高瓦斯薄煤層采煤工作面底板鉆孔瓦斯抽采技術(shù)

皮希宇，李 鐵，王栓林

(1.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083；2.煤炭科學技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013)

高瓦斯薄煤層采煤工作面底板鉆孔瓦斯抽采技術(shù)

皮希宇1，2，3，李 鐵1，王栓林2，3

(1.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083；2.煤炭科學技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013)

分析得出高瓦斯薄煤層回采工作面瓦斯涌出以鄰近層為主。為解決工作面回采期間瓦斯異常涌出的問題，采用在4號煤層底板布置鉆孔對卸壓瓦斯進行抽采，并對底板鉆孔抽采參數(shù)設計進行了研究，結(jié)合底板鉆孔抽采效果分析，得出4號煤層底板裂縫帶高度、底板鉆孔最佳施工參數(shù)等數(shù)據(jù)。現(xiàn)場應用結(jié)果表明：通過向工作面底板裂縫帶內(nèi)施工參數(shù)設計合理的底板鉆孔，單孔抽采瓦斯純量在0.10～0.44m3/min之間，解決了工作面底板瓦斯超限的難題，保障了工作面安全回采。實踐證明，回采期間高瓦斯薄煤層采煤工作面卸壓瓦斯抽采是治理瓦斯的關鍵。

高瓦斯；底板鉆孔；抽采參數(shù)；抽采效果

山西某礦設計生產(chǎn)能力為1.2Mt/a，井田南北走向約4.5km，東西傾斜寬約3.1～4.6km。主要含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組及石炭系上統(tǒng)太原組，主要可采煤層5層，現(xiàn)首采4號煤層。礦井達產(chǎn)時，最大絕對瓦斯涌出量為75.13m3/min，回采工作面最大絕對瓦斯涌出量為27.97m3/min，為高瓦斯礦井。瓦斯抽采是降低煤層瓦斯含量、消除突出危險性、降低礦井風排瓦斯量的最直接手段[1]。在近距離煤層群首采工作面開采過程中，由于本煤層及鄰近層瓦斯涌向生產(chǎn)工作面，實測首采401工作面絕對瓦斯涌出量為20～25m3/min。雖然在401工作面采取了高位鉆孔、采空區(qū)埋管、本煤層預抽鉆孔等方法抽采本煤層及采空區(qū)瓦斯[2-3]，但實際仍然存在瓦斯頻繁超限，甚至發(fā)生底板瓦斯燃燒的事故，嚴重影響工作面生產(chǎn)及安全的情況。針對這種現(xiàn)狀，該礦在分析401工作面瓦斯來源的基礎上，采用下向穿層底板鉆孔抽采下鄰近層瓦斯的技術(shù)[4-5]，解決了401工作面瓦斯治理難題，并對瓦斯治理效果進行了分析研究，為優(yōu)化底板鉆孔抽采工藝提供現(xiàn)實依據(jù)及參考，形成適合高瓦斯薄煤層采煤工作面的底板鉆孔治理瓦斯技術(shù)。

1 工作面瓦斯涌出來源預測

該礦井田內(nèi)不可采煤層有01，02，03，1，2，3，4下，5中，5下，7，8，11，12號，均為不可采薄煤線，有部分在井田內(nèi)泯滅；可采煤層共5層，分別為4，5上，6，9，10號，現(xiàn)開采4號煤層，其鄰近層有1，2，3，5上，6號煤層，煤厚分別為0.73，0. 3，0.33，0.93，1.34m，距4號煤層的距離分別為17.72，11.05，4.35，15，41.59m 。

依據(jù)《礦井瓦斯涌出量預測方法(AQ1018—2006)》[6]規(guī)定的分源預測法對4號煤層回采期間的401工作面瓦斯涌出量情況進行預測：在礦井開采4號煤層時，回采工作面瓦斯涌出以鄰近層為主，約占55%，其中鄰近層絕對瓦斯涌出量為10.98m3/min，下鄰近層5上號及6號煤層約占鄰近層絕對瓦斯涌出量的47%及18%，因此，4號煤層鄰近層瓦斯涌出來源于5上號及6號煤層。401工作面回采期間瓦斯涌出量預測結(jié)果見表1，4號煤層鄰近層瓦斯涌出量預測結(jié)果見表2。

