近距離突出煤層群瓦斯綜合治理技術(shù)研究

郭建行，高 旭，譚 毅，張慧杰

(1.煤炭科學(xué)研究總院礦山安全技術(shù)研究分院，北京100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京100013；3.太原華潤(rùn)煤業(yè)有限公司原相煤礦，山西 古交030200)

突出礦井的瓦斯治理技術(shù)是瓦斯抽采研究領(lǐng)域的技術(shù)性難題。國(guó)內(nèi)外許多專家、學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的探索和研究，如采用煤層瓦斯預(yù)抽，保護(hù)層開(kāi)采，工作面順層鉆孔、高位鉆孔、采空區(qū)埋管、地面壓裂鉆孔等方法抽采礦井瓦斯，在某種程度上增加了瓦斯的抽采率[1-4]。但常規(guī)的瓦斯抽采方法都有一定的局限性，單一方法對(duì)瓦斯抽采的效果非常有限，通常達(dá)不到煤礦安全生產(chǎn)的要求[5]。

本文以原相煤礦近距離突出煤層群綜合瓦斯治理為基礎(chǔ)，以上保護(hù)層優(yōu)先開(kāi)采的區(qū)域綜合瓦斯治理為原則，采用本煤層預(yù)抽、高位鉆孔抽采和采空區(qū)埋管抽采相結(jié)合的綜合瓦斯治理方法，來(lái)滿足煤礦安全生產(chǎn)的要求。

1 煤層及瓦斯賦存情況

1.1 煤層賦存狀況

井田內(nèi)共含煤14層，自上而下編號(hào)依次為01、02、03、1、2、3、4上、4、6、7、8、9、10、11號(hào)?？刹杉熬植靠刹擅簩佑?2、2、4、6、8、9號(hào)共6層，主采煤層為02、2、8、9號(hào)?？刹擅簩淤x存情況見(jiàn)表1。

表1 可采煤層賦存情況表

1.2 瓦斯賦存狀況

礦井設(shè)計(jì)分兩個(gè)水平開(kāi)采，以+680m水平開(kāi)拓全井田的02、2、4號(hào)煤層，以+730m水平開(kāi)拓全井田的6、8、9號(hào)煤層，先開(kāi)采02號(hào)煤層作為保護(hù)層，后開(kāi)采2號(hào)煤層，目前礦井只開(kāi)采02、2號(hào)煤層，02、2號(hào)煤層瓦斯相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 02、2號(hào)煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)

1.3 工作面瓦斯涌出及運(yùn)移規(guī)律分析

根據(jù)《礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法(AQ1018-2006)》規(guī)定的分源預(yù)測(cè)法，對(duì)原相煤礦最深區(qū)域瓦斯涌出量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

可以看出02號(hào)煤層在開(kāi)采過(guò)程中，工作面瓦斯涌出量較大，其中本煤層瓦斯涌出比例小，鄰近層瓦斯涌出比例大，主要是由于下鄰近層層間距較小，受采動(dòng)裂隙的影響，下鄰近層瓦斯排放率可達(dá)80%以上，因此02號(hào)煤層在開(kāi)采過(guò)程下鄰近層瓦斯涌入過(guò)大，導(dǎo)致上隅角瓦斯超限，應(yīng)以鄰近層瓦斯抽采為重點(diǎn)。2號(hào)煤層在開(kāi)采過(guò)程中，工作面瓦斯涌出量較小，其中本煤層瓦斯涌出比例相對(duì)較大，鄰近層瓦斯涌出比例相對(duì)較小，主要是由于2號(hào)煤層在開(kāi)采時(shí)，對(duì)應(yīng)上部02號(hào)煤層已經(jīng)采空，2號(hào)煤層完全處于卸壓范圍內(nèi)。

表3 02、2號(hào)煤層瓦斯涌出預(yù)測(cè)

2 瓦斯治理現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

2.1 鄰近層瓦斯涌出大

通常，只采用本煤層順層鉆孔預(yù)抽方法，抽采效果不能滿足防突需求及瓦斯涌出量大等問(wèn)題，在原相礦近距離突出煤層群條件下，矛盾尤其嚴(yán)峻。目前原相煤礦02號(hào)煤層回采時(shí)，采用邁步鉆場(chǎng)順層鉆孔預(yù)抽條帶瓦斯形成順槽，繼而沿順槽雙向打平行鉆孔進(jìn)行預(yù)抽。02號(hào)煤層開(kāi)采時(shí)，來(lái)自鄰近層03、1、2號(hào)煤層、圍巖、02號(hào)煤層區(qū)段煤柱以及采煤工作面的丟煤的瓦斯同時(shí)涌入02號(hào)煤層回采空間，造成風(fēng)排瓦斯困難。

