综采工作面上隅角瓦斯综合治理技术研究及应用

边高沁

（山西高平科兴申家庄煤业有限公司，山西 高平 048400）

1 N10909 综采工作面概述

申家庄煤N10909 综采工作面位于辅助水平北一采区西翼，北部为N10911 工作面（设计），南部为N10907 综采工作面采空区，西部为地质不可采区，东部为北轨道大巷、北胶带大巷、北回风大巷。地表多为山丘、荒地，相对位于马家庄村东北部，有少量树木和耕地[1-2]。

N10909 综采工作面切眼长度为150 m，顺槽长度为782 m，回采煤层为9 号层，煤层在工作面内部发育完整，厚度1.10～1.60 m，平均厚度为1.26 m，工作面局部含一层夹矸，夹矸厚度变化在0.2～0.3 m。煤层顶底板岩性如表1 所示。

表1 N10909 综采工作面回采的9 号煤层顶底板岩性表

N10909 综采工作面地质条件复杂，根据物探资料显示，工作面回采区域内主要地质构造以中下断层为主，预计共计揭露29 条断层，断层平均落差为0.9 m，平均倾角为52°，在480～790 m 段共计揭露21 条断层，形成断层群区。受断层影响，工作面回采至482 m 处时上隅角出现瓦斯异常现象，实测上隅角瓦斯最大浓度（体积分数，下同）达1.7%，工作面推进至485 m 处时共计出现6 次上隅角瓦斯超限断电现象，严重制约着工作面安全快速推进[3]。

2 上隅角瓦斯超限原因分析

1）地质构造影响：N10909 综采工作面回采至480 m 处进入断层群区，受断层影响，工作面煤体及围岩出现高密度裂隙区域，在裂隙带内富含高浓度瓦斯，工作面的9 号煤层整体稳定性差，在断层群区回采时煤壁垮落严重，导致裂隙区内瓦斯快速涌入工作面内，造成工作面及上隅角瓦斯超限现象[4]。

2）邻近采空区影响：N10909 综采工作面南部为N10907 综采工作面采空区，与采空区之间预留保安煤柱宽度为30 m，工作面回采过断层群区时受断层影响，顶板围岩出现裂隙，且裂隙带向N10907 综采工作面采空区方向延伸，并与采空区围岩裂隙贯通，形成瓦斯流动通道，导致N10907 综采工作面采空区内残留的瓦斯沿裂隙通道进入N10909 工作面，导致工作面内瓦斯浓度超限。

3）采空区漏风：N10909 综采工作面采用U 型通风系统，工作面设计配风量为556 m3/min，采用“一进一回”通风方式，新鲜风流从运输顺槽进入工作面，由于端头支架与巷帮以及架与架之间间隙大，风流进入工作面后，部分风流沿架间间隙进入采空区内，在采空区负压作用下漏风风流将采空区内有害气体从上隅角带出，导致上隅角处瓦斯积聚超限现象。

4）采空区瓦斯影响：工作面过断层期间采用仰俯斜回采工艺，导致断层区内工作面底煤遗留量大，并随着工作面推进甩入采空区内，遗煤内富含瓦斯在采空区内释放，同时受采动影响，工作面顶板形成高位裂隙区，瓦斯聚集在裂隙区内，随着采空区顶板垮落，裂隙区内瓦斯涌入采空区内，从而在架后50 m 范围内形成采空区瓦斯富集区，部分瓦斯在负压作用下进入工作面内。

3 上隅角瓦斯综合治理技术

为了解决N10909 综采工作面过断层区上隅角出现的瓦斯超限问题，根据N10909 工作面上隅角瓦斯积聚原因，决定对上隅角采取合理有效的综合瓦斯治理技术[5]。

3.1 顺层瓦斯抽采钻孔抽采

1）在断层区对N10909 工作面煤层布置顺层瓦斯抽采钻孔进行超前瓦斯抽采，钻孔采用交替式布置方式，钻孔深度为80 m，直径为75 m，钻孔布置在头尾顺槽两侧煤壁上，钻孔开口位置与顶板间距为1.5 m，每侧钻孔布置间距为10 m，以5°仰角进行布置。

2）工作面回采至485 m 处开始布置顺槽钻孔，尾顺槽煤壁第一个钻孔距工作面5.0 m，头顺槽煤壁第一个钻孔距工作面10 m，头尾顺槽钻孔交替布置；钻孔施工完后对钻孔内安装瓦斯抽采花管，花管采用直径为70 mm 的无缝钢管焊制而成，钢管上布置若干个直径为8 mm 的瓦斯抽采小孔，每个钻孔内安装3 节花管，每节长度为2.0 m。