表1 401工作面瓦斯涌出量預測結(jié)果

表2 4號煤層鄰近層瓦斯涌出量預測結(jié)果

2 工作面瓦斯異常涌出及分析

2.1 回采期間瓦斯異常涌出及抽采情況

2015年1月至10月，401工作面回采期間，平均絕對瓦斯涌出量為11.21m3/min，其中平均風排瓦斯量為4.08m3/min，平均抽采瓦斯量為7.13m3/min，抽采瓦斯量占工作面瓦斯涌出量的63%。以該礦3～5月通風及瓦斯抽采旬報表為例，繪制該礦3～5月風排及抽采瓦斯量變化，如圖1所示。

圖1 401工作面風排與抽采瓦斯量變化曲線

從圖1可以看出，5月2日在遇到底板瓦斯異常涌出后，401工作面風排瓦斯量達15.4m3/min，抽采瓦斯量達16.2m3/min，即：瓦斯涌出量高達31.6m3/min。此時實測工作面15～16號液壓支架之間底板瓦斯在距底板400～500mm處濃度為2%。

2.2 工作面回采期間瓦斯異常涌出分析

(1)隨工作面推進，工作面前方的煤體，在回采影響下，頂?shù)装迕簬r受到破壞而產(chǎn)生裂隙。根據(jù)有關文獻[7-8]，煤體采動裂隙場與煤體采動應力有關，工作面前方煤體存在一個反“C”形裂隙發(fā)育區(qū)，而靠近機尾(15～16號液壓支架)處底板瓦斯異常涌出，也處于反“C”形裂隙發(fā)育區(qū)，當裂隙發(fā)育到達底板鄰近層時，采動裂隙就能形成瓦斯流動的通道?，F(xiàn)開采4號煤層，其鄰近層有1，2，3，5上，6號煤層，處于最佳卸壓范圍，大量卸壓瓦斯通過采動裂隙涌入401工作面。

(2)在靠近機尾(15～16號液壓支架)附近有一正斷層，該斷層沿工作面傾斜方向發(fā)育，斷距為1.0m左右，與401工作面夾角為86°。傾向封閉性小斷層不利于瓦斯逸散，在淺部回采時，可能出現(xiàn)深部瓦斯沿斷層面向淺部運移的情況，使淺部工作面過斷層時出現(xiàn)局部瓦斯涌出量急劇增加[9-10]的現(xiàn)象。

(3)401工作面為首采煤層及首采工作面，瓦斯流向單一，其開采后采空區(qū)、工作面為鄰近層唯一瓦斯運移通道[11]。

3 底板鉆孔抽采參數(shù)設計

根據(jù)有關文獻[12]，在工作面正?；夭呻A段，底板巖層處于采前壓縮、采后膨脹及逐漸恢復的狀態(tài)，且受動壓影響，在周期來壓時工作面底板破壞較為劇烈。對于近水平煤層，工作面底板裂縫帶最大深度可采用公式簡單估算：H=0.294L0.81，L為工作面長度[13]。此計算經(jīng)驗公式是在采深100～450m，煤厚1～3.5m，煤層傾角5～26°的條件下統(tǒng)計回歸的，而401工作面4號煤層埋深240～400m，平均煤厚1.1m，平均煤層傾角7°，所以，此公式適用于401工作面。401工作面長度為120m，經(jīng)過計算其底板裂縫帶高度為14m左右，由于4號煤層距離5上號煤層頂板15m，5上號煤層厚度為0.93m，設計鉆孔穿透5上號煤層，故設計鉆孔終孔垂高為16m左右。

