近距離煤層群首采保護(hù)層工作面瓦斯綜合治理技術(shù)研究

楊家忠

（煤礦瓦斯治理國(guó)家工程研究中心邯鄲分中心，安徽 淮南 232001）

1 礦井概況

赤峪煤礦位于山西省文水縣境內(nèi)，礦井設(shè)計(jì)能力300萬(wàn)噸／年。井田位于太原西山煤田的西南部，煤田西緣斷裂帶與東緣斷裂帶（清交大斷裂帶）的收斂部位。

礦井中央采區(qū)水平標(biāo)高＋140，地面標(biāo)高＋828～＋1016m，為立井集中下山開(kāi)拓方式，通風(fēng)方式為中央并列式，通風(fēng)方法為抽出式。

在礦井工程建設(shè)過(guò)程中，多處穿層鉆孔實(shí)測(cè)煤層瓦斯壓力高達(dá)2～5MPa，打鉆地點(diǎn)頻繁出現(xiàn)頂鉆、卡鉆、噴孔等動(dòng)力現(xiàn)象，煤層均為煤與瓦斯突出煤層。

2 首采保護(hù)層的選擇

開(kāi)采保護(hù)層是最有效、最經(jīng)濟(jì)的區(qū)域性防突措施。保護(hù)層開(kāi)采后，被保護(hù)區(qū)域地應(yīng)力減小，煤巖彈性能得到緩慢釋放，煤層透氣性大幅增加，煤層賦存瓦斯得到充分解析，煤的機(jī)械強(qiáng)度成倍提高，是區(qū)域消突和防止煤與瓦斯突出最有效措施［1］。

赤峪礦井田范圍內(nèi)可采及局部可采煤層6層，主要有1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)煤層，煤層間距分別為6．99m、7．73m、16．73m。其中，2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)煤層為主采煤層，平均煤厚分別為1．88m、1．68m、2．76m，均屬于自燃－易自燃發(fā)火煤層，實(shí) 測(cè) 瓦 斯 壓 力 分 別 為 3．1MPa、4．2MPa、5．0MPa。

根據(jù)煤層賦存條件和保護(hù)范圍，可供選擇的保護(hù)層主要有:山西組的1＃、2＃和太原組的6＃煤層。6＃煤層由于與下覆在煤系地層底部、含水量豐富的特厚奧陶系石灰?guī)r距離較近，井田大部分區(qū)域的突水系數(shù)大于1，不作為保護(hù)層考慮；1＃煤層平均厚度0．37m，煤層較薄，賦存不穩(wěn)定，也不作為保護(hù)層。因此，2＃煤層雖然瓦斯含量和壓力相對(duì)較大，但其為穩(wěn)定可采的中厚煤層，可選擇2＃煤層為首采保護(hù)層，中央?yún)^(qū)上部C0202為首采工作面。

3工作面瓦斯綜合治理設(shè)計(jì)C0202工作面2＃煤層原始瓦斯含量X0＝12m3／t，其上覆1＃、1＃上煤層原始瓦斯含量均為9．0m3／t，下伏2＃下、3＃、4＃煤層原始瓦斯含量依次增加，分別為12．0m3／t、13．0m3／t、14．0m3／t?；诜衷捶A(yù)測(cè)，C0202工作面回采期間相對(duì)瓦斯涌出量為34．85m3／t，其中本煤層瓦斯涌出量13．63m3／t，占39%，上鄰近層相對(duì)瓦斯涌出量為2．69m3／t，下鄰近層相對(duì)瓦斯涌出量為18．53m3／t；日產(chǎn)量為1000～2000t／d時(shí)，絕對(duì)瓦斯涌出量為24．22m3／min～48．40m3／min。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察，結(jié)合礦井采掘開(kāi)拓現(xiàn)狀，提出C0202采面采取沿空留巷Y型通風(fēng)［2～3］配合本煤層順層鉆孔、兩巷底板下向穿層卸壓鉆孔、頂抽巷高位鉆孔、采空區(qū)埋管的“五措并舉”瓦斯綜合治理技術(shù)方案。

3．1 沿空留巷“Y”型通風(fēng)

