高瓦斯煤層群瓦斯綜合抽采技術(shù)研究

張學(xué)超

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京市朝陽區(qū)，100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實驗室，北京市朝陽區(qū)，100013)

瓦斯災(zāi)害是煤礦生產(chǎn)的主要災(zāi)害，也是煤礦治理難度最大的災(zāi)害，近年來的煤礦事故中瓦斯事故致死率最高。在高瓦斯煤層群煤層開采時，工作面上覆巖層受采動影響破壞，垮落到采空區(qū)中，在開采煤層上部垮落區(qū)域形成裂隙帶，上鄰近層的瓦斯以及采空區(qū)的瓦斯會沿著裂隙通道涌向裂隙帶，形成瓦斯聚集區(qū)。本煤層開采也會對底板形成影響，致使煤層底板也形成裂隙區(qū)域，由于下部還存在著多組煤層，其瓦斯也會沿著新的裂隙涌向采煤工作面，導(dǎo)致工作面瓦斯超限，影響煤礦安全生產(chǎn)。

為解決高瓦斯煤層群安全開采問題，以朱家店礦首采工作面4101工作面為例，通過對該礦的地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、4#煤層賦存條件及4#煤層開采對上下鄰近層形成的卸壓影響進(jìn)行分析，提出了本煤層預(yù)抽、鄰近層抽采及采空區(qū)抽采的瓦斯綜合抽采技術(shù)。

1 工作面瓦斯來源

朱家店礦屬高瓦斯建設(shè)礦井，設(shè)計生產(chǎn)能力為1.2 Mt/a，可采煤層有4#、5上#、6#煤層。4101工作面開采一采區(qū)4#煤層，是4#煤層的首采工作面，煤層平均傾角9°。4101工作面包括運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷切眼和瓦斯抽采巷。工作面長度150 m，運(yùn)輸巷與回風(fēng)巷距離為120 m，回風(fēng)巷長度為500 m。

經(jīng)測試，4#煤層瓦斯含量為5.67 m3/t。同時對4101工作面瓦斯來源進(jìn)行分析，開采4101工作面時，瓦斯涌出量為14.50 m3/min，其中本煤層瓦斯涌出量為5.60 m3/min，占回采工作面瓦斯涌出的39%，鄰近層瓦斯涌出量為8.90 m3/min(其中，上鄰近層瓦斯涌出量為4.06 m3/min，下鄰近層瓦斯涌出量為4.84 m3/min)，占回采工作面瓦斯涌出的61%，工作面瓦斯主要來自鄰近層。

2 瓦斯抽采鉆孔施工的影響因素

4101工作面布置在一采區(qū)西翼，4#煤層瓦斯抽采鉆孔施工主要受地質(zhì)條件、水文地質(zhì)、煤層頂?shù)装逡约伴_采的影響。

2.1 地質(zhì)條件

井田位于一個向斜軸部，向斜西翼較陡，傾角約為14°～24°，東翼較緩，傾角為6°～13°，平均為9°，伴有寬緩的波狀起伏的小型褶曲構(gòu)造。井田內(nèi)揭露正斷層7條，大部分位于井田邊緣，且規(guī)模較小，落差為20～30 m，對井下開采影響甚微；僅有1個斷層落差為80 m，位于井田西南靠近南川河，井田內(nèi)部延伸長度為1400 m，對下組煤層影響較大。

2.2 水文地質(zhì)

4#煤層頂部的中砂巖為4#煤層直接充水含水層，富水性較差，故對其開采影響極小；山西組砂巖含水組為4#煤層直接充水含水層，單位涌水量為0.000107～0.00065 L/(s·m)，礦井涌水量約50 m3/d， 4#煤層礦井水文地質(zhì)類型為中等類型。

4101工作面位于第一水平南翼一采區(qū)，井田內(nèi)采空區(qū)較少，不會形成大范圍的積水；但本井田北、東、南三面均有煤礦開采，受構(gòu)造控制東部和東北部煤礦開采標(biāo)高高于本礦，易在毗鄰本井田的采空區(qū)形成積水區(qū)，對北部4#煤層的開采構(gòu)成威脅。

