高瓦斯礦井近距離煤層煤與瓦斯共采技術(shù)實(shí)踐

劉君（山西焦煤集團(tuán)公司，太原 030024）

高瓦斯礦井近距離煤層煤與瓦斯共采技術(shù)實(shí)踐

劉君
（山西焦煤集團(tuán)公司，太原 030024）

通過分析賀西煤礦高瓦斯礦井近距離煤層間巖層和瓦斯在煤與瓦斯共采過程中的移動(dòng)規(guī)律，研究采空區(qū)及上覆巖層、高濃度瓦斯環(huán)形裂隙圈參數(shù)，以及近距離煤層間煤與瓦斯共采前后的煤層瓦斯分布規(guī)律，從而掌握瓦斯賦存狀態(tài)，制定瓦斯綜合抽采方案，檢驗(yàn)瓦斯治理效果，確保礦井安全生產(chǎn)。

煤與瓦斯共采技術(shù)；裂隙圈；瓦斯參數(shù)測(cè)定

1　煤與瓦斯共采的意義

瓦斯是礦井的頭號(hào)殺手，開采保護(hù)層、煤與瓦斯共采是高瓦斯礦井煤層群區(qū)域瓦斯治理的最有效手段，是將采煤與采氣相結(jié)合的資源開發(fā)形式。其作用：一是鄰近煤層的開采有利于煤層卸壓，頂?shù)装鍘r層裂隙增大，加速煤層瓦斯的解吸與流動(dòng)，同時(shí)工作面回采所必須的采掘、通風(fēng)系統(tǒng)為瓦斯抽采提供了操作空間；二是高效的瓦斯抽采降低了區(qū)域內(nèi)瓦斯?jié)舛群兔簩油咚购浚軌蛴行Ы档屯咚贡ê兔号c瓦斯突出危險(xiǎn)；三是高效的瓦斯抽采有利于高濃瓦斯收集，便于瓦斯利用，是礦井綠色發(fā)展的必然要求。因此，研究近距離煤層的采空區(qū)及上覆巖層、高濃度瓦斯環(huán)形裂隙圈參數(shù)，分析近距離煤層間煤與瓦斯共采前后的煤層瓦斯分布規(guī)律，對(duì)制定瓦斯綜合抽采方案、掌握瓦斯賦存狀態(tài)、檢驗(yàn)瓦斯治理效果，確保礦井安全生產(chǎn)具有重要意義[1]。

2　礦井瓦斯賦存情況

山西焦煤賀西礦主采近距離的3號(hào)、4號(hào)煤層（均位于山西組，平均間距11.99 m），其瓦斯賦存特點(diǎn)：一是煤層透氣性系數(shù)小，抽采困難；二是4號(hào)煤層回采周期來壓時(shí)來自上鄰近層3號(hào)煤層的瓦斯大量涌到工作面；三是4號(hào)煤層未卸壓區(qū)的煤巷掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛染痈卟幌?，掘進(jìn)困難。該區(qū)域相鄰礦井4號(hào)煤層為突出煤層，賀西礦4號(hào)煤層在采掘過程必須采取“四位一體”綜合防突措施。

3　上覆煤層開采后的煤層頂板裂隙研究

推演賀西礦在3號(hào)煤層開采時(shí)對(duì)下覆4號(hào)煤層頂板裂隙和煤層增透率的分布和演化，可通過增透率的變化反映開采擾動(dòng)對(duì)煤巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)滲透性的影響，為鄰近煤層煤與瓦斯共采中的煤層增透效果評(píng)價(jià)提供定量指標(biāo)和科學(xué)方法[2]。

壁式開采中，頂板隨工作面的推進(jìn)經(jīng)歷卸壓下沉-破斷-垮落的循環(huán)過程。在頂板變形、垮塌過程中，采空區(qū)及上覆巖層中的瓦斯經(jīng)歷解吸擴(kuò)散-滲透-聚積的過程，最終在采空區(qū)形成瓦斯相對(duì)集中、瓦斯?jié)舛容^高和容易流動(dòng)的區(qū)域。在相鄰工作面區(qū)段巷道或?qū)Ｓ没仫L(fēng)巷中施工傾斜高抽鉆孔抽放采空區(qū)裂隙帶瓦斯是一種簡(jiǎn)單易行的方法；研究?jī)A斜高抽鉆孔對(duì)提高抽放效果，減少鉆孔施工具有重要意義；研究采空區(qū)上覆巖層移動(dòng)規(guī)律和采空區(qū)上方瓦斯?jié)B流機(jī)理對(duì)采空區(qū)瓦斯涌出的治理，鄰近層瓦斯抽放等也具有重要意義。

