遠(yuǎn)距離下保護(hù)層卸壓開采井上下立體煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)模式

樊振麗

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013)

遠(yuǎn)距離下保護(hù)層卸壓開采井上下立體煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)模式

樊振麗1,2

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013)

[摘要]針對遠(yuǎn)距離松軟低滲煤層群開采問題，提出基于保護(hù)層卸壓的井上下立體化煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)模式及煤層氣抽采工程的布設(shè)原則。通過潘一東礦1252(1)工作面的工程實(shí)踐，采用數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)測的方法，研究了11-2煤保護(hù)層卸壓開采的應(yīng)力變化規(guī)律和卸壓范圍，評價(jià)了煤層氣卸壓抽采效果。實(shí)踐證明，該模式的應(yīng)用有效解決了工藝接續(xù)和煤與煤層氣兩種資源安全、高效開發(fā)的問題。

[關(guān)鍵詞]保護(hù)層卸壓開采；煤層氣抽采；協(xié)調(diào)開發(fā)

煤與煤層氣是共伴生的兩種可開發(fā)利用的重要資源，二者的一體化協(xié)調(diào)開采是煤礦區(qū)資源開發(fā)的必然途徑。我國煤層群賦存地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，松軟、低滲、高瓦斯、難抽、突出煤層，難以在采前以地面井預(yù)抽的方式進(jìn)行開采，而保護(hù)層卸壓開采可實(shí)現(xiàn)增透增流，安全采出煤與煤層氣兩種資源[1-4]。實(shí)踐證明，利用保護(hù)層卸壓開采可有效解決遠(yuǎn)距離突出煤層的資源一體化安全開發(fā)問題，以此為核心形成了采動(dòng)區(qū)基于保護(hù)層卸壓開采的煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)模式，實(shí)現(xiàn)了煤層氣抽采與煤炭生產(chǎn)的采、掘、運(yùn)、支、管等工藝環(huán)節(jié)的有序接替[5-6]。下保護(hù)層開采形成的采動(dòng)裂隙充分發(fā)育后，可對上覆被保護(hù)煤層起到有效卸壓的作用，較上保護(hù)層開采更適合于遠(yuǎn)距離煤層群的開采。筆者以淮南潘一東礦1252(1)下保護(hù)層工作面為例，說明深部遠(yuǎn)距離下保護(hù)層卸壓開采井上下立體化煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)模式的應(yīng)用情況。

1協(xié)調(diào)開發(fā)模式

1.1模式內(nèi)容

潘一東礦根據(jù)主采煤層11-2，13-1煤的煤層瓦斯地質(zhì)特征，即具有煤層氣含量和壓力較大，煤層埋深大、地面難抽采，11-2煤突出危險(xiǎn)性相對較小的特點(diǎn)，選取11-2煤層為保護(hù)層，13-1煤層為被保護(hù)層，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離(煤層間距約70m)下保護(hù)層卸壓開采。隨著煤炭開采的進(jìn)行，生產(chǎn)區(qū)隨即轉(zhuǎn)化為采空區(qū)，二者的界限是動(dòng)態(tài)變化的，故這兩個(gè)區(qū)統(tǒng)稱為采動(dòng)區(qū)，通過開采實(shí)踐形成了以采動(dòng)區(qū)抽采為主的下保護(hù)層卸壓井上下立體抽采煤層氣開發(fā)模式(圖1)。

一般地，煤炭開采前須提前5～10a進(jìn)行礦井或采區(qū)的煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)規(guī)劃，而煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)則是在煤層采前煤層氣的預(yù)抽、采中和采后抽采以及保護(hù)層和被保護(hù)層煤炭開采的相互銜接、相互影響的過程中實(shí)現(xiàn)的。如圖1所示，采動(dòng)區(qū)保護(hù)層卸壓開采煤與煤層氣的協(xié)調(diào)開發(fā)包括了5個(gè)階段，即保護(hù)層煤層氣預(yù)抽與采中抽采、保護(hù)層煤炭開采、被保護(hù)層煤層氣井上下立體預(yù)抽、被保護(hù)層煤炭開采以及采空區(qū)煤層氣井上下立體抽采。當(dāng)保護(hù)層開采或煤層氣抽采完畢后，需要對卸壓開采效果和煤層氣抽采效果進(jìn)行檢測、評價(jià)，直至進(jìn)入采空區(qū)抽采階段并實(shí)現(xiàn)采空區(qū)煤層氣最大限度地抽采。