另外在6#煤層上、下各含有一個含水層，查閱該礦的地質(zhì)資料，給出了上、下兩個含水層的層位，指出兩個含水層均為弱富水性含水層，但是并沒有給出具體的涌水量數(shù)據(jù)。因此解放6#煤層瓦斯設(shè)計抽采鉆孔就需要認(rèn)真考慮這兩個含水層的影響。

2.3 煤層及頂?shù)装鍡l件

4#煤層厚度為0～2.28 m，平均厚度為1.26 m，結(jié)構(gòu)簡單，一般不含夾矸，煤層透氣性系數(shù)為4.073～5.708 m2/ (MPa2·d)。頂板巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚度為0.80～1.20 m，平均厚度1.00 m，其上為一層3 m左右的細(xì)粒砂巖；底板巖性為粉砂巖、細(xì)砂巖，厚度為2.10～3.80 m，平均厚度`2.80 m。底板巖性特征將會對開采4#煤層后形成的上、下裂隙帶高度產(chǎn)生影響，進(jìn)而會對抽采鉆孔的層位布置帶來影響。

2.4 煤層開采影響

4#煤層上、下均有鄰近煤層，在4101工作面開采后均會對這些鄰近煤層產(chǎn)生影響。其鄰近煤層有1#、2#、3#、5上#、6#煤層，煤層厚度分別為0.70 m、0.30 m、0.30 m、0.90 m、1.30 m，與4#煤層的距離分別為17.70 m、11.00 m、4.30 m、15 m、30 m。由于受4#煤層采動的影響，4#煤層上、下均會產(chǎn)生一定高度的裂隙帶，從而使這些鄰近煤層可能都處在了頂?shù)装宓牧严秴^(qū)域內(nèi)。

3 瓦斯綜合抽采技術(shù)

針對4101工作面的情況，根據(jù)4#煤層的賦存特點(diǎn)、瓦斯含量、上下鄰近層以及開采影響，采用本煤層順層鉆孔抽采、鄰近層高位孔和底板孔抽采、采空區(qū)埋管抽采的綜合抽采方法。

3.1 本煤層采前預(yù)抽

在4101工作面的運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷向煤壁方向施工本煤層預(yù)抽鉆孔。根據(jù)在現(xiàn)場進(jìn)行的測試情況，得知其抽采有效半徑為1.5 m，在4101運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷向煤壁垂直布置平行鉆孔，孔間距為3 m，從兩條巷道對向布置鉆孔，且鉆孔深度能夠覆蓋整個工作面長度，還有部分重疊區(qū)域，保證順層鉆孔能夠抽采到位。

3.2 鄰近層預(yù)抽及邊采邊抽

4101工作面各巷道形成后，由于受巷道開拓的卸壓影響，頂、底板方向均會形成一定區(qū)域范圍的裂隙帶。由于4#煤層與上、下鄰近煤層距離較近，其鄰近層瓦斯可能會沿著裂隙通道匯集到4#煤層開拓出的巷道，從而增加了巷道的瓦斯涌出量。

4101工作面回采后，由于受開采的卸壓影響，頂?shù)装鍘r層和上、下鄰近煤層裂隙增多，原有裂隙張開進(jìn)而延展，開采的煤層和卸壓的煤層內(nèi)釋放大量的瓦斯會隨著裂隙通道匯集到采空區(qū)裂隙帶中，為卸壓瓦斯高效抽采創(chuàng)造前提條件。采空區(qū)瓦斯多積聚于裂隙帶內(nèi)，只有鉆孔終孔點(diǎn)位于裂隙帶才能實施有效的瓦斯抽采。

因4101工作面瓦斯來源主要是鄰近層的瓦斯。因此，要想解決工作面瓦斯問題，鄰近層瓦斯抽采是重中之重。對于鄰近層的瓦斯，可采取頂板穿層高位鉆孔和底板穿層鉆孔抽采，既可以在采前攔截上、下鄰近層的瓦斯，又可以在回采期間抽采裂隙帶內(nèi)的瓦斯。