3.2 采空区埋管瓦斯抽采

1）N10909 工作面北部为N10911 回风顺槽，间距为30 m，首先在N10909 回风顺槽与N10911 回风顺槽施工通风横贯，横贯断面规格为宽×高=3.0 m×3.0 m，长度为30 m，通风横贯布置间距为50 m，通风横贯内施工2 道密闭墙，在墙体内安装2 趟直径为219 mm 的瓦斯抽采支管并采用阀门控制，支管与安装在N10911 回风顺槽内抽采主管连接，如图1 所示。

图1 采空区埋管瓦斯抽采施工平面示意图

2）当第一个通风横贯进入采空区后，及时在瓦斯抽采支管上安装2 根直径为163 mm 的瓦斯抽采软管，横贯进入采空区10 m 后，打开阀门进行采空区瓦斯抽采；当第2 个通风横贯进入采空区后，及时关闭第1 个通风横贯抽采阀门，并对第2 个横贯内接入采空区瓦斯抽采软管，并打开阀门继续进行瓦斯抽采，依次类推，直至工作面过断层群区。

3.3 高位裂隙钻孔抽采

1）对N10909 工作面裂隙带布置高位裂隙钻孔进行瓦斯抽采，为了不影响工作面正常回采，将高位裂隙钻场布置在N10911 回风顺槽内，钻场布置间距为30 m，钻场规格为长×深×高=3.5 m×4.0 m×3.0 m，钻场内围岩采用锚杆（索）、金属网联合支护。

2）在每个高位钻场内位于采空区的侧煤壁上布置4 个高位裂隙钻孔，钻孔编号为1 号、2 号、3 号、4 号，钻孔深度为80 m，钻孔布置仰角为12°，钻孔终孔位置与工作面顶板垂高不低于15 m，其中1 号钻孔向工作面侧水平角为15°，2 号钻孔水平角为30°，3号钻孔水平角为45°，4 号钻孔水平角为60°。

3）高位钻孔施工完后进行高位裂隙带瓦斯抽采，每个高位钻场瓦斯抽采时间不得低于10 d，当工作面回采至与第1 个高位钻场水平距为5.0 m 时停止瓦斯抽采，并对第2 个钻场内高位钻孔进行瓦斯抽采。

3.4 安装风障、引射器

1）为了解决端头漏风问题，在工作面端头支架与顺槽处安装一道“Z”型风障，风障采用Z 型钢架、风筒布制成，风障长度为30 m，两边长为2.0 m，将风障一端固定在端头支架顶梁下方，另一端固定在头顺槽非煤壁侧巷帮上，在风障上设置人行通道，便于人员通行。

2）在工作面进风流距上隅角15 m 处安装1 台风流引射器，引射器功率为15 kW，通过直径为300 mm柔性风筒将风流引入上隅角处，从而对上隅角积聚瓦斯进行排除。

4 实际应用效果分析

截至2022 年3 月17 日，N10909 工作面已回采至610 m，且完全过断层群区，通过对断层群区工作面上隅角采取合理有效的瓦斯综合治理技术后，取得了以下显著应用成效：

1）工作面在后期回采过程中实测上隅角处平均瓦斯浓度为0.3%，工作面内平均瓦斯浓度为0.7%，回风巷内平均瓦斯浓度为0.8%，如图2 所示。采取相关治理措施后，未出现1 起上隅角瓦斯超限出现工作面断电事故。

图2 综合瓦斯治理技术后工作面瓦斯浓度变化曲线图

2）工作面煤层采取顺层瓦斯抽采、采空区埋管瓦斯抽采、高位裂隙孔瓦斯抽采后，降低了工作面瓦斯涌出量，瓦斯抽采率达37.8%。

3）对工作面安装风障后起到了风流引导作用，减少了端头漏风量，通过现场实测发现，安装风障前端头处漏风量达17%，安装风障后端头漏风量减少至5%。

4）对上隅角处安装引射器后，解决了传统U 型通风系统造成上隅角窝风问题，以及自然风流排瓦斯能力差等技术难题，杜绝了上隅角瓦斯积聚现象，现场实测安装风流引射器后上隅角平均瓦斯浓度在3%以下。

5 结语

申家庄煤矿根据N10909 综采工作面上隅角瓦斯超限原因，对工作面提出了顺槽煤层瓦斯抽采、高位裂隙瓦斯抽采、采空区埋管等一系列瓦斯治理技术，实践应用效果表明，采取综合瓦斯抽采技术后有效控制了工作面瓦斯浓度，降低了上隅角瓦斯超限现象，保证了工作面回采安全，取得了显著应用成效。