1.2煤層氣抽采技術(shù)及其布孔原則

圖1　潘一東礦采動(dòng)區(qū)煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)模式

煤層氣抽采工程是煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)順利進(jìn)行的根本保證。煤層氣抽采工程包括了地面煤層氣抽采鉆井、煤層頂板抽采工程(如高位鉆孔、高抽巷、頂板走向鉆孔等)、煤層底板抽采工程(如底板穿層孔和底抽巷等)以及本煤層抽采工程(如順層鉆孔等)，不同抽采工程通過頂?shù)装辶Ⅲw布置、井上下立體布置形成了井上下立體化煤層氣抽采形式，與煤炭開采的保護(hù)層和被保護(hù)層開發(fā)形式共同組成了井上下立體化的資源開發(fā)布置格局。

地面鉆井和井下煤層氣抽采工程的布設(shè)的基礎(chǔ)理論依據(jù)為地表移動(dòng)規(guī)律和煤層采動(dòng)破壞規(guī)律(圖2)。

圖2　地表移動(dòng)與覆巖破壞規(guī)律與井下抽采工程的布設(shè)

地面鉆井應(yīng)布置在采動(dòng)影響小的區(qū)域，最大限度減小采動(dòng)破壞。在空間平面上地面鉆井應(yīng)布置在靜態(tài)水平變形為零和小變形的位置，并在時(shí)間上盡可能避開地表移動(dòng)活躍期布設(shè)煤層氣抽采鉆井。兩淮礦區(qū)地面井布設(shè)工程實(shí)踐，地面鉆井井位布置于工作面正中央或距離回風(fēng)巷1/3處，井間距200～400m；時(shí)間上，盡可能避開地表移動(dòng)活躍期(2～3個(gè)月)布設(shè)瓦斯抽采鉆孔(井)。

煤層采動(dòng)破壞規(guī)律主要包括煤層覆巖破壞規(guī)律和底板的采動(dòng)破壞規(guī)律，巖層破斷損傷主要表現(xiàn)為垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶和底板采動(dòng)破壞帶[7-11]。井下抽采工程(穿層鉆孔、高位鉆場、高抽巷、底抽巷和順層抽采鉆孔等)的空間布置的理論基礎(chǔ)便是采場頂?shù)装逡苿?dòng)、變形、破壞規(guī)律。如圖2所示，煤層頂板抽采工程的位置應(yīng)選擇在便于維護(hù)、煤層氣相對富集區(qū)或采動(dòng)裂隙內(nèi)，一般應(yīng)避開垮落帶，布置在裂縫帶中下部；底板抽采工程的位置應(yīng)布置在底板相對完整帶中，一方面應(yīng)避開底板采動(dòng)破壞帶的影響，另一方面不應(yīng)距離煤層過遠(yuǎn)而增加工程成本，底板抽采巷或底板穿層鉆場應(yīng)布置在底板25～35m位置；煤層順層鉆孔主要布置在本煤層中，間距一般3～5m，主要考慮煤層開采超前壓力影響范圍，一般超前采煤工作面30～50m關(guān)閉影響區(qū)內(nèi)的順層鉆孔。

2保護(hù)層開采圍巖變化特征

2.1示范工作面概況

潘一東礦采用遠(yuǎn)距離下保護(hù)層卸壓開采煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)模式進(jìn)行資源開發(fā)，通過下層煤(11-2)的開采解放上層煤(13-1)。1252(1)工作面是該礦保護(hù)層首采面，走向長1150m，斜長260m，工作面埋深800～870m，平均采厚3.0m，煤層傾角約5°，綜合機(jī)械化開采，全部垮落法管理頂板；瓦斯壓力4.59MPa，瓦斯含量11.62m3/t，煤的堅(jiān)固性系數(shù)f=0.46，煤層透氣性系數(shù)為0.037mD；工作面采用沿空留巷Y型通風(fēng)方式，工作面巷道布置圖如圖3所示。