2.2 局部應(yīng)力集中與微風(fēng)巷道

02號(hào)煤層回采工作面巷道布置采用留區(qū)段煤柱雙“U”型通風(fēng)，此方法會(huì)降低采區(qū)回采率，導(dǎo)致回采工作面間的煤柱產(chǎn)生應(yīng)力集中，增加局部區(qū)域突出危險(xiǎn)性，并且不利于解放被保護(hù)層。另外，雙“U”順槽之間的聯(lián)絡(luò)巷會(huì)由于壓差較小，產(chǎn)生微風(fēng)或者無(wú)風(fēng)的情況，不利于瓦斯的稀釋。

2.3 采掘抽接替緊張

02號(hào)煤層與2號(hào)煤層層間距為7.3m<10m，并且都為突出煤層，需要分別進(jìn)行預(yù)抽和保護(hù)層開(kāi)采消突。02號(hào)煤層優(yōu)化前工作面采用4條順槽掘進(jìn)，工程量大，預(yù)抽時(shí)間短，工作面銜接緊張，生產(chǎn)能力受制約。

3 區(qū)域瓦斯治理工程應(yīng)用

3.1 開(kāi)拓采準(zhǔn)通風(fēng)方式優(yōu)化

3.1.1 開(kāi)拓布置優(yōu)化

原相礦優(yōu)化前采用四巷制開(kāi)拓，四條大巷布置于02和2號(hào)煤層中，優(yōu)化后+730水平采用四巷制布置，其中軌道、膠帶和第一回風(fēng)大巷布置于4號(hào)煤層底板15m處，第二回風(fēng)大巷布置于02號(hào)煤層中，滿足《防突規(guī)定》對(duì)于突出礦井的開(kāi)拓要求。

3.1.2 采準(zhǔn)布置優(yōu)化

原相礦優(yōu)化前采用留區(qū)段煤柱走向及傾向長(zhǎng)臂工作面，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度一般小于1000m。優(yōu)化后采用沿空留巷無(wú)煤柱走向長(zhǎng)臂工作面，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度一般在2000m左右。無(wú)煤柱大推進(jìn)度工作面避免煤柱應(yīng)力集中，提高了回采率，同時(shí)加大被保護(hù)煤層保護(hù)范圍，改善被保護(hù)煤層的卸壓保護(hù)效果。

3.1.3 工作面通風(fēng)方式優(yōu)化

02號(hào)煤層作為上保護(hù)層開(kāi)采，優(yōu)化前采用雙“U”型通風(fēng)方式，優(yōu)化后工作面采用“U”型通風(fēng)?？蓮母旧媳苊饴?lián)絡(luò)巷形成微風(fēng)或無(wú)風(fēng)巷道，簡(jiǎn)化工作面通風(fēng)系統(tǒng)。

3.2 抽采系統(tǒng)優(yōu)化

解決原相煤礦工作面多瓦斯涌出源、高瓦斯涌出量問(wèn)題，原有抽采方式、方法已不能消除工作面瓦斯的威脅，因此實(shí)施綜合瓦斯抽采。綜合瓦斯抽采可以最大限度利用時(shí)間及空間增加瓦斯抽采量、提高瓦斯抽采率，降低瓦斯抽采成本，緩解采、掘、抽接替緊張的狀態(tài)。

3.2.1 掘進(jìn)工作面穿層條帶預(yù)抽

優(yōu)化前掘進(jìn)工作面采用本煤層邁步鉆場(chǎng)順層鉆孔預(yù)抽條帶瓦斯，容易造成預(yù)抽時(shí)間短，往往難以有效消突。

優(yōu)化后掘進(jìn)工作面抽采調(diào)整為4號(hào)煤層底板掘進(jìn)底抽巷，對(duì)02號(hào)煤層順槽區(qū)域進(jìn)行穿層條帶抽采。順槽掘進(jìn)時(shí)，在4號(hào)煤層下方距離底板10m處，與順槽內(nèi)錯(cuò)25m，布置底板瓦斯抽放巷，施工穿層鉆孔預(yù)抽02號(hào)煤層順槽條帶瓦斯，控制02煤層工作面順槽兩幫15m，鉆孔直徑113mm，終孔間距5m時(shí)。優(yōu)化前后鉆孔布置見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 02號(hào)煤層先抽后掘鉆孔(優(yōu)化前)

