近水平中近距離煤層群煤與瓦斯協(xié)調(diào)開采技術(shù)研究*

黃振飛，李生舟，劉 軍

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

0 引言

量理論與實(shí)踐證明開采保護(hù)層是增大煤層透氣性、提高瓦斯抽放率、防治煤與瓦斯突出的一種安全高效措施，我國(guó)相關(guān)法規(guī)政策也要求“可保必備”[1～3]。

目前我國(guó)在保護(hù)層開采方面開展了大量的試驗(yàn)工作，總結(jié)了不少保護(hù)層開采方面的成果及經(jīng)驗(yàn)。但我國(guó)幅員遼闊，具體到不同礦區(qū)煤層群賦存條件以及礦區(qū)大的構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境下，保護(hù)層開采保護(hù)范圍參數(shù)及保護(hù)效果又有很大的差異[4～6]。

陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司下峪口煤礦開采中近距離煤層群2#和3#煤層，其中2#煤層屬于薄～極薄突出煤層，且發(fā)生過疑似沖擊的動(dòng)力災(zāi)害，但總體而言，其突出危險(xiǎn)性較3#煤層小，因此礦井開采近距離薄煤層2#煤層作為嚴(yán)重突出3#煤層的上保護(hù)層。

2#煤層回采前從工作面順槽內(nèi)施工下向穿層鉆孔預(yù)抽被保護(hù)層卸壓瓦斯?；旧夏軌蚪鉀Q主采3#煤層的突出災(zāi)害防治問題，但多年來未對(duì)具體的保護(hù)參數(shù)、抽采時(shí)空規(guī)律等研究，僅靠大概經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)“采、掘、抽”工作安排，因此未能充分利用保護(hù)層開采的保護(hù)效果。

1 試驗(yàn)工作面概況

下峪口煤礦4216工作面長(zhǎng)623.7m，可采長(zhǎng)度503.9m，切眼寬169m。工作面煤層底板標(biāo)高+355～+411.4m，距地表垂深 497～538m。4216工作面2#煤層距上覆2#上煤層5.0～6.5m，距下伏3#煤層7.6～13.2m。工作面煤層厚度0.5～2.2m，平均厚度0.97m。綜合柱狀如圖1所示。

4216工作面采用傾斜長(zhǎng)壁采煤法，綜合機(jī)械化后退式仰斜采煤，全部垮落法管理頂板，工作面通風(fēng)系統(tǒng)為Y型通風(fēng)。21326工作面位于4216工作面的下部呈內(nèi)錯(cuò)布置。21326工作面進(jìn)順內(nèi)錯(cuò)上覆4216工作面進(jìn)順13m，回順內(nèi)錯(cuò)4216工作面運(yùn)順11m，沿煤層頂板掘進(jìn)。

圖1 試驗(yàn)區(qū)保護(hù)層與被保護(hù)層相對(duì)位置圖

2 近距離上保護(hù)層開采卸壓角考察結(jié)果

保護(hù)層開采后圍巖應(yīng)力重新分布和煤巖體變形是被保護(hù)層瓦斯動(dòng)力參數(shù)變化的根本原因，被保護(hù)層變形和瓦斯動(dòng)力參數(shù)存在因果關(guān)系，被保護(hù)層的有效保護(hù)特征是卸壓膨脹變形達(dá)到一定數(shù)量和殘余瓦斯壓力或含量等參數(shù)降低到安全值以下；《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》等有關(guān)規(guī)范要求被保護(hù)層法向膨脹變形不小于3‰，殘余瓦斯壓力小于0.74MPa（或殘余瓦斯含量小于8m3/t）。4216工作面開采對(duì)3#煤層有效保護(hù)范圍通過考察被保護(hù)煤層在保護(hù)層開采膨脹變形來確定，采用BC-I型變形測(cè)定儀進(jìn)行了卸壓角考察?？疾旖Y(jié)果如圖2所示。

圖2 上保護(hù)層開采對(duì)下伏3#煤層走向保護(hù)范圍剖面圖

韓城礦區(qū)存在6級(jí)淺源地震地壓背景，井田煤系地層層滑構(gòu)造發(fā)育、煤層走向主應(yīng)力顯著增大；2#煤層走向高側(cè)壓系數(shù)減小防突卸壓保護(hù)角。因此，下峪口煤礦2#煤層保護(hù)層工作面傾斜條帶開采后其走向卸壓角相對(duì)減小。

