高瓦斯突出煤層群首采保護(hù)層立體式瓦斯綜合治理技術(shù)及應(yīng)用

廉常軍，郭城銘，鄧照玉，馬宏宇

(1.中煤科工集團(tuán) 重慶研究院有限公司，重慶 400037；2.云南煤礦安全監(jiān)察局 曲靖監(jiān)察分局，云南 曲靖 655000)

云南省恩洪礦區(qū)為煤層群賦存，屬于高瓦斯突出礦區(qū)[1]。區(qū)內(nèi)礦井生產(chǎn)期間，普遍存在采煤面上隅角瓦斯頻繁超限、保護(hù)層采動(dòng)卸壓無法徹底消除被保護(hù)層的突出危險(xiǎn)性等問題，極大制約著礦井的安全高效生產(chǎn)。因此針對(duì)該地區(qū)實(shí)際情況，開發(fā)一套科學(xué)有效的瓦斯綜合治理技術(shù)是一項(xiàng)迫切且意義重大的工作。

1 恩洪礦區(qū)調(diào)研結(jié)果及瓦斯突出原因分析

1.1 調(diào)研結(jié)果

恩洪礦區(qū)分布有56對(duì)礦井，其中16對(duì)礦井發(fā)生過瓦斯突出事故或出現(xiàn)噴孔、頂鉆等動(dòng)力現(xiàn)象，47對(duì)礦井采煤面上隅角瓦斯頻繁超限。區(qū)內(nèi)含煤層約26～38層；其中可采煤層約7～12層，均為薄煤層～中厚煤層，可采煤層層間距為4～60m；各煤層瓦斯含量為6～17m3/t、瓦斯壓力為0.30～1.94MPa。

區(qū)內(nèi)礦井主要采用長(zhǎng)壁式工作面布置，垮落法管理頂板；首采淺部煤層，形成卸壓保護(hù)效應(yīng)，之后依次開采下部煤層；采煤工作面瓦斯涌出量達(dá)8～27m3/min，常采用順層鉆孔、走向高位鉆孔及上隅角埋管等抽采措施，但上隅角瓦斯依然頻繁超限；個(gè)別礦井在上部煤層采空的情況下，M9，M11煤層生產(chǎn)過程中仍然有噴孔、頂鉆現(xiàn)象，甚至發(fā)生瓦斯突出事故。

1.2 原因分析

針對(duì)區(qū)內(nèi)礦井的調(diào)研結(jié)果，結(jié)合理論分析，認(rèn)為造成區(qū)內(nèi)礦井采煤面上隅角瓦斯超限及被保護(hù)層瓦斯突出的原因有3點(diǎn)。

(1)區(qū)內(nèi)煤層瓦斯含量高、瓦斯壓力大，可采煤層之間分布多層不可采煤層；當(dāng)采面回采期間大量鄰近層卸壓瓦斯涌入作業(yè)空間，造成上隅角瓦斯超限。

(2)布置的順層鉆孔、走向高位鉆孔普遍存在封孔效果差、終孔層位設(shè)計(jì)不準(zhǔn)確，造成該煤層瓦斯及鄰近層卸壓瓦斯的抽采純量??；上隅角埋管伸入采空區(qū)距離短，孔隙通透致使抽采瓦斯?jié)舛炔怀^1%，造成采空區(qū)瓦斯的抽采純量小。

(3)中、遠(yuǎn)距離被保護(hù)層在采動(dòng)卸壓作用下，穿層裂隙不發(fā)育致使卸壓瓦斯無法充分排出，而其中未布置抽采鉆孔，致使其突出危險(xiǎn)性難以徹底消除。

2 高瓦斯突出煤層群瓦斯治理思路

2.1 類似條件礦區(qū)瓦斯治理實(shí)踐

淮南礦區(qū)及松藻礦區(qū)均為多煤層高瓦斯突出礦區(qū)，均取得卓著的瓦斯治理成果并開發(fā)出高效的瓦斯治理技術(shù)，對(duì)恩洪礦區(qū)的瓦斯治理工作具有重要的借鑒意義。

淮南礦區(qū)開采深度為700～1200m，煤層間距為20～50m，瓦斯含量及瓦斯壓力高達(dá)22m3/t，6.8MPa；形成的瓦斯治理技術(shù)主要有：關(guān)鍵保護(hù)層開采聯(lián)合上下被保護(hù)層卸壓瓦斯抽采技術(shù)、沿空留巷Y型通風(fēng)工作面瓦斯治理技術(shù)、地面鉆井瓦斯抽采技術(shù)[2-3]。