3.2.2 回采工作面采前預(yù)抽

優(yōu)化前02號(hào)煤層采用定向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽區(qū)段瓦斯，鉆孔長(zhǎng)度約為500m。定向鉆孔成本較普通鉆孔高；02號(hào)煤層厚度平均為1.64m，為薄-中厚煤層，采用定向長(zhǎng)鉆鉆孔終孔易于偏離煤層進(jìn)入煤層頂?shù)装?，?dǎo)致抽采純度低；局部出現(xiàn)抽采空白區(qū)，需增加補(bǔ)充抽放鉆孔；02號(hào)煤層煤質(zhì)偏軟，破壞類型為Ⅲ類，容易造成塌孔而無(wú)法抽采。

圖2 底板瓦抽巷條帶預(yù)抽鉆孔(優(yōu)化后)

優(yōu)化后鉆孔長(zhǎng)度縮短一倍，無(wú)抽采盲區(qū)，鉆孔長(zhǎng)度較短不易塌孔，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)抽放實(shí)踐效果更理想。利用02號(hào)煤層上一回采區(qū)段的回風(fēng)順槽(沿空留巷)，向未采準(zhǔn)區(qū)域施工瓦斯預(yù)抽鉆孔，鉆孔長(zhǎng)度橫跨一個(gè)回采區(qū)段并超過(guò)15m以上(孔深約為250m)，預(yù)抽下一回采區(qū)段瓦斯，預(yù)抽達(dá)標(biāo)后掘進(jìn)下一回采區(qū)段的工作面順槽。鉆孔孔徑為113mm，鉆孔終孔間距為3m，優(yōu)化前后鉆孔布置見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 02號(hào)煤層鉆孔預(yù)抽(優(yōu)化前)

圖4 02號(hào)煤層鉆孔預(yù)抽(優(yōu)化后)

3.2.3 采中瓦斯抽采

采中瓦斯抽采主要針對(duì)卸壓鄰近層瓦斯進(jìn)行抽采，優(yōu)化前02號(hào)煤層在開(kāi)采過(guò)程中不對(duì)鄰近層進(jìn)行瓦斯抽采，導(dǎo)致02號(hào)煤層開(kāi)采過(guò)程中上隅角瓦斯過(guò)大。為了防止02號(hào)煤層在開(kāi)采過(guò)程中下鄰近層大量的瓦斯涌入，設(shè)計(jì)在02號(hào)煤層已采工作面下方受回采保護(hù)的2號(hào)煤層內(nèi)(效果檢驗(yàn)達(dá)標(biāo))施工一條走向煤巷(2號(hào)煤層開(kāi)采時(shí)作為2號(hào)煤層工作面順槽)。02號(hào)煤層開(kāi)采對(duì)下鄰近層的保護(hù)間距為43.20m，因此在2號(hào)煤層內(nèi)施工走向煤巷與順層鉆孔進(jìn)行預(yù)抽是可行的。

在煤巷每隔10m垂直煤壁施工一個(gè)2號(hào)煤層順層鉆孔抽采瓦斯，孔徑為113mm，開(kāi)孔高度為0.9m，鉆孔傾角為“煤層傾角”，鉆孔孔間距為10m，攔截下鄰近層瓦斯涌入02號(hào)煤層，鉆孔長(zhǎng)度約為250m，具體鉆孔布置見(jiàn)圖5。

采用頂板高位鉆孔布置方式進(jìn)行回采02號(hào)煤上鄰近層瓦斯抽采，設(shè)計(jì)頂板穿層鉆孔直徑113mm，鉆場(chǎng)間距60m，鉆孔長(zhǎng)度60～80m，終孔位置位于采空區(qū)上方冒落帶內(nèi)，距離02號(hào)煤層15～20m。同時(shí)，通過(guò)抽采負(fù)壓作用，改變工作面后方采空區(qū)及鄰近層瓦斯流場(chǎng)。以此達(dá)到解決工作采空區(qū)瓦斯涌出、上隅角瓦斯超限的問(wèn)題，具體鉆孔布置見(jiàn)圖6。

圖5 02下鄰近層抽采鉆孔布置示意圖

02、2號(hào)煤層層間距為7.3m，02號(hào)煤層開(kāi)采完后，2號(hào)煤層瓦斯排放率可達(dá)到80%，2號(hào)煤層處于卸壓狀態(tài)，裂隙發(fā)育，瓦斯排放量成倍的增加，另外考慮到抽采負(fù)壓的作用，2號(hào)煤層的瓦斯排放率可達(dá)到更高。