3 煤層群開采協(xié)調(diào)開采方案優(yōu)選

基于保護(hù)層開采保護(hù)范圍考察結(jié)果及上保護(hù)2#煤層厚度薄、地應(yīng)力主導(dǎo)動(dòng)力危險(xiǎn)的特點(diǎn)，提出了兩種可行的煤層群煤與瓦斯協(xié)調(diào)開采方案。

方案I：3#煤層工作面底板布置兩條底板巖巷，距3#煤層底板法向距離15m，一條底板巖巷相對(duì)于2#煤層工作面運(yùn)順內(nèi)錯(cuò)20m，一條巖巷相對(duì)2#煤層工作面回順外錯(cuò)20m，3#煤層兩順布置在2#煤層保護(hù)范圍內(nèi)，2#煤層下一工作面采用留小煤柱(3m)沿空掘巷或充填留巷，巷道布置如圖3所示。

圖3 方案Ⅰ巷道布置平面示意圖

3#煤層底板巷穿層鉆孔預(yù)抽2#煤層煤巷條帶區(qū)域防突，順槽掘進(jìn)后從兩順施工順層鉆孔預(yù)抽2#煤層工作面回采區(qū)域煤層瓦斯；3#煤層采取上保護(hù)層2#煤層開采結(jié)合底板巷穿層鉆孔卸壓瓦斯抽采進(jìn)行區(qū)域防突。

圖4 方案I穿層鉆孔布置示意圖

方案II：2#煤層上保護(hù)層采掘工作面采取順層長(zhǎng)鉆孔區(qū)域抽采等綜合防突措施，在其回采巷沿空充填留巷施工下向孔抽采被保護(hù)層卸壓瓦斯區(qū)域防突，并在回風(fēng)巷施工高位鉆孔(若存在上鄰近層)、采空區(qū)埋管進(jìn)行采空區(qū)埋管抽采預(yù)防保護(hù)層開采瓦斯超限；被保護(hù)層3#煤層采掘工作面順層鉆孔強(qiáng)化“抽采達(dá)標(biāo)”實(shí)現(xiàn)放頂煤開采。3#回采巷道布置2#煤層保護(hù)范圍內(nèi)，保層工作面采用沿空留巷，如圖5所示。

圖5 方案Ⅱ巷道布置示意圖

2#煤層突出危險(xiǎn)性相對(duì)較小同時(shí)具有弱沖出傾向性，采用順鉆孔卸壓為主預(yù)抽為輔進(jìn)行區(qū)域防治，即順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域、煤巷條帶區(qū)域煤層瓦斯；3#煤層保護(hù)區(qū)采用在沿空留巷的兩幫施工下向穿層鉆孔進(jìn)行強(qiáng)化抽采卸壓瓦斯，在保護(hù)層工作面兩順超前施工下向穿層鉆孔預(yù)測(cè)未保護(hù)區(qū)煤巷條帶、回采區(qū)域煤層瓦斯，如圖6所示。

圖6 方案Ⅱ鉆孔布置示意圖

對(duì)于上述三種方案，從下峪口煤礦突出煤層瓦斯治理方案瓦斯治理工程、投資對(duì)比分析見表1，安全可靠性等方面的對(duì)比分析見表2。

上保護(hù)層2#煤層為極薄～薄煤層，具有突出危險(xiǎn)，主要表現(xiàn)為應(yīng)力主導(dǎo)型動(dòng)力災(zāi)害，2#煤層動(dòng)力災(zāi)害防治措施以卸壓為主，瓦斯抽采為輔，綜合考慮安全及技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，采用方案III沿空留巷下向穿層鉆孔卸壓瓦斯抽采。

表1 防突工程及投資對(duì)比分析

表2 方案優(yōu)缺點(diǎn)比較分析表

4 卸壓瓦斯抽采與工作面的時(shí)空關(guān)系

為掌握被保護(hù)3#煤層鉆孔瓦斯抽采量與保護(hù)層工作面動(dòng)態(tài)時(shí)空關(guān)系，對(duì)下向穿層鉆孔卸壓瓦斯抽采隨工作面推進(jìn)情況進(jìn)行了考察。

4.1 保護(hù)層開采卸壓效果考察

4215采面切眼附近測(cè)壓鉆孔隨工作面開采的瓦斯壓力變化曲線如圖7所示，3#煤層瓦斯壓力(未抽采)由1.68MPa逐漸變化為0.78MPa，2#煤層開采后的2個(gè)月左右內(nèi)為3#煤層瓦斯移動(dòng)的活躍期，以后瓦斯緩慢釋放。測(cè)壓區(qū)域2＃煤距下部3＃煤18～23m，雖2#煤層的開采使3#煤層瓦斯壓力明顯下降，但若不結(jié)合卸壓瓦斯抽采，3#煤層仍具有一定的突出危險(xiǎn)性。