圖3　1252(1)工作面巷道布置

2.2圍巖應(yīng)力變化特征

運(yùn)用FLAC軟件模擬保護(hù)層開采，模擬設(shè)計(jì)11-2煤層與13-1煤層間距67m，工作面斜長260m，沿走向開采距離為455m，煤層開采厚度3m，模型如圖4所示。

圖4　計(jì)算模型傾向剖面

11-2煤層自開切眼不斷推進(jìn)，隨著煤層頂板巖層的移動(dòng)、失穩(wěn)、垮斷，垂直方向最大主應(yīng)力與剪應(yīng)力開始下降，圍巖卸壓范圍并伴隨保護(hù)層開采面積的增加而增大，并在煤壁形成支承壓力影響區(qū)。當(dāng)工作面推進(jìn)距離與工作面長度相近時(shí)，一般認(rèn)為覆巖移動(dòng)變形發(fā)育得較充分，如圖5所示，下保護(hù)層11-2煤的開采使煤層頂?shù)装逍秹好黠@，垂向影響范圍超過了被保護(hù)層13-1煤層頂板。

圖5　工作面推進(jìn)280m圍巖應(yīng)力場

由煤層垂直應(yīng)力變化曲線(圖6)可知，隨著保護(hù)層工作面的開采，11-2煤層在煤壁50～80m范圍內(nèi)出現(xiàn)了應(yīng)力增大區(qū)，1252(1)工作面傾斜長度內(nèi)由煤壁向采空區(qū)中央出現(xiàn)急劇卸壓現(xiàn)象；同時(shí)，13-1煤層在傾斜方向出現(xiàn)了150～180m不同程度地卸壓，其中集中卸壓區(qū)80m左右，單側(cè)過渡卸壓50m左右，其他區(qū)域?yàn)樵瓗r應(yīng)力區(qū)。通過卸壓應(yīng)力監(jiān)測，13-1煤層垂直壓力在1.9～20.7MPa之間，較計(jì)算的地層原始壓應(yīng)力25～27MPa有明顯降低，13-1煤層卸壓盆地如圖7所示。由此可見，保護(hù)層開采卸壓作用明顯且具有一定的規(guī)律性。

圖6　保護(hù)層開采煤層應(yīng)力變化曲線

圖7　保護(hù)層開采13-1煤層卸壓應(yīng)力盆地

2.3采動(dòng)裂隙分布范圍

2.3.1煤層頂板“兩帶”高度

煤層開采后，煤層及其圍巖產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞，頂板巖層自下而上出現(xiàn)垮落帶、裂縫帶和彎曲下沉帶，將垮落帶和裂縫帶稱為導(dǎo)水裂縫帶，也稱“兩帶”。“兩帶”范圍內(nèi)的巖體滲透性大大增強(qiáng)，是采動(dòng)區(qū)煤層氣主要富集區(qū)域，準(zhǔn)確預(yù)計(jì)垮落帶和裂縫帶發(fā)育高度，針對性地布置頂板煤層氣抽采工程，有利于提高煤層氣抽采量、濃度及抽采效率[12-14]。

11-2煤層頂板巖石力學(xué)性質(zhì)測試結(jié)果表明，單軸抗壓強(qiáng)度一般為20.60～38.37MPa，覆巖為中硬類型。筆者對潘謝礦區(qū)18個(gè)中硬覆巖類型實(shí)測鉆孔的“兩帶”實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分式函數(shù)回歸[3,8]，采用回歸公式對潘一東礦1252(1)工作面垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶高度進(jìn)行計(jì)算。

(1)

(2)

將采厚(式中M)3m代入公式(1)、(2)中，計(jì)算得出垮落帶發(fā)育高度為12.04～17.80m；導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為41.15～64.85m。

