特厚煤層綜放工作面瓦斯抽采技術(shù)研究

劉 濤

（山西煤礦安全培訓(xùn)中心山西太原 030012）

0 引言

隨著淺部煤炭資源的大量采出，煤礦開采逐漸向深部轉(zhuǎn)移，煤層開采深度的增大同時(shí)也給礦井的生產(chǎn)帶來(lái)了礦壓、瓦斯等一系列問(wèn)題，特別是對(duì)于一些煤層厚度較大的礦井，由于煤層開采厚度的增大，其來(lái)壓強(qiáng)度與來(lái)壓步距有了一定的改變，來(lái)壓過(guò)程中瓦斯的涌出情況也有了很大的改變[1～3]。為提高在特厚煤層中瓦斯抽采效果，明確瓦斯涌出與工作面來(lái)壓之間的關(guān)系，本文以山西某礦特厚煤層開采地質(zhì)條件為背景，對(duì)工作面瓦斯特征與抽采方案進(jìn)行了研究，該研究結(jié)果可為相鄰其他工作面提供一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并且對(duì)其他礦區(qū)有著一定的借鑒意義。

1 工程概況

山西某礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為15.0 Mt/a，主采煤層為3-5#煤層，煤層傾角較小平均為5°，煤層厚度平均為15.8 m，埋深平均為450 m，工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤開采方式。在綜放工作面正?；夭傻倪^(guò)程中，瓦斯絕對(duì)涌出量在15 m3/min～39 m3/min范圍內(nèi)，當(dāng)工作面發(fā)生劇烈來(lái)壓時(shí)，瓦斯涌出量發(fā)生明顯升高，最大達(dá)到67 m3/min。由于工作面開采強(qiáng)度較大，傳統(tǒng)的瓦斯抽采措施無(wú)法有效的降低工作面來(lái)壓時(shí)的瓦斯涌出量，因此有必要采取新的瓦斯抽采方案。

根據(jù)重慶煤科院對(duì)煤層瓦斯參數(shù)的測(cè)量，煤層瓦斯的壓力在0.09 MPa～0.24 MPa范圍內(nèi)，瓦斯流量衰減系數(shù)為0.57 d-1～0.74 d-1，礦井共布置兩個(gè)盤區(qū)，其中一盤區(qū)瓦斯含量為1.78 m3/t，煤層的透氣性系數(shù)在171.7 m2/(MPa2·d)～428.8 m2/(MPa2·d)范圍內(nèi)，二盤區(qū)瓦斯含量為2.64 m3/t，煤層的透氣性系數(shù)在1.11×10-4m2/(MPa2·d)～1.33×10-4m2/(MPa2·d)，從測(cè)定結(jié)果可知，兩個(gè)盤區(qū)均屬于瓦斯難抽采煤層，煤層透氣性較差，瓦斯聚集能力較低，傳統(tǒng)的瓦斯抽采方案無(wú)法達(dá)到預(yù)想效果。

為獲得綜放工作面開采過(guò)程中瓦斯含量的變化情況，取二盤區(qū)8212和8204工作面作為地質(zhì)條件背景進(jìn)行分析。8212工作面開采煤層的厚度平均為11.2 m，工作面推進(jìn)方向長(zhǎng)度共2610 m，傾斜長(zhǎng)度為230 m，工作面采煤高度為3.5 m，放煤高度為7.7 m，直接頂巖層主要為泥巖與砂質(zhì)泥巖，平均厚度為11.4 m，基本頂主要為粉砂巖與細(xì)砂巖，平均厚度為23.4 m，工作面通風(fēng)方式為U型通風(fēng)。8204工作面推進(jìn)方向長(zhǎng)度為1 020 m，傾斜長(zhǎng)度為207 m，開采煤層平均厚度為14.3 m，工作面采高為3.5 m，放煤高度為10.8 m，通風(fēng)方式與8212工作面相同，為U型通風(fēng)方法。