圖7 3#煤層瓦斯壓力隨2#煤層開采的變化曲線

4.2 下向鉆孔卸壓瓦斯抽采效果考察

下峪口煤礦對(duì)2#煤層保護(hù)層4216回采工作面兩順設(shè)計(jì)施工下向鉆孔抽采3#煤層被保護(hù)層卸壓瓦斯，距采面切眼5m開始布置第一組，每組6個(gè)鉆孔，開孔間距1m，3#煤層底板終孔間距25m，設(shè)計(jì)施工鉆孔36組，每組間距15m，共216個(gè)鉆孔。

為掌握被保護(hù)3#煤層鉆孔瓦斯抽采量與保護(hù)層工作面動(dòng)態(tài)時(shí)空關(guān)系，選擇第12組鉆場(chǎng)對(duì)抽放瓦斯流量、濃度進(jìn)行跟蹤考察，鉆孔卸壓瓦斯抽采效果與保護(hù)層工作面動(dòng)態(tài)時(shí)空關(guān)系如圖8所示；不同鉆孔抽采濃度隨抽放時(shí)間的變化關(guān)系曲線如圖9所示。

圖8 卸壓瓦斯抽采與保護(hù)層工作面動(dòng)態(tài)關(guān)系曲線

圖9 鉆孔抽采濃度隨抽放時(shí)間的關(guān)系曲線

1）根據(jù)工作面與鉆孔位置關(guān)系分析，在保護(hù)層工作面采過后，第12組鉆孔接入抽采系統(tǒng)，在距工作面迎頭23m范圍內(nèi)，卸壓瓦斯抽采濃度2%～16%，流量0.13～0.21m3/min；在滯后工作面24～42m范圍內(nèi)，受采動(dòng)影響，下伏3#煤層裂隙發(fā)育擴(kuò)展，煤層透氣性顯著提高，抽采濃度和抽采流量明顯增加，為之前的1.9～25倍，卸壓瓦斯抽采濃度30%～50%，抽采流量0.85～1.13m3/min；隨著3#煤層瓦斯的抽采，在滯后工作面43m后，由于采動(dòng)裂隙閉合及煤層瓦斯的消耗，瓦斯抽采濃度開始波動(dòng)下降，考察的第12組鉆孔瓦斯抽采濃度降低至3%～17%。

從卸壓瓦斯抽采效果分析得上覆2#回采后，采空區(qū)后方24～42m范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的下伏3#煤抽采瓦斯?jié)舛群图兞髁繛樽罴褏^(qū)域，說明滯后工作面24～42m為卸壓瓦斯最活躍區(qū)域。

2）卸壓瓦斯抽采一定時(shí)間后，瓦斯抽采濃度及流量均會(huì)出現(xiàn)一定的衰減，因而保護(hù)層4216工作面回采期間底板穿層鉆孔卸壓瓦斯抽采量、濃度總體較小，抽采瓦斯?jié)舛?.8%～16.5%，抽采瓦斯流量 3.8～9.4m3/min。

3）根據(jù)圖9可知，卸壓瓦斯抽采濃度隨著抽采時(shí)間增長(zhǎng)而逐步衰減，鉆孔瓦斯抽采濃度大于10%的時(shí)間可維持約2個(gè)月。

5 結(jié)論

針對(duì)下峪口煤礦中近距離煤層群開采條件，通過現(xiàn)場(chǎng)考察得出保護(hù)層保護(hù)卸壓角，分析對(duì)比選擇密集順層長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽2#煤層采掘工作面，回采巷沿空充填留巷施工下向孔抽采下伏被保護(hù)層卸壓瓦斯區(qū)域防突的開采方案最適合礦井災(zāi)害治理實(shí)際。中近距離上保護(hù)層開采期間，采動(dòng)影響能夠有效卸壓，提高被保護(hù)層的透氣性，滯后保護(hù)層工作面24～42m為卸壓瓦斯最活躍區(qū)域，卸壓瓦斯抽采濃度大于10%時(shí)間可維持2個(gè)月左右。

下峪口煤礦近水平中近距離煤層群煤與瓦斯協(xié)調(diào)開采技術(shù)研究成果能夠指導(dǎo)礦井其他區(qū)域相似條件上保護(hù)層開采瓦斯治理相關(guān)工作，取得較好的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)價(jià)值。