3.2.1 高位鉆孔抽采上鄰近層瓦斯

在4101瓦斯抽采巷向煤壁方向施工高位鉆孔，以便抽采上鄰近層瓦斯以及將來工作面回采后采空區(qū)集聚的瓦斯，并預(yù)防4101工作面上隅角瓦斯超限。工作面開采后形成的裂隙帶在工作面的推進(jìn)方向上為一個突出的弧形的輪廓線，因此，布置鉆孔時可多點(diǎn)參與。高位鉆孔成組布置，每組3個，分別控制不同的水平距離，這樣在同樣的高度層位形成一個簡單的控制面。另外在立體空間上，隨著開采活動的推進(jìn)，裂隙帶也逐步發(fā)生變化向前開展。而向采空區(qū)方向布置的高位鉆孔始終能夠保障其高位區(qū)域有部分孔身在裂隙帶內(nèi)，形成高位鉆孔的有效抽采，可以較好地控制和降低鄰近層的瓦斯。

(1)高位鉆孔垂直高度確定。4101工作面回采后導(dǎo)水裂隙帶高度將采用下面公式進(jìn)行計算：

(1)

式中：Hli——導(dǎo)水裂隙帶高度，m；

M——煤層采高，設(shè)計采高為1.6m。

由式(1)計算得出，4#煤層采后導(dǎo)水裂隙帶高度為12.1～20.1m，根據(jù)導(dǎo)水裂隙帶高度計算情況，初定高位鉆孔垂距為12～20m。

(2)高位鉆孔水平位置確定。高位鉆孔與4101回風(fēng)巷的平距的確定，根據(jù)以下公式計算：

(2)

式中：L——高位鉆孔距4101瓦斯抽采巷的水平投影距離，m；

H——高位鉆孔垂距，m；

α——頂板巖石卸壓角，取65°～83°。

4101回風(fēng)巷與軌道巷之間有30m的保護(hù)煤柱，再加上回風(fēng)巷巷道的寬度為4.5m，高位鉆孔水平位置至少滿足34.5m，此處取45m，第二個鉆孔水平控制距離為60m，第三個鉆孔水平控制距離為75m。

(3)高位鉆孔布置及參數(shù)確定。在4101瓦斯抽采巷布置成組高位鉆孔，距切眼18～52m處布置第一組至第六組高位鉆孔，然后每隔12m布置一組高位鉆孔，開孔位置距巷道底板1.5m，每組鉆孔水平控制距離分別為45m、60m和75m。

圖1 鉆孔立體方位圖

以第一組中的第一個鉆孔為例，已知鉆孔的垂深、水平控制距離和傾向控制距離，構(gòu)建鉆孔立體方位圖，如圖1所示。通過立體幾何與三角函數(shù)即可計算出鉆孔DH長度，即鉆孔深度，然后就可以算出∠GDH的度數(shù)，即得到該鉆孔的仰角。

高位鉆孔布置在瓦斯抽采巷道的一側(cè)，由于水平控制距離不同，使得每個鉆孔的方位角有所不同。煤層傾角對每個鉆孔產(chǎn)生的影響也各不相同。也就是說每個高位鉆孔是與煤層成偽斜角度，鉆孔傾角主要受傾向控制距離、孔深、方位角和煤層傾角的影響。根據(jù)立體方位及三角函數(shù)關(guān)系，計算可得出每組鉆孔中3個鉆孔受到煤層傾角的影響值，然后考慮這個傾角的影響可以得出每個高位鉆孔的實際傾角。如DH鉆孔，煤層傾角影響角為∠EGD，而其仰角為∠GDH，仰角減掉影響角的度數(shù)即可得到該鉆孔的實際傾角。

根據(jù)周邊礦井該煤層的回采情況推測，4101工作面將來開采時初次垮落步距為20m左右，周期來壓步距為12m左右。因此，在4101工作面瓦斯抽采巷距切眼52m范圍內(nèi)布置密集高位抽采鉆孔，共分為6組，分不同層位布置，每組層位相差2m，第一組高位抽采鉆孔終孔層位為10m，第六組則為20m。這6組鉆孔孔間距均為2m，從第七組鉆孔開始，每組鉆孔與前一組鉆孔距離為12m，組間孔間距為2m，終孔層位均為20m。4101瓦斯抽采巷高位鉆孔布置如圖2所示。