根據(jù)采動裂隙“O”形圈理論，在采空區(qū)四周存在一連通的離層裂隙發(fā)育區(qū)，稱之為采動裂隙“O”形圈，“O”形圈的周邊寬度為34m左右，為了將瓦斯抽采鉆孔施工至“O”形圈內(nèi)，最大鉆孔終孔位置平距應設計在距離工作面機尾30m左右較為合適[14]。且在靠近機尾(15～16號液壓支架，與機尾相距約24m)附近有一正斷層，因此鉆孔終孔位置平距應設計在距離工作面機尾24～30m范圍。按照工作面2m/d的推進度，鉆孔開鉆位置選擇401材料巷距離工作面28m，保證鉆孔預抽時間不少于14d。孔間距6m，設置5個實驗鉆孔，終孔位置距離工作面平距為28m。鉆孔施工參數(shù)見表3，鉆孔布置見圖2。

表3 材料巷底板鉆孔施工參數(shù)

圖2 401工作面材料巷底板鉆孔布置示意

4 底板鉆孔抽采效果分析

如圖3所示，通過對1～5號鉆孔抽采瓦斯純量隨鉆孔終孔位置與工作面距離變化的情況進行分析，觀測工作面推進50m距離，所有鉆孔均能保持較高的抽采純量，5個鉆孔在有效抽采期內(nèi)(圖3中18～-18m左右位置)，鉆孔抽采瓦斯純量在0.10～0.44m3/min之間，說明底板鉆孔在不破壞孔口及封孔段的情況下，能有效抽采底板裂隙瓦斯，這與上部煤層采動遺留保護煤柱引起底板巖層內(nèi)應力分布有關。底板巖層受采動影響，隨著工作面推進，在垂直和水平方向均產(chǎn)生壓縮和膨脹，出現(xiàn)應力升高以及應力降低區(qū)，底板巖層應力的變化，使得下部巖層產(chǎn)生導通裂隙，形成底板裂隙發(fā)育區(qū)，從而為底板瓦斯抽采鉆孔抽采底板裂隙瓦斯提供了瓦斯運移的通道。從整體趨勢來看，所有鉆孔抽采瓦斯純量整體先緩慢上升，后有升有降，再下降，這并不符合本煤層抽采鉆孔抽采流量衰減的規(guī)律，說明工作面回采對底板鉆孔抽采影響較大，在底板受到一定的壓力，裂隙充分發(fā)育的情況下，底板鉆孔能保持較高的瓦斯抽采純量；在工作面遠離底板鉆孔終孔位置后(圖3中-14m左右位置)，抽采瓦斯純量有明顯的下降趨勢，此時有效抽采段減少，鉆孔一部分進入采空區(qū)，部分底板裂隙被重新壓實，說明裂縫帶高度對抽采影響較大，此時計算工作面正下方鉆孔終孔垂高在8m左右。

圖3 鉆孔抽采瓦斯純量隨鉆孔終孔位置與工作面距離變化曲線

從圖3可以看出，5號鉆孔終孔點在距工作面20m時(此時工作面推進4m)，其抽采瓦斯純量開始急劇上升，說明該鉆孔已處于有效卸壓區(qū)域內(nèi)；在工作面接近鉆孔孔口位置(圖3中-26～-28m的位置)后，基本已經(jīng)沒有抽采流量，說明此時封孔段已被破壞。

通過以上分析，可確定4號煤層底板裂縫帶高度在8～14m間，該高度為底板抽放鉆孔設計最優(yōu)垂高；該工作面前后18m為最佳底板裂隙發(fā)育區(qū)，抽采效果較好；設計鉆孔終孔位置距離機尾平距30m左右，能有效攔截底板瓦斯涌出，這與該工作面“O”形圈的周邊寬度為30m的結(jié)論一致。

