特厚煤層高強(qiáng)度綜放開采地面鉆孔抽采瓦斯技術(shù)研究

1 項(xiàng)目背景

該項(xiàng)目于2019 年12 月通過了中國煤炭工業(yè)協(xié)會組織的科技成果鑒定，研究成果為國際先進(jìn)水平。

近年來，隨著礦井開采深度增加，大同礦區(qū)部分礦井向石炭二疊系煤層轉(zhuǎn)移，瓦斯問題逐漸凸顯，特別是綜放工作面開采強(qiáng)度大，雖然煤層瓦斯含量較低，但瓦斯絕對涌出量卻較大。塔山礦是同煤集團(tuán)第一個(gè)大規(guī)模開采石炭系煤層的千萬噸級礦井，是典型的低瓦斯賦存高強(qiáng)度開采高瓦斯涌出開采條件，現(xiàn)主要開采石炭二疊系3-5#煤層，平均厚度為15.72 m，煤層瓦斯含量低、瓦斯壓力小，但在高強(qiáng)度綜放開采條件下，綜采落煤、放煤瓦斯涌出以及采空區(qū)瓦斯涌出疊加，造成其工作面瓦斯涌出量較大，正?；夭善陂g工作面瓦斯涌出量在20 m3/min～40 m3/min之間，瓦斯異常涌出時(shí)可以達(dá)到50 m3/min。針對同煤集團(tuán)塔山礦特厚煤層高強(qiáng)度綜放開采條件，大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司與平安煤礦瓦斯治理國家工程研究中心有限責(zé)任公司聯(lián)合開展了“特厚煤層高強(qiáng)度綜放開采地面鉆孔抽采瓦斯技術(shù)研究”，項(xiàng)目主要研究地面垂直鉆孔抽采瓦斯技術(shù)，以解決工作面瓦斯涌出量大的難題，保證礦井安全高效開采。

2 研究內(nèi)容

塔山礦最早采用工作面布置頂抽巷抽放治理工作面瓦斯，同時(shí)配合上隅角插管抽采、上下隅角粉煤灰墻封堵減少漏風(fēng)、懸掛風(fēng)簾處理局部瓦斯積聚等綜合治理措施。礦井從2014 年開始研究地面抽放治理井下瓦斯新途徑，首先在地面“L”型鉆孔抽采瓦斯技術(shù)方面進(jìn)行了工程實(shí)踐。為進(jìn)一步提高瓦斯治理成效，解決采空區(qū)瓦斯涌出量大的難題，探索應(yīng)用地面垂直鉆孔抽采瓦斯技術(shù)，但是在鉆孔布置位置、布置間距、抽采控制等方面需要針對性的理論研究和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)支撐，開展相關(guān)研究內(nèi)容有：

（1）塔山礦低瓦斯賦存高強(qiáng)度開采條件下瓦斯涌出規(guī)律分析：（1）收集塔山礦3-5#煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)，分析煤層瓦斯賦存規(guī)律；（2）統(tǒng)計(jì)分析工作面、上隅角、回風(fēng)等瓦斯監(jiān)控參數(shù)，研究回采落煤、放煤、周期來壓等條件對工作面瓦斯涌出的影響，分析上述開采條件下的瓦斯涌出特征。

（2）基于工作面開采應(yīng)力場、裂隙場、瓦斯場“三場”耦合規(guī)律的地面鉆孔最佳終孔位置及“一孔多用”方案研究：（1）以塔山礦8203綜放工作面為研究對象，通過理論分析、相似材料模擬等手段研究采場圍巖運(yùn)動、應(yīng)力場和裂隙場的演化、滲透率分布、覆巖裂隙“O”形圈特征以及瓦斯運(yùn)移富集規(guī)律等，綜合分析掌握綜放開采工作面“三場耦合”規(guī)律；（2）研究有利于地面垂直鉆孔瓦斯抽采的鉆孔最佳終孔位置，實(shí)現(xiàn)鉆孔抽采效率最大化；（3）根據(jù)采場覆巖運(yùn)動和應(yīng)力分布特征研究地面鉆孔“一孔多用”方案，實(shí)現(xiàn)鉆孔利用最大化。

（3）地面垂直鉆孔布置參數(shù)優(yōu)化研究及瓦斯治理效果考察：（1）研究地面垂直鉆孔在不同布置間距、內(nèi)錯(cuò)回風(fēng)巷距離、孔徑等抽采條件下對采空區(qū)瓦斯?jié)舛葓龅挠绊?，?yōu)化地面垂直鉆孔布置參數(shù)；（2）考察分析地面垂直鉆孔抽采期間抽采濃度、抽采量變化特征，以及地面鉆孔抽采對工作面上隅角、回風(fēng)流瓦斯?jié)舛群凸ぷ髅嫱咚褂砍龅挠绊憽?/p>