針對(duì)賀西礦的實(shí)際情況，主要研究上覆巖層和瓦斯移動(dòng)規(guī)律、采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、共采前后煤層瓦斯賦存規(guī)律，本煤層和環(huán)形裂隙圈瓦斯抽采設(shè)計(jì)方法等，為煤與瓦斯共采提供安全技術(shù)保障。

4　采空區(qū)上覆巖層移動(dòng)與瓦斯?jié)B流規(guī)律

4.1采空區(qū)及上覆巖層環(huán)形裂隙圈

根據(jù)采空區(qū)上覆巖層變形破壞程度、受力狀態(tài)和裂隙尺度的不同，上覆巖層在豎向分冒落、裂隙、彎曲下沉“三帶”；采空區(qū)底板巖層根據(jù)膨脹變形程度分為底板變形破壞和彈塑性變形“兩帶”。冒落帶內(nèi)（采空區(qū)內(nèi)）巖塊之間孔隙多，連通性強(qiáng)，特別是靠近工作面的松散區(qū)是工作面漏風(fēng)和裂隙帶瓦斯向工作面涌出的主要通道。工作面漏風(fēng)攜帶大量瓦斯涌向上隅角是上隅角瓦斯?jié)舛冉?jīng)常超限的主要原因之一[3-4]。圖1為采空區(qū)及上覆巖層環(huán)形裂隙圈示意圖。

裂隙帶內(nèi)老頂巖層裂隙在經(jīng)歷了發(fā)育、充分發(fā)育、壓實(shí)的過程后，具有溝通采空區(qū)冒落帶和變形帶裂隙通道的作用。其中離層區(qū)是裂隙最發(fā)育的區(qū)域，主要有垂直或斜交于巖層的新生長裂隙和沿層面的離層裂隙兩種。新生長裂隙垂直或斜交于巖層，是因巖層向下彎曲受拉產(chǎn)生斷裂，它部分或全部穿過巖層，但巖層基本能保持層狀連續(xù)性；沿層面的離層裂隙主要是由于巖層間力學(xué)性質(zhì)差異大，巖層向下彎曲所致。由于巖層變形產(chǎn)生的裂隙導(dǎo)致的巖層透氣性增加，為瓦斯涌出創(chuàng)造新的通道，所以裂隙帶離層區(qū)的中下部是布置鄰層瓦斯抽放鉆孔和高抽巷，截?cái)嗤咚瓜蚬ぷ髅嬗砍龅睦硐胛恢谩?/p>

圖1　采空區(qū)及上覆巖層環(huán)形裂隙圈示意圖

4.2高濃度大裂隙環(huán)形裂隙圈

隨著工作面不斷向前推進(jìn)，采空區(qū)中部的冒落帶和裂隙帶離層裂隙會(huì)被上覆巖層的移動(dòng)再次壓實(shí)，而在采空區(qū)周圍形成一個(gè)富集高濃度瓦斯的環(huán)形裂隙圈，如圖1-b陰影區(qū)。此時(shí)，上覆巖層內(nèi)的孔隙和裂隙經(jīng)歷了由最小到最大，然后再到較小的過程；縱向“三區(qū)”不斷向前運(yùn)移，重新壓實(shí)區(qū)寬度不斷增大，而離層區(qū)的寬度在循環(huán)來壓后像周期來壓步距一樣基本不變，并且與周期來壓步距有關(guān)。在冒落帶高度處，冒落線與卸壓線之間平行煤層頂板線段與周期來壓步距之和為裂隙帶離層區(qū)的下部寬度；而在裂隙帶高度處，冒落線與卸壓線之間平行煤層頂板的線段與周期來壓步距之和為裂隙帶離層區(qū)的上部寬度。近水平煤層縱、橫向離層區(qū)寬度可看作近似相同。根據(jù)上述分析，結(jié)合圖1，各帶離層區(qū)范圍推導(dǎo)出以下公式：