長期實(shí)踐和研究認(rèn)為，煤層氣頂板抽采工程宜布置在垮落帶之上導(dǎo)水裂縫帶中下部為宜。以1252(1)工作面軌道巷高位鉆場頂板走向鉆孔為例，設(shè)計(jì)要求鉆孔終孔垂距為工作面采高的4～6倍，抽采層位在垮落帶之上裂縫帶中下部，既實(shí)現(xiàn)了高效率地抽采煤層氣又便于鉆場和鉆孔的維護(hù)。

2.3.2底板采動(dòng)破壞帶深度

煤層在正?；夭蛇^程中，底板巖體經(jīng)歷了壓縮-卸壓膨脹-重新壓實(shí)3個(gè)階段。底板巖體在壓縮區(qū)與膨脹區(qū)的交界處易產(chǎn)生剪切破壞形成底板采動(dòng)破壞帶?？紤]到采深、傾角和工作面斜長等因素，利用公式(3)進(jìn)行底板采動(dòng)破壞帶深度的計(jì)算，計(jì)算得出1252(1)工作面底板破壞深度為31.33m。

h1=0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579

(3)

式中，H為開采深度，m；α為煤層傾角，(°)；L為工作面斜長，m。

由于1252(1)工作面為深部開采區(qū)，埋深和工作面斜長均較大，底板采動(dòng)破壞深度值相對較大。底抽巷與底板穿層鉆孔鉆場的布設(shè)應(yīng)避開底板采動(dòng)破壞帶，考慮到工程施工等經(jīng)濟(jì)因素，底板抽采工程應(yīng)布置在煤層底板垂深30～35m層位比較合理。

3保護(hù)層卸壓井上下立體化煤層氣抽采

1252(1)工作面采用頂?shù)装?、井上下?lián)合抽采形式，采用沿空留巷Y型通風(fēng)技術(shù)，保障煤層氣開發(fā)以及煤炭的安全回采。工作面回采前采用底板穿層鉆孔對掘進(jìn)工作面進(jìn)行預(yù)抽、順層鉆孔對本煤層預(yù)抽消突；回采期間采用地面鉆井、1252(3)底板巷穿層鉆孔抽采13-1煤層卸壓煤層氣；沿空留巷充填墻埋壓兩路抽采管路，采取遠(yuǎn)、近結(jié)合的方式抽采采空區(qū)煤層氣。通過在生產(chǎn)區(qū)和采空區(qū)的立體化抽采，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)層工作面煤炭和煤層氣的安全、有序開發(fā)。

4模式應(yīng)用效果評價(jià)

4.1卸壓范圍檢測

潘一東礦對1152(1)保護(hù)層工作面的卸壓效果進(jìn)行了鉆孔檢測，以傾斜方向卸壓范圍檢測為例說明11-2煤層開采對13-1煤層的卸壓影響范圍[15]。如圖8所示，分別在1242(3)底抽巷和西翼矸石膠帶機(jī)大巷施工8個(gè)檢測孔，確定1252(1)工作面軌道巷和運(yùn)輸巷卸壓角分別為77°和82°。

圖8　卸壓范圍檢測鉆孔布置示意

軌道巷B2、運(yùn)輸巷C3測壓孔壓力隨1252(1)采面推進(jìn)的變化曲線(圖9)反映了保護(hù)層卸壓對13-1煤層的卸壓影響。B2孔煤層氣壓力自工作面推進(jìn)260m位置的0.5MPa急劇增加到330m的1.9MPa，之后又逐漸減少并穩(wěn)定到0.55MPa，該變化趨勢反映了B2鉆孔先受到保護(hù)層開采的集中應(yīng)力影響，隨后受煤巖體受力及結(jié)構(gòu)的變化出現(xiàn)明顯的卸壓現(xiàn)象，表明B2測壓孔在保護(hù)層影響范圍內(nèi)；C3孔煤層氣壓力自工作面開采后孔壓持續(xù)上升，受采動(dòng)應(yīng)力的持續(xù)疊加，煤層氣壓力不斷上升，由最初的1.1MPa快速增大至3.5MPa，最終維持在1.1MPa這一原始壓力值，表明C3測壓孔區(qū)域不在保護(hù)層卸壓影響范圍內(nèi)。

