關(guān)于急傾斜近距離薄煤層群卸壓瓦斯立體抽采技術(shù)的研究

尚勇 王雄

（重慶中梁山煤電氣有限公司礦業(yè)分公司 重慶 400052）

關(guān)于急傾斜近距離薄煤層群卸壓瓦斯立體抽采技術(shù)的研究

尚勇 王雄

（重慶中梁山煤電氣有限公司礦業(yè)分公司 重慶 400052）

為了在急傾斜近距離薄煤層群的保護(hù)層開采中，確保卸壓瓦斯抽采的高效性，本文將以某急傾斜近距離薄煤層群的卸壓瓦斯立體抽采技術(shù)的應(yīng)用為例，進(jìn)行了具體的分析。

急傾斜近距離；薄煤層群；卸壓瓦斯；立體抽采；技術(shù)

引言

就目前而言，我國的急傾斜近距離薄煤層群開采過程中，存在著單一平面防突措施不足的問題，導(dǎo)致煤層的開采不能取得預(yù)期的經(jīng)濟(jì)及安全效益。本文將以某煤層為例，采用卸壓瓦斯立體抽采技術(shù)，制訂切合實(shí)際的抽采方案，實(shí)施合理的抽采技術(shù)。

1 礦區(qū)概況及煤層瓦斯賦存情況

1.1 礦區(qū)概況

該礦區(qū)為急傾斜近距離的薄煤層群，構(gòu)造背斜，其總體走向是北東→南西向，東、西兩翼極為陡峻甚至直立，最終形成十分典型的平頂陡邊對稱“覆舟”型的構(gòu)造。將礦井分為南礦、北礦兩個分別開采，所開采的煤層屬于急傾斜近距離、嚴(yán)重突出、構(gòu)造復(fù)雜且容易自燃的薄煤層群。采用的礦井開拓方式是綜合開拓，即平硐+立井+暗斜井，采煤的工作面布置為走向長壁、走向短壁，選擇偽俯斜短壁、柔性掩護(hù)支架的采煤法。

1.2 瓦斯的賦存情況

本礦區(qū)瓦斯賦存情況豐富，目前瓦斯儲量大約有25.79億m3。其中，可采的儲量約有22.2億m3。煤層的瓦斯含量在15.41～19.30m3/t之間，瓦斯的壓力大約為5.7MPa，同時有隨埋深增加而增大的趨勢。

2 保護(hù)層開采的卸壓瓦斯運(yùn)移規(guī)律

開始采掘前，在煤層的底板抽采巷中選擇立體網(wǎng)格式穿層鉆孔，以全覆蓋的抽采采掘的區(qū)域，對K2保護(hù)層進(jìn)行開采后，采取殘抽方式將終孔至K1煤層鉆孔抽采泄壓，以保證礦井瓦斯得以綜合治理，以免發(fā)生事故。

2.1 時間分布規(guī)律

一般來說，K1以及K3-K10的煤層卸壓瓦斯運(yùn)移分為三個階段：①滲流階段。在對保護(hù)層K2工作面進(jìn)行開采的初期，瓦斯的主要來源是本煤層原有的游離瓦斯，滲透至裂隙；②擴(kuò)散階段。當(dāng)游離瓦斯發(fā)生滲流以后，K2煤層和被保護(hù)層K1以及K3-K10煤層間存在的瓦斯具有濃度差，導(dǎo)致K1以及K3-K10煤層的瓦斯向原先K2煤層采動的裂隙之間擴(kuò)散；③吸附瓦斯的解吸階段。煤體中游離瓦斯朝外滲透并擴(kuò)散之后，煤體的內(nèi)外形成了瓦斯?jié)舛炔?，?dǎo)致吸附瓦斯從微孔中解吸出來。解吸出的瓦斯向外擴(kuò)散、滲流并反復(fù)循環(huán)，最終形成了卸壓瓦斯流動“滲流→擴(kuò)散→解吸”的循環(huán)過程。

2.2 空間分布規(guī)律

對K2保護(hù)層進(jìn)行開采之后，其頂、底板會產(chǎn)生開裂、變形和位移，導(dǎo)致周圍的巖體和鄰近煤層也隨之開裂、變形和位移。K1煤層處于保護(hù)層K2開采之后的上覆巖體裂隙帶中，而K3-K5則處在下伏巖體底鼓裂隙帶中，提供了瓦斯運(yùn)移的動力。由于受到采動影響，K2煤層的頂板方向構(gòu)成一垮落圈，基于地應(yīng)力作用，K2工作面采空區(qū)與頂板垮落圈會遭受頂板巖體與K1煤層向下作用力，導(dǎo)致擠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)，底板巖體與K3煤層出現(xiàn)底鼓與垮落問題，采空區(qū)與垮落圈逐漸填實(shí)，而K1與K3煤層出現(xiàn)位移、變形、開裂等現(xiàn)象，產(chǎn)生了一個卸壓圈，K2工作面不斷推進(jìn)的過程中，反復(fù)出現(xiàn)”垮落-壓實(shí)-開裂-變形”的現(xiàn)象，同時由于壓力差、濃度差作用，會導(dǎo)致瓦斯朝著工作面與鉆孔內(nèi)運(yùn)動，形成卸壓瓦斯空間運(yùn)移規(guī)律（圖 1）。

