯和穿层钻孔预抽区段煤层瓦斯相结合的方式如图1 所示。

图1 穿层钻孔预抽区段煤层瓦斯平面图

3.1 穿层钻孔预抽区段煤层瓦斯

二采区回风一巷断层处，如煤体厚度由原来的6.34 m 逐步增厚至8.15 m，在二采区回风二巷（岩巷）通过穿层钻孔向二采区回风一巷（煤巷）施工普通钻孔，采用1 台ZYW-3200S 钻机，配套94 mm 钻头、螺旋槽钻杆施工，共设计钻孔11 组，钻孔进尺为3 562 m，采用“两堵一注”的封孔方式，封孔长度为8 m，孔口抽放负压不低于13 kPa，如图2 所示。

图2 穿层钻孔预抽区段煤层瓦斯剖面图

3.2 定向长钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯

根据抽采衔接安排，如图3 所示，在回风一巷开口处钻场施工本煤层条带式千米钻孔以及5 号煤孔，覆盖二采区回风一、二巷，降低该区域中煤体瓦斯含量，掩护巷道正常掘进，2 号钻孔施工结束。

图3 定向长钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯

3.2.1 钻机型号、钻杆尺寸类型和排渣方式

钻机型号：ZDY6000LD 型钻机，长×宽×高=3 380 mm×1 450 mm×1 800 mm。钻杆尺寸类型：施工使用Φ73 mm 圆形通缆钻杆，Φ95 mm 圆形打捞钻杆，Φ96 mm/Φ105 mm 钻头施工，Φ105 mm 打捞钻头，Φ105 mm 钻头开孔，Φ200 mm 钻头扩孔。排渣方式：采用水力排渣。

3.2.2 施工工艺及封孔工艺

开孔使用Φ105 mm 专用开孔钻头进行开孔，Φ200 mm 专用开孔钻头进行扩孔，钻孔钻进至少10.5 m，反复冲孔，保证孔内清洁无煤（岩）渣后退出钻杆。然后塞入专用的封孔管，一端使用石膏封闭，并绑上注浆管与返浆管，返浆管绑在下部靠近孔底位置，注浆管绑在上部靠近孔口位置。将已经用石膏封闭的封孔管下入钻孔内，孔内封孔段不得小于8 m，孔外端超出岩壁200 mm 左右。用石膏和清水制成膏状对孔口进行封闭，密封距离不小于400 mm 要求封严填实，孔口凝固后开始进行注浆。

孔内注浆，打开注浆泵，按比例加入水泥和水（质量比为0.8∶1.0）进行搅拌（可加入少量速凝剂），搅拌均匀后开始进行注浆；注浆过程中应坚持“小流量，长时间”的原则，使孔内压力逐渐上升，以便水泥浆能够更多的渗入煤壁，保证封孔的气密性。当排气管往外渗浆时，说明孔内水泥浆已经注满，此时应用铁丝将排气管扎住并继续注浆使浆渗入煤壁，当煤壁往外渗水冒气泡时，即可停止注浆，并用铁丝将注浆管扎住；注浆完成后要对封孔泵进行清洗；注浆结束6 h内，该钻孔不得施工。

施工采用泥浆泵水驱动螺杆钻具（马达）钻进。孔口采用孔口五通进行联抽，上抽气、下排水，钻孔施工过程中排水必须接入气水分离器，进行二次瓦斯抽采。钻孔施工过程中孔口五通处必须安装压盘。

3.3 钻孔施工

回风一巷开口处千米钻场1 号钻孔设计弦长500 m，覆盖覆盖二采区回风一、二巷区段煤体。钻孔施工严格按照设计要求孔间距进行施工，钻孔施工采取慢钻进、多冲孔的方式施工，过陷落柱时，反复冲孔，调整施工角度，成孔率提高，具体钻孔施工情况如下：1 号主分支21 m 处见陷落柱，实时倾角10°，倾角保持在10°～13°穿过陷落柱，在87 m 处探顶成功，共计9 次成功探顶，8 次成功探低，在387 m 探底板时有卡钻现象，其他施工正常。2 号主分支在270～300 m 倾角急变区两次出现压力大的情况，其他施工正常。3 号主分支根据1 号和2 号主分支的施工经验与实际煤层变化情况，成空施工到位。4 号主分支施工至300 m 前后30 m 区域煤体破碎严重，压力大，有卡钻现象，最远施工至351 m。

3.4 瓦斯治理效果分析

永安宏泰煤业二采区回风一巷掘进工作面煤层采用预先抽采瓦斯方式，工作面在掘进前进行四个月的抽采，抽采时间约为2 920 h，瓦斯抽放量约为643 462 m3，抽出瓦斯的浓度与抽采时间成反比，在瓦斯抽采施工期间，瓦斯平均浓度（体积分数）约为33.4%。在整个二采区回风一巷掘进过程中，工作面瓦斯浓度（体积分数）最大为0.12%，并未出现瓦斯超限的现象，在掘进过程中，通过防突区域验证钻屑瓦斯解吸指标K1值为0.16～0.29，说明采用该方案进行瓦斯治理效果良好。在掘进通过断层期间，工作面回风流浓度变化及防突区域验证K1值变化如图4、图5。

图4 工作面回风流浓度变化

图5 区域验证K1 值变化情况

4 结语

通过二采区回风一巷过断层的瓦斯治理研究，可知定向长钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯和穿层钻孔预抽区段煤层瓦斯相结合的方式是治理瓦斯的有效方法，确保了巷道在通过断层是的安全掘进，同时也为永安宏泰煤业在今后过地质构造过程中的瓦斯治理技术上提供借鉴和指导。