式中：a為冒落帶最大高度，m；b為裂隙帶最大高度，m；l1、c1分別為縱向或橫向冒落帶最大高度處，離層區(qū)下部?jī)A斜距離和離層區(qū)下部寬度（離層區(qū)下部?jī)A斜距離是冒落高度線與卸壓線交點(diǎn)與過煤壁頂端并垂直煤層傾向斜面直線的距離，離層區(qū)下部寬度是從近工作面煤壁點(diǎn)到遠(yuǎn)工作面煤壁點(diǎn)平行煤層傾斜面的寬度），m；l2、c2分別為縱向或橫向裂隙帶最大高度處，離層區(qū)上部?jī)A斜距離和層區(qū)上部寬度，m；β為冒落角，°；γ為卸壓角，°；l為周期來壓步距，m。

傾斜距離乘以煤層傾角的余弦值即裂隙圈距工作面煤壁的水平距離。水平煤層二者近似相等。

4.3賀西煤礦環(huán)形裂隙圈位置參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和分析，賀西礦3號(hào)煤平均厚1.98 m，傾角4°，冒落線傾角67°，卸壓角79°，周期來壓步距15 m；4號(hào)煤平均厚1.55 m，傾角4°，冒落線傾角67°，卸壓角79°，周期來壓步距16.2 m；由式（1）-（4）計(jì)算得到的3號(hào)煤層上覆巖層中環(huán)形裂隙圈位置參數(shù)，如表1所示，其中冒落帶高度和裂隙帶高度取各公式計(jì)算的平均值。

表1　3號(hào)、4號(hào)煤層環(huán)形裂隙圈位置參數(shù)

由表中參數(shù)可見：4號(hào)煤層裂隙帶高度大于3號(hào)和4號(hào)煤層間距和4號(hào)煤層厚度之和，所以3號(hào)煤層開采后，4號(hào)煤層將完全在卸壓保護(hù)范圍內(nèi)，其瓦斯壓力、透氣性系數(shù)都將明顯增大，4號(hào)煤層本煤層抽放和鄰近層裂隙帶抽放效果將提高，且4號(hào)煤層裂隙帶抽放和采空區(qū)抽放功能合二為一。

5　近距離煤層煤與瓦斯共采方案

根據(jù)賀西礦瓦斯賦存狀況、回采工藝、采掘設(shè)備、瓦斯移動(dòng)規(guī)律等，賀西礦開采4號(hào)煤層時(shí)采用本煤層區(qū)域或回采工作面本煤層順層鉆孔預(yù)抽、掘進(jìn)工作面超前鉆孔預(yù)抽、傾斜高抽鉆孔或高抽巷鄰近層抽放裂隙帶瓦斯、采空區(qū)埋管抽放等多種抽采工藝的綜合瓦斯抽采方案。采用千米長距離定向鉆機(jī)在采區(qū)巷道、工作面順槽、專用鉆場(chǎng)等沿本煤層施工預(yù)抽鉆孔，預(yù)抽時(shí)間保證6個(gè)月以上。

工作面采掘作業(yè)期間，在材料巷或運(yùn)輸巷中施工順層平行工作面鉆孔或兩側(cè)施工斜交工作面鉆孔進(jìn)行本煤層抽放。圖2為工作面平行鉆孔預(yù)抽布置示意圖，圖3為工作面斜交鉆孔預(yù)抽布置示意圖鉆孔長度根據(jù)鉆孔位置和工作面長度控制在80 m～200 m，同時(shí)保證抽放范圍控制整個(gè)煤體，不留死角。單側(cè)鉆孔時(shí)，孔底靠近巷壁卸壓裂隙帶內(nèi)和應(yīng)力集中帶以間，以免孔底進(jìn)入煤壁卸壓裂隙帶漏氣影響抽放效果，封孔長度大于裂隙帶寬度，間距根據(jù)有效抽放半徑和抽放時(shí)間確定。雙側(cè)鉆孔時(shí)孔底交叉，保證不留死角。