圖1 保護(hù)層K2煤層開采時鄰近層卸壓瓦斯的運(yùn)移示意圖

有上述分析可知，K1、K3-K10煤層內(nèi)卸壓瓦斯運(yùn)移和采動裂隙帶具有一定的時、空規(guī)律，若是瓦斯涌入保護(hù)層工作面后，沒有對其進(jìn)行及時、合理的4處理，則直接會導(dǎo)致開采工作受影響，效率、安全性均會大大降低。基于此，必須采取有效的處理措施，消除進(jìn)入保護(hù)層工作面的瓦斯。

3 卸壓瓦斯立體抽采技術(shù)

3.1 立體抽采技術(shù)原理

在該礦區(qū)煤層群開采中，為了能夠全面消除瓦斯的突出危險，有效減少瓦斯涌出量，將無突出危險K2煤層當(dāng)作保護(hù)層開展開采作業(yè)，通過一段時期順層鉆孔抽采后，K2煤層瓦斯壓力與含量下降，煤層彈性減小，而煤體應(yīng)力也下降，使得煤體強(qiáng)度與透氣性都得以增強(qiáng)，瓦斯抽采順利進(jìn)行。開采了保護(hù)層K2后，導(dǎo)致保護(hù)層K1、K3-K10煤層群出現(xiàn)整體的變形、位移以及卸壓現(xiàn)象，相應(yīng)的被保護(hù)范圍的地應(yīng)力下降，透氣性增強(qiáng)，而卸壓瓦斯遵循“解吸—擴(kuò)散—滲流”的方式流動，并同時在卸壓煤層實(shí)施瓦斯抽采，令煤層瓦斯的壓力與含量同時降低，相應(yīng)的突出煤層的地應(yīng)力也會降低，煤層出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，鉆孔內(nèi)的瓦斯流量增多，涌往K2煤層涌的瓦斯量大大減少，同時抽采本煤層與鄰近層中涌入采空區(qū)的瓦斯，確保整個的煤層群實(shí)現(xiàn)安全開采，令煤礦開采經(jīng)濟(jì)、社會效益得以有效保障。如圖2所示即為立體抽采技術(shù)原理示意圖。

3.2 立體抽采技術(shù)應(yīng)用

（1）底板穿層鉆孔抽采

①礦井的抽采巷與鉆場的布置。將抽采巷布設(shè)于茅口灰?guī)r內(nèi)，與茅口邊界的距離處于20～30m范圍內(nèi)，比同水平的回采工作面的運(yùn)輸巷應(yīng)低5.0m（不得超過此數(shù)值）。鉆場的底部要高于抽采巷底部0.3m，鉆場寬、深、高分別為4m、3m、2.6m，而鉆場磧頭要高于外緣0.3m。若是抽采巷需兼作運(yùn)輸巷，則必須每隔20m就要設(shè)置一個正規(guī)的鉆場（例如：+50mSE、NE區(qū)）；若是抽采巷不兼作運(yùn)輸巷，則每隔40/20m，設(shè)置一個正規(guī)的鉆場。若是采取每隔40m布置一個鉆場的方式，則需在中間設(shè)置鉆位，具體見圖 3（a）。

圖2 立體抽采技術(shù)原理示意圖

②礦井區(qū)域鉆孔布置。采取鉆場區(qū)別控制的方式，也就是1個鉆場鉆孔全部終孔于K1煤層，抽K1-K10煤層瓦斯，而相鄰1個鉆場需終孔至K3、K7、K9煤層，抽K3-K10煤層瓦斯。鉆孔開孔之間相距需超過0.2m，而抽采半徑應(yīng)是7.5m，走向上的鉆孔終孔之間應(yīng)相距10m。當(dāng)終孔K1煤層鉆孔，第1排鉆孔的開孔位置應(yīng)定為抽采巷道底部上0.5m，傾角為0°，傾向上的控制高度是上階段終采之后沿著傾向上保護(hù)邊界，不得超過17.5m。終孔K3煤層鉆孔，則第1排的鉆孔開孔位置定為抽采巷底部上0.5m，傾角為0.5～3.0°，鉆孔傾向上的控制高度需與上階段終采線的距離保持在32.5m內(nèi)，所有的鉆孔都要避免和終孔K1煤層鉆孔相交匯。對于特殊的地點(diǎn)，例如：邊界、地質(zhì)構(gòu)造帶以及傾伏端需縮小抽采的半徑，鉆孔布置加密，具體如圖3所示。