圖2 4101瓦斯抽采巷高位鉆孔布置圖

(4)巷道錨索對高位抽采鉆孔施工的影響。4101回風(fēng)巷頂板采用錨索進(jìn)行支護(hù)，錨索長度為6m。其中第一組高位鉆孔中的3#鉆孔傾角為5°，為最小傾角，這個鉆孔施工到回風(fēng)巷最左側(cè)邊界時若是不受錨索影響，其他的鉆孔就都不會受到影響；根據(jù)計算可知，該鉆孔在4101回風(fēng)巷道最左側(cè)的高度為8.4m，其高度值大于錨索高度值6m，鉆孔在此處的位置高于錨索，因此，該鉆孔施工時不會受到錨索的影響，能夠保證安全通過錨索支護(hù)區(qū)域。

頂板楔形裂隙區(qū)和頂板裂隙帶離層上部邊界構(gòu)成的高濃度瓦斯富集區(qū)稱為頂板高位扇形環(huán)狀裂隙區(qū)，利用留巷尾部空間施工瓦斯抽采工程、安裝瓦斯抽采裝置，將抽采鉆孔的終孔布置在該區(qū)域內(nèi)，同時注意抽采的時空銜接，可有效提高瓦斯抽采效率。在加強(qiáng)留巷墻體漏風(fēng)控制的前提下，以采空區(qū)埋管和地面鉆井抽采為主，以穿層鉆孔、頂板走向鉆孔、傾向高位裂隙孔以及通風(fēng)方式為輔的瓦斯治理措施作用下，能實現(xiàn)井下瓦斯安全高效抽采。

3.2.2 底板鉆孔抽采下鄰近層瓦斯

在4101回風(fēng)巷向煤壁采空區(qū)方向施工底板鉆孔，以便抽采下鄰近層瓦斯以及將來工作面回采后采空區(qū)集聚的瓦斯，并預(yù)防4101工作面上隅角瓦斯超限。

(1)4#煤層的底板破壞帶深度。采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)定》中的統(tǒng)計經(jīng)驗公式，可計算出ZJD礦開采4#煤層的底板破壞深度：

(3)

式中：h——底板采動導(dǎo)水破壞帶深度，m；

H1——開采深度，取283～445m；

β——煤層傾角，取9°；

L1——壁式工作面斜長，取120m。

經(jīng)計算4#煤層底板破壞深度為12.49～13.87m，位于5上#煤層和5中#煤層之間的砂質(zhì)泥巖內(nèi)。

(2)底板鉆孔垂直煤層向下的距離。根據(jù)以上分析可知，5上#、5中#、5下#煤層中的瓦斯可由4#煤層開采的底板破壞帶涌向4101工作面，為避免該組煤對該工作面回采期間的影響，應(yīng)該對其進(jìn)行瓦斯抽采，此外，底板鉆孔還需要解決6#煤層開采期間瓦斯涌出量偏大的問題，6#煤層直接頂為很薄的泥巖層(厚度0.4m)，之上為3.65m厚的L5石灰?guī)r含水層，根據(jù)該礦區(qū)歷史掘進(jìn)資料，推測該層在4101工作面覆蓋區(qū)域涌水量不大，屬于裂隙水，該層裂隙較發(fā)育，為向上逸散的6#煤層瓦斯提供儲集空間，且在L5石灰?guī)r上方依次有3.65m厚的砂質(zhì)泥巖和4.25m厚的泥巖，致密性較好，故可得出L5石灰?guī)r為6#煤層瓦斯富集區(qū)，上距4#煤層底板21.6m，所以，底板鉆孔終孔位置穿過L5石灰?guī)r1.4m，即與煤層傾向的垂直距離為23m。