3.2.4 采后瓦斯抽采

半封閉采空區(qū)一般采用埋管法進(jìn)行抽采，沿工作面的回風(fēng)巷的上幫敷設(shè)一條瓦斯抽采管。隨著工作面的推進(jìn)，瓦斯管道一端逐漸埋入采空區(qū)，瓦斯管路每隔一定距離設(shè)一三通，當(dāng)工作面推進(jìn)至下一個(gè)埋管口三通處，將埋在采空區(qū)的前一埋管段控制閥門關(guān)閉，打開(kāi)下一循環(huán)的埋管口閥門，以此達(dá)到利用埋管不斷抽采采空區(qū)瓦斯的目的，埋管的有效長(zhǎng)度一般為30m，具體布置見(jiàn)圖7。

全封閉采空區(qū)一般為老空區(qū)，回采工作面回采完畢后，可以在采空區(qū)密閉墻上插入抽采管路，使采空區(qū)瓦斯在抽采負(fù)壓的作用下，經(jīng)抽采管路而抽出，具體布置見(jiàn)圖8。

圖7 半封閉采空區(qū)埋管抽采布置圖

圖8 全封閉老采空區(qū)瓦斯抽采方案

4 瓦斯抽采量預(yù)測(cè)與驗(yàn)證

4.1 瓦斯抽采量預(yù)測(cè)

礦井在02號(hào)煤層采用工作面預(yù)抽及邊采邊抽、掘進(jìn)工作面預(yù)抽和采空區(qū)瓦斯抽采等立體綜合瓦斯抽采方法，礦井瓦斯抽采量計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 礦井抽采面配置及瓦斯抽采量預(yù)計(jì)匯總表/(m3/min)

4.2 瓦斯抽采效果驗(yàn)證

4.2.1 回采工作面瓦斯抽采效果

原相煤礦02號(hào)煤層回采工作面預(yù)測(cè)瓦斯涌出量為59.33m3/min，瓦斯抽采量為40.84m3/min，則工作面瓦斯抽采率為68.84%>50%的規(guī)定。

02號(hào)煤層工作面預(yù)抽時(shí)間為300天，工作面本煤層抽采量為20.81m3/min。工作面本煤層抽采后工作面瓦斯含量降為4.06m3/t。抽采后工作面可解吸瓦斯量1.56m3/t<7m3/t的規(guī)定。

4.2.2 礦井瓦斯抽采效果

原相煤礦預(yù)計(jì)最大瓦斯涌出量為105.13m3/min，礦井瓦斯抽采量為61.10m3/min，則礦井瓦斯抽采率為58.12%>45%的規(guī)定。

根據(jù)目前礦井生產(chǎn)布置情況，礦井瓦斯涌出量為105.13m3/min，抽采量為61.10m3/min，則風(fēng)排瓦斯量為44.03m3/min，礦井目前總配風(fēng)量為8452m3/min，考慮1.2的富裕系數(shù)，回風(fēng)瓦斯?jié)舛?.63%，完全滿足要求。

5 結(jié)論

1)02號(hào)煤層在回采過(guò)程中工作面本煤層瓦斯涌出比例較小，鄰近層瓦斯涌出比例較大，區(qū)域瓦斯治理措施不但要考慮本煤層瓦斯抽采，同時(shí)要重點(diǎn)兼顧?quán)徑鼘油咚怪卫怼?號(hào)煤層在開(kāi)采過(guò)程中受到02號(hào)煤層回采卸壓保護(hù)，瓦斯涌出量相對(duì)較小，按采掘抽規(guī)劃已經(jīng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的卸壓抽采，減少了預(yù)抽工作量。

2)回采工作面采用“U”型通風(fēng)，走向長(zhǎng)臂式工作面沿空留巷一次采全高的回采方式，可以避免因區(qū)段煤柱應(yīng)力集中造成巷道支護(hù)困難，增加被保護(hù)煤層有效保護(hù)范圍，改善被保護(hù)煤層的卸壓保護(hù)效果，減少采準(zhǔn)巷道工程量，增加回采區(qū)段預(yù)抽時(shí)間。

3)采用掘進(jìn)工作面條帶瓦斯穿層預(yù)抽、回采區(qū)段瓦斯順層預(yù)抽、上下鄰近層邊采邊抽、采空區(qū)瓦斯卸壓抽采相結(jié)合的立體瓦斯抽采措施，能解決回采工作面瓦斯涌出大，上隅角瓦斯超限等問(wèn)題，提高瓦斯抽采量，保證保護(hù)層回采的安全高效。

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