松藻礦區(qū)開采深度為500～700m，煤層間距為6～17m，瓦斯含量及瓦斯壓力高達(dá)27m3/t，5.2MPa；形成的瓦斯治理技術(shù)主要有：上保護(hù)層開采聯(lián)合被保護(hù)層卸壓瓦斯抽采技術(shù)、水力割縫增透聯(lián)合順層鉆孔及頂(底)板巷穿層鉆孔瓦斯抽采技術(shù)、高抽巷工作面瓦斯治理技術(shù)[4]。

2.2 恩洪礦區(qū)瓦斯治理技術(shù)路線

依據(jù)區(qū)內(nèi)礦井生產(chǎn)情況的調(diào)研分析，結(jié)合國內(nèi)類似條件礦區(qū)的瓦斯治理實(shí)踐，提出本礦區(qū)瓦斯治理工作技術(shù)路線。

(1)測(cè)定各煤層的瓦斯含量、瓦斯壓力等參數(shù)，評(píng)估各煤層的瓦斯災(zāi)害等級(jí)。

(2)分析煤系煤巖層的物理結(jié)構(gòu)特征，評(píng)估不同煤層采空區(qū)“上三帶”及“下三帶”卸壓區(qū)的發(fā)育高度。

(3)兼顧經(jīng)濟(jì)合理性，選擇低瓦斯非突出煤層為首采保護(hù)層，保護(hù)其上70m、下50m范圍內(nèi)的高瓦斯突出煤層，尤其是主采煤層[5]。

(4)開展首采保護(hù)層工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)及被保護(hù)層保護(hù)效果評(píng)估。

(5)針對(duì)首采層、被保護(hù)層開展立體式的瓦斯抽采設(shè)計(jì)，不但要解決首采層工作面上隅角瓦斯超限難題，而且要徹底消除上、下被保護(hù)層的突出危險(xiǎn)性[6]。

3 工程實(shí)踐

3.1 礦井概況

吉克煤礦位于恩洪礦區(qū)核心區(qū)，分布有33層煤層，其中穩(wěn)定可采煤層11層，分別為M2，M7，M9，M11，M12，M16，M20，M21，M22，M23，M24，并且M2，M9，M11煤層已經(jīng)鑒定為突出煤層。各可采煤層間分布數(shù)層非可采煤層，可采煤層結(jié)構(gòu)及瓦斯參數(shù)見表1。

表1 吉克煤礦可采煤層結(jié)構(gòu)及瓦斯參數(shù)

礦井主要開采一、二采區(qū)的M2，M7，M9，M11，M12煤層，采煤面絕對(duì)瓦斯涌出量為17～26m3/min，采用順層鉆孔、走向高位鉆孔及上隅角埋管的綜合抽采方法開展瓦斯治理，但上隅角瓦斯仍頻繁超限，且鉆孔施工有噴孔現(xiàn)象。

3.2 首采保護(hù)層確定及工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

依據(jù)2.2節(jié)中瓦斯治理技術(shù)路線，結(jié)合表1中相關(guān)煤層結(jié)構(gòu)及瓦斯參數(shù)，計(jì)算評(píng)估后選擇M7煤層為新區(qū)域首采保護(hù)層。

新區(qū)域M7煤層首采面120704設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1200t/d，瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果見表2。

表2 120704工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果

由表2分析可知：

(1)工作面正?；夭善陂g，絕對(duì)瓦斯涌出量為20.08m3/min，其中本煤層占25%，上鄰近層占29%，下鄰近層占46%。

(2)為了解決上隅角瓦斯超限，必須同時(shí)對(duì)本煤層、采空區(qū)及上下鄰近被保護(hù)層采取瓦斯抽采措施。

(3)M7煤層采空區(qū)頂板垮落帶及裂縫帶下部?jī)?nèi)分布有數(shù)層不可采煤層，其內(nèi)穿層裂隙發(fā)育，卸壓瓦斯富集且能直接涌入采煤空間；必須要針對(duì)該區(qū)域瓦斯采取抽采措施，方可降低上隅角瓦斯聚集。

(4)M2，M9，M11，M12煤層屬于中遠(yuǎn)距離被保護(hù)層，其內(nèi)穿層裂隙不發(fā)育；必須在中遠(yuǎn)距離被保護(hù)煤層中布置鉆孔直接抽采卸壓瓦斯，方可徹底消除其突出危險(xiǎn)性。

3.3 首采保護(hù)層立體式瓦斯綜合治理技術(shù)

3.3.1 順層鉆孔預(yù)抽本煤層瓦斯

120704工作面傾向長(zhǎng)度為110m，在進(jìn)風(fēng)巷及回風(fēng)巷中分別布置順層鉆孔，孔長(zhǎng)60m，間距為5m，搭接長(zhǎng)度為10m，共布置240個(gè)鉆孔。封孔長(zhǎng)度為15m，孔口負(fù)壓不低于13kPa，工作面預(yù)抽時(shí)間為3個(gè)月。鉆孔布置如圖1所示。