2 工作面瓦斯與來(lái)壓關(guān)系分析

在8212工作面回采過(guò)程中，對(duì)工作面頂板發(fā)生來(lái)壓情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同時(shí)對(duì)發(fā)生來(lái)壓時(shí)的瓦斯涌出情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從而得到瓦斯涌出量與工作面來(lái)壓之間的關(guān)系，見圖1。從圖中可以看出，當(dāng)工作面發(fā)生來(lái)壓時(shí)，空氣中的瓦斯含量出現(xiàn)明顯的上升情況，瓦斯涌出量超過(guò)正常含量的50%以上；在工作面采空區(qū)上隅角與回風(fēng)巷道內(nèi)，瓦斯含量變化幅度較小，瓦斯含量變化較大的區(qū)域主要在瓦斯預(yù)抽巷內(nèi)，表明在工作面布置瓦斯預(yù)抽巷可以起到較好的瓦斯抽采效果。但工作面發(fā)生周期來(lái)壓時(shí)，預(yù)抽巷內(nèi)的瓦斯含量出現(xiàn)急劇增大，最大達(dá)到2.58%，可以看出當(dāng)工作面發(fā)生來(lái)壓時(shí)，采空區(qū)中的瓦斯大量涌入到工作面中，導(dǎo)致工作面瓦斯含量的突增。

圖1 工作面來(lái)壓與瓦斯含量變化關(guān)系圖

工作面各種來(lái)壓現(xiàn)象主要因?yàn)楦矌r巖層的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，巖層的彎曲、破斷規(guī)律形成了工作面初次來(lái)壓、周期來(lái)壓，根據(jù)上文分析可知，工作面頂板巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與來(lái)壓強(qiáng)度對(duì)采空區(qū)瓦斯的涌出情況有著決定性的作用。根據(jù)國(guó)家煤礦頂板分類標(biāo)準(zhǔn)，該工作面直接頂屬于第Ⅲ類穩(wěn)定頂板，基本頂為第Ⅳ類穩(wěn)定頂板，頂板來(lái)壓強(qiáng)度均比較大。由于工作面頂板來(lái)壓步距較大，懸頂長(zhǎng)度增大導(dǎo)致煤壁區(qū)域承受壓力增大，煤壁區(qū)破碎程度較高，內(nèi)部產(chǎn)生許多節(jié)理裂隙，形成了瓦斯的運(yùn)移通道，導(dǎo)致工作面瓦斯涌出量的增大。

3 工作面煤體瓦斯?jié)B流特征分析

工作面煤層的開挖會(huì)引起周圍巖體應(yīng)力重新分布，在煤壁前方形成應(yīng)力集中區(qū)，而在采空區(qū)后方形成應(yīng)力降低區(qū)[4]。上文研究表明頂板巖層的破斷規(guī)律對(duì)瓦斯涌出規(guī)律有著決定性作用，由于該礦井頂板巖層硬度較大，懸頂長(zhǎng)度的增大導(dǎo)致煤壁前方應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)承載增大，形成大量裂隙，煤層瓦斯?jié)B透率也有了很大的提升，在此區(qū)域內(nèi)瓦斯出現(xiàn)卸壓情況，并且流動(dòng)性有了很大的提升。對(duì)8212工作面推進(jìn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到工作面推進(jìn)距離與圍巖應(yīng)力分布關(guān)系，即工作面前方120 m范圍內(nèi)為應(yīng)力升高區(qū)域，煤壁前方40 m范圍應(yīng)力水平較高，受工作面回采影響較大，煤壁后方采空區(qū)18 m范圍內(nèi)應(yīng)力較低，為應(yīng)力降低區(qū)。

圖2 工作面推進(jìn)距離與圍巖應(yīng)力關(guān)系圖

綜合上述分析結(jié)果，煤壁前方煤體依次為應(yīng)力升高、卸載以及恢復(fù)至原巖應(yīng)力三個(gè)區(qū)域，而在卸載區(qū)域內(nèi)，煤體內(nèi)裂隙較多，煤層滲透率會(huì)出現(xiàn)明顯增大，瓦斯流動(dòng)性強(qiáng)，在此區(qū)域內(nèi)對(duì)瓦斯進(jìn)行抽采可以提高工作面瓦斯抽采效果，減小工作面來(lái)壓時(shí)瓦斯涌出量。

4 工作面瓦斯抽采方案

4.1 瓦斯抽采方案設(shè)計(jì)