兩進(jìn)一回“Y”型通風(fēng)是預(yù)防和治理工作面瓦斯超限及上隅角瓦斯積聚最有效的通風(fēng)方式。按照風(fēng)排瓦斯量不低于5m3／min的要求，工作面實(shí)際配風(fēng)量為2000m3／min，上順槽（回風(fēng)順槽）700m3／min，下順槽（運(yùn)輸順槽）1300m3／min。

沿空留巷為上順槽留巷，采用破底半原位法。煤層開(kāi)采后，首先破除臺(tái)階底板寬度為300mm的工作面內(nèi)煤層底板，破底后實(shí)際巷道總寬度為4．8m。充填體全部布置在巷道內(nèi)部，寬度為1800mm，高為2600mm，留巷斷面寬度為3000mm。采空區(qū)采用木支柱支護(hù)，木支柱間距為400mm，木支柱?≥160mm。加強(qiáng)支護(hù)采用巷內(nèi)點(diǎn)柱配合錨桿、斜拉錨索等，并適時(shí)進(jìn)行人工切頂，C0202工作面上順槽沿空留巷，見(jiàn)圖1所示。

圖1 破底半原位沿空留示意圖

充填體形狀為長(zhǎng)方體，形狀較規(guī)則，充填包制作和框架架設(shè)以及充填工作相對(duì)較簡(jiǎn)單。巷道斷面小，維護(hù)較簡(jiǎn)單，抵抗變形能力較強(qiáng)。

若巷道變形不能滿足通風(fēng)的需要，可適當(dāng)加大臥底深度至500～1000mm，確保留巷巷道的有效通風(fēng)斷面滿足要求（斷面≥8m2）?？紤]到沿空留巷巷道支護(hù)及維修難度，若臥底后仍不能滿足要求，可采用施工頂抽巷與工作面回風(fēng)順槽的聯(lián)巷作為備用措施，初期按每隔100m布置一條聯(lián)絡(luò)巷，在工作面回采過(guò)程中，根據(jù)留巷的效果，適當(dāng)調(diào)整聯(lián)巷的間距。若留巷效果能滿足工作面通風(fēng)要求，可不需掘進(jìn)聯(lián)絡(luò)巷；若留巷效果較差，不能滿足要求，則將里側(cè)封閉，利用聯(lián)巷進(jìn)行通風(fēng)，確?！癥”型通風(fēng)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

3．2 本煤層順層鉆孔

順層鉆孔作為工作面煤層治理瓦斯的重要措施［4］，對(duì)于防治采煤工作面突出、降低回采過(guò)程中的瓦斯涌出量、大幅度減少回采中的局部防突工作量以及加快回采速度是非常必要的。在工作面運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽間隔3m沿煤層傾向施工一個(gè)順層鉆孔，預(yù)抽本煤層瓦斯。鉆孔直徑113mm，深80m，兩巷鉆孔鉆孔重疊長(zhǎng)度為10m，詳見(jiàn)圖2。

圖2 本煤層順層預(yù)抽鉆孔成果圖

3．3 兩巷底板下向穿層鉆孔

由于3＃、4＃瓦斯壓力大，考慮到2＃煤距2＃下煤約2m，距3＃煤5～8m左右，3＃煤下距4＃煤7m左右，為防止工作面回采后底板大面積裸露，造成2＃下、3＃、4＃煤層卸壓瓦斯涌入采空區(qū)，在工作面上、下順槽內(nèi)自切眼往外至停采線外20m，每間隔9m布置一組鉆孔，可用于提前預(yù)抽2＃下、3＃、4＃煤層瓦斯及抽采卸壓后瓦斯。鉆孔布置見(jiàn)圖3。

圖3 兩巷底板穿層鉆孔布置示意圖

3．4 采空區(qū)埋管抽采

在工作面采空區(qū)沿空留巷段，埋設(shè)管路抽采采空區(qū)瓦斯。初次埋管斷面與聯(lián)接抽采管路匹配（同斷面），抽放管長(zhǎng)度為3m、初采期間埋管走向間距為7．5m，正常回采期間可視瓦斯抽放情況適當(dāng)調(diào)整埋管間距至15～30m?？紤]到充填體受載后的橫向膨脹，埋設(shè)管長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為3m，直徑?＝250mm。在指定埋管位置，充填墻模上預(yù)留?＝260mm孔眼，方便埋管。埋管與回風(fēng)順槽內(nèi)450mm低負(fù)壓抽采管連接，通過(guò)調(diào)整采空區(qū)埋管蝶閥角度控制低負(fù)壓抽采量，控制工作面上隅角瓦斯?jié)舛仍?．8%以下。