對底板抽采鉆孔實驗期間401工作面各支管抽采純量進行測試分析，結(jié)果見表4所示。從表4可以看出，目前底板鉆孔在工作面瓦斯抽放中貢獻值較大，5個實驗鉆孔占到整個工作面瓦斯抽采量的6.81%，鄰近層抽放與采空區(qū)抽放占到整個工作面瓦斯抽采量的91.47%，進一步說明在本煤層預抽時間較長的情況下，回采期間高瓦斯薄煤層采煤工作面瓦斯主要來源于鄰近層，卸壓瓦斯抽采是治理回采期間瓦斯的關鍵。

表4 401工作面瓦斯抽采量構(gòu)成

5 結(jié) 論

(1)預測在礦井開采4號煤層時，回采工作面瓦斯涌出以鄰近層為主，約占55%，其中鄰近層絕對瓦斯涌出量為10.98m3/min，下鄰近層5上號及6號煤層約占鄰近層絕對瓦斯涌出量的47%及18%， 4號煤層鄰近層瓦斯涌出主要來源于5上號及6號煤層。

(2)經(jīng)理論分析以及現(xiàn)場試驗鉆孔考察得出最佳底板鉆孔施工參數(shù)為：開孔位置為401材料巷巷道底板，終孔位置為距離401工作面機尾30m，終孔高度為4號煤層底板以下8～14m，工作面前后18m為最佳底板裂隙發(fā)育區(qū)，抽采效果較好。

(3)通過在高瓦斯薄煤層采煤工作面進行底板鉆孔抽采瓦斯試驗得出：底板鉆孔在有效抽采期內(nèi)單孔抽采瓦斯純量在0.10～0.44m3/min之間，5個實驗鉆孔占到整個工作面瓦斯抽采量的6.81%，鄰近層抽放與采空區(qū)抽放占到整個工作面瓦斯抽采量的91.47%，在本煤層預抽時間較長的情況下，回采期間高瓦斯薄煤層采煤工作面瓦斯主要來源于鄰近層，卸壓瓦斯抽采是治理回采期間瓦斯的關鍵。

(4)應用結(jié)果表明，通過向工作面底板裂縫帶內(nèi)施工參數(shù)設計合理的底板鉆孔，可以維持較高的瓦斯抽采量，解決了工作面底板瓦斯超限的難題，保障了工作面安全回采。

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[責任編輯：王興庫]

Drilling Hole Gas Drainage Technology in Floor of Working Face with High Gas and Thin Coal Seam

PI Xi-yu1，2，3，LI Tie1，WANG Shuan-lin2，3

(1.Civil & Environmental Engineering School，Beijing University of Science & Technology，Beijing 100083，China;2.Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute，Beijing 100013，China;3.State Key Laboratory of Coal Resource High Effective Mining & Clean Utilization(China Coal Research Institute)，Beijing 100013，China)

The main gas discharge was from the adjacent layer for mining working face with high gas and thin coal seam.In order to solve the problem of gas abnormal discharge during working face mining period，unloading gas was drained by drilling holes in 4 coal seam floor，then floor drilling holes parameters were studied，with drainage effect in floor，fracture zone height，floor hole parameters and so on of 4 coal seam were obtained.The practical showed that after drilling holes in floor fracture zone of working face，gas drainage amount was about 0.10-0.44m3/min of single hole，the difficulty problem of gas transfinite in floor of working face was solved，safety mining was guaranteed，unloading gas drainage is key for gas management during high gas and thin coal seam working face mining.

high gas，drilling hole in floor，drainage parameters，drainage effect

2016-07-07

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.01.023

國家自然科學基金面上項目(51674016)；國家科技重大專項(2016ZX05045002-006)

皮希宇(1986-)，男，湖南益陽人，助理研究員，在讀博士，研究方向為煤礦瓦斯治理技術(shù)及工程實踐。

皮希宇，李 鐵，王栓林.高瓦斯薄煤層采煤工作面底板鉆孔瓦斯抽采技術(shù)[J].煤礦開采，2017，22(1)：94-97.

TD712.6

A

1006-6225(2017)01-0094-04