根據(jù)上述研究結(jié)果，針對(duì)該礦井特厚煤層工作面條件，采用瓦斯高抽巷+地面瓦斯鉆井相結(jié)合的瓦斯抽采方案。

圖3 8212瓦斯抽采示意圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，8212工作面采空區(qū)內(nèi)瓦斯分布規(guī)律如下：采空區(qū)與煤壁距離越大，瓦斯?jié)舛仍礁?；在工作面傾斜方向，回風(fēng)巷一側(cè)瓦斯?jié)舛却笥谶M(jìn)風(fēng)巷一側(cè)；縱向上，水平較高位置瓦斯?jié)舛却笥谒捷^低位置。因此首先采取布置瓦斯高抽巷的方法對(duì)煤層瓦斯進(jìn)行抽采，8212工作面瓦斯高抽巷布置在3-5#煤層上方，與煤層頂板垂直距離為20 m，水平與工作面回風(fēng)巷為內(nèi)錯(cuò)關(guān)系，內(nèi)錯(cuò)距離20 m。高抽巷內(nèi)瓦斯抽采量在750 m3/min～1 500 m3/min范圍內(nèi)，工作面通風(fēng)方式變更為U+I型通風(fēng)，巷道布置見圖3。該方法可將采空區(qū)內(nèi)的瓦斯流向高抽巷，令采空區(qū)上隅角瓦斯涌出量減小，降低了工作面空氣中瓦斯?jié)舛?，為保證瓦斯抽采效果，在抽采過(guò)程中，上隅角的瓦斯含量不得超過(guò)0.46%，回風(fēng)流中瓦斯含量不得超過(guò)0.37%。

圖4 地面直井抽采示意圖

由于工作面開采過(guò)后，采空區(qū)頂板破斷隨著工作面推進(jìn)距離的增大，逐漸呈現(xiàn)O性破斷特征，頂板破斷形成的裂隙同樣呈現(xiàn)O型圈，即在采空區(qū)邊緣頂板內(nèi)裂隙發(fā)育要多于采空區(qū)中部頂板巖層。根據(jù)此頂板破斷結(jié)果，采用地面直井瓦斯抽采方法對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采。通過(guò)在地面鉆井直接接入采空區(qū)內(nèi)，鉆井位置沿O型圈布置，通過(guò)地面抽采系統(tǒng)的壓力，將采空區(qū)內(nèi)的瓦斯聚集到該O型圈范圍內(nèi)，通過(guò)巖層中的裂隙等進(jìn)入到鉆井中實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯的抽采。對(duì)于相鄰未采的的8204工作面，地面瓦斯抽采鉆井沿工作面走向進(jìn)行布置，鉆孔以切眼前30 m為起點(diǎn)開始布置，鉆井間距為50 m，鉆井深度根據(jù)煤層埋深確定，深度約為450 m，鉆井與8204工作面回風(fēng)巷呈內(nèi)錯(cuò)關(guān)系，內(nèi)錯(cuò)距離在15 m～40 m范圍內(nèi)，鉆井布置如圖4所示。當(dāng)工作面推進(jìn)至與抽采鉆井15m距離時(shí)開始對(duì)瓦斯進(jìn)行抽采，瓦斯抽采流量設(shè)計(jì)為1 270 m3/min，抽采過(guò)程中采空區(qū)上隅角瓦斯含量應(yīng)不得超過(guò)0.8%范圍內(nèi)，回風(fēng)流中瓦斯含量應(yīng)不得超過(guò)0.4%范圍內(nèi)。

4.2 抽采效果分析

在工作面瓦斯抽采方案確定后，對(duì)20天內(nèi)上隅角與回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖5。從圖中可以看出，上隅角與回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛扔辛嗣黠@的下降，瓦斯?jié)舛仍诘谌旌箝_始后基本穩(wěn)定，上隅角瓦斯?jié)舛仍?.3%～0.5%范圍內(nèi)，回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛染S持在0.2%～0.35%范圍內(nèi)，瓦斯?jié)舛容^小，表明采用瓦斯抽采措施后，能夠有效的降低工作面中瓦斯含量。

圖5 瓦斯?jié)舛茸兓瘓D

5 結(jié)論

本文以山西某礦特厚煤層工作面地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，對(duì)工作面來(lái)壓與瓦斯涌出量關(guān)系進(jìn)行了研究，并對(duì)瓦斯涌出量突增的機(jī)理進(jìn)行了分析，提出了采用瓦斯高抽巷+地面瓦斯鉆井相結(jié)合的瓦斯抽采方案，并對(duì)瓦斯高抽巷布置方案與地面瓦斯抽采鉆井方案進(jìn)行了確定，從而解決工作面瓦斯含量超限的情況，對(duì)礦井安全、高效生產(chǎn)具有重要的意義。