3．5 頂抽巷高位穿層鉆孔

頂板高位鉆孔布置在采空區(qū)卸壓“O”型圈內(nèi)［5－6］，可抽采高濃卸壓瓦斯。自切眼往里50m起，布置第一組高位鉆孔，每組鉆孔5個(gè)，與頂抽巷軸向夾角最大45°，最小15°，控制在回風(fēng)順槽以下30m范圍內(nèi)，鉆孔高低交錯(cuò)布置，鉆孔直徑為Φ113mm，終孔平面投影間距為6m（鉆孔終孔點(diǎn)位置高度應(yīng)根據(jù)頂板冒落裂隙情況進(jìn)行確定），往后至停采線止每15m布置一組。相鄰兩組鉆孔投影相交為13m，鉆孔施工完后進(jìn)行插管、封孔。高位鉆孔超前工作面不小于90m。鉆孔布置如圖4所示。

圖4 頂抽巷高位鉆孔布置示意圖

3．6 抽放管道“氣水分離，集中防水”技術(shù)

采用“氣水分離、集中放水”管路連接模式進(jìn)行抽采管理，通過(guò)該連接模式實(shí)現(xiàn)抽采鉆孔氣、水分離，抽采瓦斯向上匯入抽采系統(tǒng)，鉆孔內(nèi)水往下流入集水管、放水器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)統(tǒng)一放水，從而充分提高抽采效果。管路連接模式見(jiàn)圖5。

圖5 “氣水分離、集中放水”管路連接模式示意圖

4 瓦斯綜合治理實(shí)際效果分析

4．1 工作面瓦斯抽采情況

圖6為各項(xiàng)瓦斯治理措施抽采瓦斯純量和總抽采率隨時(shí)間變化圖。從圖7可以看出:采空區(qū)埋管抽采瓦斯純量最大，為5．7～20．8m3／min，這說(shuō)明Y型通風(fēng)留巷采空側(cè)為瓦斯富集區(qū)；頂抽巷高位鉆孔與風(fēng)排瓦斯純量變化很小，分別為4．1～12．9m3／min、4．3～9．25m3／min，由此推知，在工作面開(kāi)采過(guò)程中，“O”型圈內(nèi)瓦斯富集比較穩(wěn)定；運(yùn)輸順槽和軌道順槽順層鉆孔抽采本煤層瓦斯效果不好，抽采純量?jī)H為1．0～4．1m3／min。

圖6 各項(xiàng)瓦斯治理措施抽采瓦斯純量和總抽采率隨時(shí)間變化圖

該工作面瓦斯絕對(duì)涌出量為21．3～45．2m3／min，絕大部分來(lái)自鄰近2＃下、3＃、4＃煤層卸壓瓦斯，抽采瓦斯純量總量為16．5～36．4m3／min。工作面抽采率達(dá)到67～80%，遠(yuǎn)高于AQ1026－2006中所規(guī)定的工作面瓦斯涌出量20m3／min≤Q＜40m3／min，工作面瓦斯抽采率≥40%。

圖7 各項(xiàng)抽采措施瓦斯?jié)舛入S時(shí)間變化圖

如圖7所示，頂板高位鉆孔瓦斯抽采濃度最高，在16．7～37．4%之間變化，其原因是首采保護(hù)層C0202工作面開(kāi)采后，受采動(dòng)應(yīng)力的影響，在留巷采空側(cè)頂板斜上方會(huì)出現(xiàn)豎向裂隙發(fā)育區(qū)，隨工作面的不斷推進(jìn)，位于采空側(cè)空隙分布呈“O”型，加之瓦斯密度較下，氣體上浮，大量瓦斯易富集于此。頂板巷高位鉆孔恰好位于此處，因此其抽采濃度較高。