圖2　工作面平行鉆孔預(yù)抽布置示意圖

圖3　工作面斜交鉆孔預(yù)抽布置示意圖

6　結(jié)論

1）由于3號(hào)和4號(hào)煤層平均間距僅12 m，平均傾角4°，屬近距離、近水平煤層，當(dāng)3號(hào)煤層回采后，開采4號(hào)煤層時(shí)，隨著工作面推進(jìn)，最終在4號(hào)煤采空區(qū)上覆巖層中形成了裂隙較大、瓦斯相對(duì)集中、瓦斯?jié)舛容^高和容易流動(dòng)的環(huán)形裂隙圈。測(cè)得3號(hào)煤層開采后的冒帶高度5.13 m，冒落角44.7°。因4號(hào)煤層及頂板巖層處于20 m的有效的卸壓范圍內(nèi)，故為4號(hào)煤層開采時(shí)傾斜高抽鉆孔和頂板高抽巷的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

2）根據(jù)上覆巖層和瓦斯移動(dòng)規(guī)律、裂隙圈分布規(guī)律、本煤層瓦斯抽放鉆孔涌出規(guī)律，確定了近距離煤層煤與瓦斯共采綜合技術(shù)方案，并提出了傾斜高抽鉆孔和本煤層抽放鉆孔工藝參數(shù)設(shè)計(jì)方法。

3）開采3號(hào)煤層超前時(shí)間一般不應(yīng)超過6個(gè)月。若超前開采時(shí)間較長時(shí)，上部采空區(qū)形成再生頂板，瓦斯得到重新富集平衡，則抽采鉆孔衰減系數(shù)較小，涌出初速度和極限涌出量將增大，4號(hào)煤層回采過程中瓦斯涌出量反而增加。

4）通過測(cè)定各生產(chǎn)區(qū)域3號(hào)煤層和4號(hào)煤層鉆孔涌出衰減系數(shù)，透氣性系數(shù)，百米鉆孔極限抽采量，所測(cè)結(jié)果表明未卸壓煤層都屬于難以抽采煤層；卸壓煤層屬于可以抽采煤層。

5）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)定了賀西礦3號(hào)和4號(hào)煤層殘存瓦斯含量和壓力，評(píng)價(jià)了回采工藝對(duì)瓦斯賦存規(guī)律和瓦斯抽采效果的影響；測(cè)定了煤層瓦斯吸附性能，為間接計(jì)算瓦斯壓力或含量提供了基礎(chǔ)參數(shù)。通過研究鉆屑解吸指標(biāo)K1與瓦斯壓力的關(guān)系，可計(jì)算出不同鉆孔深度處煤層瓦斯壓力，從而對(duì)采掘工程對(duì)煤層瓦斯分布規(guī)律的影響、煤層瓦斯抽放效果和煤層瓦斯的危險(xiǎn)程度做出快速合理地評(píng)價(jià)。

[1]錢鳴高，許家林，繆協(xié)興.煤礦綠色開采技術(shù)[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，32（4）:347-348.

[2]杜計(jì)平，孟憲銳.采礦學(xué)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2009.

[3]周世寧，林柏泉.煤層瓦斯賦存與流動(dòng)理論[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1998.

[4]袁亮，郭華，沈?qū)毺茫?低透氣性煤層群煤與瓦斯共采中的高位環(huán)形裂隙體[J].煤炭學(xué)報(bào)，2011，36（3）：357-365.

（編輯：樊敏）

Application of Coal Mining and Gas Extraction in Close-distance Coal Seams in High Gassy Mine

LIU Jun
(Shanxi Coking Coal Group,Taiyuan 030024,China)

Based on the displacement law of strata and gas in the process of coal mining and gas extraction in high gassy mine,the paper studies the fissured circle of high concentration gas in goaf and overlying strata.The gas distribution laws before and after the coal mining and gas extraction are also analyzed to obtain gas occurrence,make a comprehensive extraction plan for gas,check gas control effects, and guarantee the safe production in mines.

coal mining and gas extraction technique;fissured circle;determination of gas parameter

TD823

A

1672-5050（2016）02-0061-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.02.019

2015-12-15

劉君（1981-），男，山西太原人，工程碩士，工程師，從事煤炭采掘技術(shù)研究與安全生產(chǎn)工作。