圖1 120704工作面順層鉆孔布置

3.3.2 走向高位鉆孔抽采裂縫帶富集瓦斯

在工作面回風(fēng)巷施工高位抽放鉆場(chǎng)，向煤層頂板中施工大直徑走向高位鉆孔，抽采裂隙區(qū)富集瓦斯。具體如下：

(1)終孔層位 考慮到M7煤層頂板30m范圍內(nèi)分布有3層不可采煤層，為上鄰近層卸壓瓦斯的主要來源；同時(shí)裂縫帶下部為高濃度游離瓦斯富集區(qū)，而垮落帶發(fā)育高度：H=(4～6)M[7]，M為煤層厚度。本次，高位鉆孔設(shè)計(jì)層位采用“上-中-下”配合[8]，終孔位于煤層頂板以上6～30m處。

(2)鉆孔布置 在回風(fēng)巷中每間隔30m布置1個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)中布置“上-中-下”3組鉆孔，每組3個(gè)鉆孔，控制回風(fēng)巷內(nèi)側(cè)40m范圍?？讖綖?20mm，鉆孔封孔深度為12m，孔口負(fù)壓為7～10kPa。鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)及布置如表3、圖2、圖3所示。

表3 回風(fēng)巷鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

注：鉆孔方位角以回風(fēng)巷走向?yàn)榛A(chǔ)，迎著切眼方向左偏。

圖2 120704工作面回風(fēng)巷高位鉆孔布置平面

圖3 120704工作面回風(fēng)巷高位鉆孔布置剖面

3.3.3 上隅角埋管抽采采空區(qū)瓦斯

首先在工作面上下隅角處構(gòu)筑密閉墻，降低采空區(qū)漏風(fēng)；然后沿工作面的回風(fēng)巷敷設(shè)一條瓦斯抽采管，每隔20m設(shè)1個(gè)三通，并安閥門。隨著工作面的推進(jìn)，瓦斯管道一端逐漸埋入采空區(qū)，當(dāng)工作面推進(jìn)至下一個(gè)埋管口三通處，將埋在采空區(qū)里的前一埋管段控制閥門關(guān)閉，打開下一循環(huán)的埋管口閥門，以此達(dá)到利用埋管不斷抽采采空區(qū)的瓦斯的目的，孔口負(fù)壓約為5kPa。具體布置參數(shù)如圖4所示。

圖4 120704工作面上隅角埋管抽放布置

3.3.4上下底板巷布置上向穿層鉆孔抽采中遠(yuǎn)距離被保護(hù)層卸壓瓦斯[9-10]

按照120704工作面布置圖，提前在上部M2煤層底板10m處布置1條底板巷，并向M2煤層施工上向網(wǎng)格式穿層鉆孔，鉆孔見煤處間排距為15m；在下部M12煤層底板13m處布置1條底板巷，并向M9，M11，M12煤層施工上向網(wǎng)格式穿層鉆孔，鉆孔見煤處最大間排距為18m。鉆孔封孔長(zhǎng)度為10～15m，孔口負(fù)壓不低于13kPa。該抽放鉆孔布置參數(shù)如圖5所示。

圖5 120704工作面上下底板巷鉆孔布置

3.4 效果考察

回采過程中，對(duì)工作面的瓦斯治理效果進(jìn)行了考察，結(jié)果如下：

(1)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為25.99m3/min，其中風(fēng)排瓦斯量為5.25m3/min，上部底板巷抽采量為5.41m3/min，下部底板巷抽采量為9.57m3/min，高位鉆孔抽采量為4.14m3/min，埋管抽采量為1.62m3/min，工作面瓦斯抽采率為80%，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛葹?.35%，上隅角在整個(gè)回采期間未超限。

(2)M2，M9，M11，M12煤層在M7煤層開采前瓦斯壓力分別為0.83MPa，1.62MPa，1.24MPa，0.96MPa；在M7煤層開采后分別為0.26MPa，0.54MPa，0.44MPa，0.37MPa，消除了諸煤層的突出危險(xiǎn)性。

4 結(jié) 論

(1)采用“現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研分析+工程類比參考”的方法，開發(fā)出針對(duì)恩洪礦區(qū)的高瓦斯突出煤層群瓦斯治理技術(shù)路線，實(shí)踐證明，該技術(shù)路線是科學(xué)有效的。

(2)“首采保護(hù)層立體式瓦斯綜合治理技術(shù)”不僅解決了吉克煤礦120704工作面上隅角瓦斯超限問題，而且消除了中遠(yuǎn)距離被保護(hù)層M2，M9，M11，M12煤層的突出危險(xiǎn)性，瓦斯治理工作成效顯著。

(3)吉克煤礦的成功實(shí)踐，為恩洪礦區(qū)其他礦井的瓦斯治理提供了有益的借鑒。