另外，由于工作面采用沿空留巷“Y”型通風(fēng)技術(shù)，采空區(qū)的漏風(fēng)主要流向留巷段，如果留巷密實(shí)性好，由漏風(fēng)從采空區(qū)內(nèi)部帶出大量瓦斯會(huì)匯集于留巷采空區(qū)側(cè)，這必將利于實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采，故采空區(qū)埋管抽采瓦斯?jié)舛仍?．85～9．77%之間。運(yùn)輸順槽和軌道順槽順層鉆孔為提前預(yù)抽，原始煤層透氣較低，兩巷順層鉆孔抽采濃度較低，在1．78～6．5%之間。

4．2 工作面產(chǎn)量及回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸兓闆r

圖8為工作面瓦斯涌出量與日產(chǎn)量關(guān)系?？梢钥闯?工作面現(xiàn)已連續(xù)安全推進(jìn)202m，工作面日產(chǎn)量為平均日產(chǎn)量932t，絕對(duì)瓦斯涌出量平均為30．81m3／min。

圖8 工作面瓦斯涌出量與日產(chǎn)量關(guān)系

由圖9可知:回風(fēng)流瓦斯平均濃度T1在0．16～0．56%，T2在0．23～0．51%?；夭善陂gT1探頭在2月10日和2月28日瓦斯?jié)舛确謩e為0．92%和0．89%，高于設(shè)定的報(bào)警濃度0．8%。分析可得，兩次超限均發(fā)生在產(chǎn)量突然增大之后，且增幅較大，由正常900t／d突然增加到1500t／d（圖8）。

圖9 回風(fēng)流瓦斯平均濃度

綜上，首采保護(hù)層工作面瓦斯治理難度大，尤其是近距離多煤層開(kāi)采，所以，工作面回采時(shí)要嚴(yán)格遵守“以風(fēng)定產(chǎn)”、“以抽定產(chǎn)”的要求。通過(guò)目前數(shù)據(jù)分析，日產(chǎn)量正常應(yīng)控制在900t／d－1200 t／d之間。

5 結(jié) 論

（1）工作面開(kāi)采過(guò)程中采用“五措并舉”瓦斯綜合治理技術(shù)，工作面瓦斯涌出得到有效控制，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛缺３衷?．4%左右，瓦斯抽采總量達(dá)16．5～36．4m3／min，抽采率達(dá)到70%以上，實(shí)現(xiàn)瓦斯連續(xù)、分源抽采，保護(hù)層瓦斯充分卸壓。

（2）實(shí)現(xiàn)了工作面沿空留巷“Y”型通風(fēng)煤與瓦斯共采。成功連續(xù)留巷200m，保持巷道斷面8m2，寬度3m，巷道穩(wěn)定。工作面運(yùn)輸順槽、回風(fēng)順槽處于新鮮風(fēng)流中，改善了工作面作業(yè)環(huán)境，提高工作面安全系數(shù)。

（3）工作面回采時(shí)要嚴(yán)格遵守“以風(fēng)定產(chǎn)”、“以抽定產(chǎn)”的要求，日產(chǎn)量正常控制在900～1200t／d之間。

1 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，防治煤與瓦斯突出規(guī)定［M］．煤炭工業(yè)出版社，2009．

2 盧平，方良才，童云飛，等．深井煤層群首采層Y型通風(fēng)工作面采空區(qū)卸壓瓦斯抽采與綜合治理研究［J］．采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2013，30（3）:456－461．

3 袁亮．低透氣性煤層群無(wú)煤柱煤與瓦斯共采理論與實(shí)踐［J］．中國(guó)工程科學(xué)，2009，11（5）:72－80．

4 趙偉濤．高瓦斯煤層綜采工作面順層長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽瓦斯效果分析［J］．煤炭技術(shù)，2008，27（5）:94－96．

5 袁亮．留巷鉆孔法煤與瓦斯共采技術(shù)［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2008，33（8）:898－902．

6 袁亮．開(kāi)采煤層頂板環(huán)形裂隙圈內(nèi)走向長(zhǎng)鉆孔法抽放瓦斯研究［J］．中國(guó)工程科學(xué)，2004，6（5）:32－38．