（4）地面垂直鉆孔抽采治理綜放工作面瓦斯技術(shù)綜合評價(jià)：根據(jù)地面垂直鉆孔抽采工業(yè)試驗(yàn)考察結(jié)果，綜合評價(jià)其技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效果，指導(dǎo)礦井的瓦斯治理技術(shù)決策。

3 主要研究成果

（1）特厚煤層綜放開采頂板破斷運(yùn)動特征：從切眼開始回采，工作面推進(jìn)到35 m 時(shí)，部分頂煤及直接頂出現(xiàn)裂隙，當(dāng)工作面推進(jìn)到40 m時(shí)，直接頂初次垮落，到42 m時(shí)直接頂完全冒落；到80 m時(shí)老頂?shù)谝淮沃芷趤韷?，頂板初次來壓后，頂板破壞形式基本上屬于梁破斷，呈周期性，模型?shí)測的周期來壓步距平均為22m。見圖1、圖2。

圖1 相似模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驼w圖

圖2 相似模擬實(shí)驗(yàn)周期來壓

（2）采空區(qū)覆巖垮落下沉規(guī)律：開采尺寸由40 m推進(jìn)到140 m時(shí)，垮落帶高度由4 m逐漸增加到65 m，當(dāng)開采到180 m以后時(shí)，垮落帶高度趨于穩(wěn)定，達(dá)到最大值70 m，約為采厚的4.6倍。

（3）超前支承壓力分布規(guī)律：煤體中超前支承壓力影響范圍54 m，峰值位置距工作面煤壁15 m，平均應(yīng)力峰值系數(shù)1.7；直接頂中超前支承壓力影響范圍66 m，峰值位置為距工作面煤壁19 m，平均應(yīng)力峰值系數(shù)1.5；老頂中超前支承壓力影響范圍78 m，峰值位置為距工作面煤壁24 m，平均應(yīng)力峰值系數(shù)1.4。

（4）綜放開采工作面“三場耦合”規(guī)律及地面鉆孔最佳終孔位置：在垂直向劃分為導(dǎo)氣裂隙帶、卸壓解吸帶和不易解吸帶，在水平向劃分為側(cè)向裂隙區(qū)、“O”型圈裂隙區(qū)和重新壓實(shí)區(qū)，地面鉆孔最佳終孔位置應(yīng)設(shè)置在豎向的導(dǎo)氣裂縫帶的上部且偏向回風(fēng)方向一側(cè)的“O”形圈內(nèi)。見圖3、圖4

圖3 不同回采距離采空區(qū)瓦斯?jié)舛鹊戎稻€圖

圖4 地面鉆孔抽采條件下工作面回采255m時(shí)采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植?/p>

（5）地面鉆孔“一孔多用”方案：在鉆孔超前工作面20～25 m 時(shí)，開始進(jìn)行采動卸壓抽采；在工作面推過鉆孔0～180 m范圍主要進(jìn)行采空區(qū)瓦斯抽采；在工作面推過鉆孔180 m 后可停止采空區(qū)抽采，利用地面立孔進(jìn)行采空區(qū)自然發(fā)火監(jiān)測和治理。

（6）地面鉆孔最佳布置參數(shù)：首個(gè)地面抽采鉆孔設(shè)置在距切眼30 m 以內(nèi)，第2～N 個(gè)抽采鉆孔合理間距在50～60 m；與回風(fēng)巷的內(nèi)錯(cuò)距離宜在15～25 m；抽采鉆孔孔徑設(shè)置宜在200～400 mm。見圖5

圖5 地面鉆孔“一孔多用”方案示意圖

4 應(yīng)用效果

項(xiàng)目研究成果在塔山礦進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，通過工作面回采期間的現(xiàn)場考察和數(shù)據(jù)分析得出，在地面垂直鉆孔超前工作面20 m左右開始，抽采濃度快速上升，鉆孔進(jìn)入采空區(qū)0～120 m期間各鉆孔的平均抽采濃度在3.92～6.71%，120 m 后各鉆孔的平均抽采濃度在1.81～4.66%。抽采期間回風(fēng)瓦斯?jié)舛茸兓秶话阍?.04%～0.58%，上隅角瓦斯?jié)舛茸兓秶话阍?.02%～0.78%，通過地面垂直鉆孔抽采措施，解決了正?；夭蓷l件下的上隅角和回風(fēng)瓦斯?jié)舛瘸迒栴}。