圖9　卸壓范圍檢測典型鉆孔煤層氣壓力變化曲線

4.2協(xié)調(diào)開發(fā)效果評價(jià)

通過應(yīng)用采動(dòng)區(qū)“遠(yuǎn)距離下保護(hù)層卸壓開采井上下立體抽采煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)模式”，1252(1)工作面開采面積達(dá)2.986×105m2，安全采出煤炭1.08Mt，工作面生產(chǎn)期間共開發(fā)煤層氣3.77972×105m3，工作面煤層瓦斯抽采率達(dá)91%。

如表1所示，被保護(hù)層13-1煤層通過長距離下保護(hù)層的開采，煤巖體滲透性增大226.76倍；煤層氣壓力和含量分別降至0.5MPa和3.65m3/t，低于《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中0.74MPa和8m3/t的抽采標(biāo)準(zhǔn)；卸壓影響范圍內(nèi)煤層瓦斯抽采率達(dá)76.48%，實(shí)現(xiàn)了被保護(hù)層煤層瓦斯的預(yù)抽達(dá)標(biāo)。

表1　保護(hù)層卸壓開采13-1煤層卸壓預(yù)抽效果測試

5結(jié)論

(1)提出了針對松軟低滲遠(yuǎn)距離突出煤層群開采的“遠(yuǎn)距離下保護(hù)層卸壓開采煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)模式”及實(shí)施流程。

(2)提出以地表巖層移動(dòng)規(guī)律、覆巖破壞規(guī)律和底板采動(dòng)破壞規(guī)律為基礎(chǔ)指導(dǎo)煤層氣井上下抽采工程的布設(shè)原則。

(3)保護(hù)層開采不僅使本煤層及圍巖出現(xiàn)了明顯的卸壓現(xiàn)象，而且使被保護(hù)層出現(xiàn)了集中卸壓區(qū)和過渡卸壓區(qū)，被保護(hù)層卸壓范圍和程度均小于保護(hù)層。

(4)1252(1)工作面煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)的實(shí)踐表明，礦井通過井上下立體抽采實(shí)現(xiàn)了安全、有序、高效開發(fā)煤礦區(qū)煤與煤層氣兩種資源。

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[責(zé)任編輯：李青]

Harmonic Development Model of Coal and Coal-bed Metane on Ground and Underground under Large Distance Protective Layer Depressurized Mining

FAN Zhen-li1，2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；2.Mining Research Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)

Abstract：In order to solving the mining problem of soft，large distance and low permeability coal seams，the harmonic development model of coal and coal-bed metane on ground and underground with protective layer depressurized mining and project lay out principle of coal-bed metane extracted were put forward.According project practical of 1252(1) working face in Panyidong coal mine，stresses change law and unloading scope of depressurize mining in 11-2 coal protective layer were studied by numerical simulation and filed practical，then coal bed metane extraction effect was evaluated.The practical showed that process connection and safety and high efficient development problems of coal and coal bed metane were solved successfully.

Key words：protective layer depressurized mining，coal bed metane extraction；harmonic development

[收稿日期]2015-11-23[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.004

[基金項(xiàng)目]國家科技重大專項(xiàng)大型油氣田開發(fā)項(xiàng)目(2011ZX05064，2016ZX05045007-003)；中國煤炭科工集團(tuán)科技創(chuàng)新基金資助(2014QN005)

[作者簡介]樊振麗(1983-)，男，河南新密人，博士，從事“三下一上”采煤、煤礦水害防治和瓦斯地質(zhì)研究工作。

[中圖分類號]TD989

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1006-6225(2016)03-0015-05

[引用格式]樊振麗.遠(yuǎn)距離下保護(hù)層卸壓開采井上下立體煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)模式[J].煤礦開采，2016，21(3)：15-19.