(3)底板鉆孔沿傾向距離。依據(jù)保護(hù)層開采理論，開采4#煤層會對其下方的5上#、5中#煤層起到卸壓保護(hù)的作用，根據(jù)經(jīng)驗值可選取沿傾向方向的卸壓角度為60°，而底板采動影響的深度為13.8m，故底板鉆孔的終孔位置偏向工作面距離為8.0m，鉆孔偏向工作面距離依次為15m、30m、45m，由于鉆孔與煤層傾向的垂直距離為23m，沿煤層傾向距離取值為74m，可計算出鉆孔的最大深度為90m，鉆孔的傾角為-23°，考慮由于鉆孔的自重導(dǎo)致鉆進(jìn)曲線出現(xiàn)一定的下彎性，現(xiàn)場施工鉆孔傾角可適當(dāng)上調(diào)1°～2°。由于底板鉆孔的孔身大部分處于底板巖層中，且多為泥砂巖結(jié)構(gòu)，致密性好，巖孔有效抽采半徑相對較小，開孔間距的取值為2m。

(4)底板鉆孔布置。為了防止工作面開始抽采時瓦斯含量偏高，設(shè)置漸升式鉆孔，考慮到煤層頂板初次破斷步距和傾角不宜過大，工作面最初位置布置5組鉆孔，每組3個鉆孔。第一組鉆孔垂直于煤層向下13m，其中第一個鉆孔距離切眼24m，相鄰鉆孔間距為2m；第二組鉆孔垂直于煤層向下15m，其中第一個鉆孔距離切眼46m，相鄰鉆孔間距為2m；逐步到第六組鉆孔垂直于煤層向下23m，其中第一個鉆孔距離切眼70m，相鄰鉆孔間距為2m；以后每組鉆孔施工參數(shù)與第六組鉆孔相同，相鄰鉆孔組間距為16m。

3.3 采空區(qū)瓦斯抽采

采空區(qū)瓦斯采用埋管抽放方法。其抽采主要原理是在工作面形成一個半封閉的負(fù)壓區(qū)，使該區(qū)域內(nèi)瓦斯由抽采管路抽走，解決采空區(qū)上隅角瓦斯超限問題。抽采管第一節(jié)使用鋼管，管上焊割出花眼，隨工作面推進(jìn)埋入采空區(qū)，埋入深度為20～40m，當(dāng)埋入超過一定深度時，提前10m左右埋入第二根抽采管，與主管搭接繼續(xù)抽放。為了保證抽采管長時間服務(wù)，需要在密閉前方搭起木垛，保護(hù)抽采管路。

4 抽采效果分析

到目前為止，朱家店礦尚未生產(chǎn)，鄰近煤層還沒有受到采動影響。通過近1年多時間的本煤層預(yù)抽，實測4101工作面運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷和切眼內(nèi)煤層瓦斯含量分別為3.2m3/t、3.4m3/t和4.3m3/t。較4#煤層原始瓦斯含量5.67m3/t均有所下降，本煤層預(yù)抽瓦斯取得了一定的效果。

5 結(jié)論

(1)指出了4#煤層瓦斯抽采鉆孔施工主要受地質(zhì)條件、水文地質(zhì)、煤層頂?shù)装逡约伴_采的影響。

(2)根據(jù)4101工作面的煤層賦存以及瓦斯情況，提出了采用本煤層順層鉆孔預(yù)抽、鄰近層穿層鉆孔抽采和采空區(qū)埋管抽采的綜合抽采技術(shù)。并且考慮到煤層賦存情況、鉆孔方位，重點(diǎn)分析了鄰近層瓦斯抽采的相關(guān)基礎(chǔ)參數(shù)的確定。

(3)鄰近層瓦斯抽采是解決該礦瓦斯問題的重點(diǎn)，分析了高位鉆孔以及底板鉆孔的方位角、終孔高度、水平控制距離以及煤層傾角的影響，確認(rèn)了高位鉆孔和底板鉆孔施工的基本參數(shù)。

(4)通過抽采效果分析可知，目前的抽采方法已經(jīng)取得了一定的效果，但是因為工作面還沒有回采，采動影響還未形成，后續(xù)的上下鄰近層裂隙帶瓦斯抽采還有待繼續(xù)觀察和研究。