圖3 底板穿層鉆孔布置圖

③底板穿層鉆孔抽采卸壓瓦斯的布置。終孔K3、K7、K9煤層進(jìn)行區(qū)域性網(wǎng)格式的預(yù)抽鉆孔，也就是兼做區(qū)域性網(wǎng)格式的預(yù)抽鉆孔與卸壓瓦斯抽采鉆孔。K2保護(hù)層開采過程中，對于鄰近煤層的卸壓瓦斯就利用此鉆孔開展抽采工作。

（2）本煤層回采工作面的順層鉆孔抽采

布置好保護(hù)層的工作面，在工作面的運(yùn)輸巷向上對本煤層開展順層鉆孔施工，鉆孔需保持平行布置。鉆孔終孔需相距5m，向上鉆孔長度為80m，鉆孔直徑75mm，共布置60個孔，共計(jì)4800m。保護(hù)層工作面進(jìn)行開采前，需提前抽采本煤層的瓦斯，時間需持續(xù)半年，以保證區(qū)域的驗(yàn)證達(dá)標(biāo)。同時，單孔抽采負(fù)壓需處于13～20kPa范圍內(nèi)，單孔抽采的瓦斯純量則保持在0.08～0.15m3/min范圍內(nèi)，瓦斯抽采的總流量需保持在4.8～9.0m3/min范圍內(nèi)。

保護(hù)層工作面進(jìn)行開采時，為了能夠及時抽采本煤層的超前卸壓瓦斯與采空區(qū)上方的瓦斯，一方面需沿著工作面的進(jìn)風(fēng)巷，每隔50m布置1個鉆場，且每1個鉆場內(nèi)需布設(shè)6個斜向下的鉆孔，其中，鉆孔的斜長保持在60～80m范圍內(nèi)，而鉆孔的直徑75mm，用于對本煤層的超前卸壓瓦斯開展抽采；另一方面，沿著工作面的進(jìn)風(fēng)巷，每隔50m在棚頂布設(shè)一個鉆場，鉆場斜內(nèi)需布設(shè)2～6個斜向上的鉆孔，以對采空區(qū)上方的卸壓瓦斯進(jìn)行抽采。此種抽采鉆孔方法，時間短，瓦斯的濃度變化十分大，起始濃度為45～60%，工作面越靠近鉆孔，則濃度衰減得越快。

（3）采空區(qū)尾巷的密閉抽采

該抽采指的是布置好保護(hù)層K2工作面后，沿著逆向開采方向，于開切眼處（即：工作面尾巷）建設(shè)1道密閉，在密閉位置敷設(shè)2～5根準(zhǔn)60mm的抽采管，將其與瓦斯尾巷內(nèi)敷設(shè)抽采支管接通，一同并入抽采主管，對工作面尾巷采空區(qū)高濃度瓦斯開展抽采作業(yè)。采空區(qū)抽采必須定期取其氣樣進(jìn)行化驗(yàn)分析，采取措施防治采空區(qū)自然發(fā)火。

（4）高位巷穿層鉆孔抽采

高位巷穿層鉆孔抽采瓦斯就是在全巖大巷或抽采巷道內(nèi)，通過施工抽采鉆孔至工作面頂、底板裂隙帶區(qū)域，并對該區(qū)域進(jìn)行有效抽采。保護(hù)層K2開采過后，頂板、底板形成裂隙空間，構(gòu)成瓦斯流動通道，瓦斯壓力與抽采負(fù)壓作用下，抽出該區(qū)域瓦斯。高位巷穿層鉆孔抽采具體可以分為兩種：①頂板高位巷穿層鉆孔抽采，其主要是通過本水平全巖大巷/抽采巷，向保護(hù)層工作面頂板與采空區(qū)施工向下的穿層鉆孔，抽采下水平保護(hù)層與鄰近層的卸壓瓦斯，適合礦區(qū)邊界傾伏端區(qū)保護(hù)層開采中的卸壓瓦斯抽采。②底板高位巷穿層鉆孔抽采，其主要是在K1煤層頂板方向的全巖大巷，向K2煤層的采空區(qū)布設(shè)抽采鉆孔，采取的是類似于預(yù)抽鉆孔的布置方式。底板高位巷穿層鉆孔抽采的采空區(qū)卸壓瓦斯布孔方式主要是利用上一水平或是階段的底板瓦斯巷與抽采鉆場，向下施工至K2煤層采空區(qū)與K3-K10原始煤層及巖體的扇形鉆孔，每1個鉆場布設(shè)6～8個鉆孔，鉆孔水平距離為15m，而傾斜間距為10m，鉆孔傾斜長度保持在80～100m范圍內(nèi)，鉆孔深度應(yīng)保持為穿透采空區(qū)0.5m，鉆孔直徑為75mm。

4 結(jié)束語

綜上所述，通過文章對急傾斜近距離薄煤層群的分析，了解卸壓瓦斯立體抽采技術(shù)的工作原理，借助實(shí)例分析其在急傾斜近距離薄煤層群中卸壓瓦斯抽采中的應(yīng)用，制定恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)方案，以保證獲得預(yù)期的經(jīng)濟(jì)及社會效益。

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TD712.6

A

1004-7344（2016）08-0174-02

2016-3-1