急傾斜特厚煤層水平分段開采瓦斯預(yù)抽技術(shù)

陳建強(qiáng)，胡延偉，劉昆輪，王 剛，3，范酒源

(1.神華新疆能源有限責(zé)任公司，烏魯木齊 830027； 2.山東科技大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院，青島 266590；3.山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制-省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，青島 266590)

中國是能源生產(chǎn)、消費(fèi)大國，生產(chǎn)方面占全球總產(chǎn)量的18.9%，消費(fèi)方面占全世界能源消費(fèi)量的22.4%，兩者之和凈增長為49%，這里面的主要能源是煤，占全球生產(chǎn)總量的47.4%[1-2]。目前世界上的主要產(chǎn)煤國，如美國、中國、加拿大以及澳大利亞等均在進(jìn)一步探索瓦斯抽采的方法，充分利用煤層瓦斯[3-6]。在礦井生產(chǎn)過程中，瓦斯事故[7]在中國煤礦災(zāi)害中占據(jù)重大的比例，而煤層瓦斯預(yù)抽[8]是對礦井瓦斯災(zāi)害產(chǎn)生防治的重要手段。

瓦斯抽采[9-11]對提高煤礦井下采掘效率、保障礦井生產(chǎn)安全有著至關(guān)重要的作用。中外專家學(xué)者研究表明[12-16]，對礦井煤層進(jìn)行瓦斯預(yù)抽可以有效解決礦井巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛瘸迒栴}，并能消除或降低采掘工作面煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性。急傾斜煤層采用綜采分段放頂煤采煤法后，采煤效率和生產(chǎn)延深速度大幅度提高，煤礦的瓦斯涌出絕對量和相對量都增加很快，特別是在瓦斯災(zāi)害防治的同時還需防治煤自燃、沖擊礦壓、頂煤及頂板過量垮落等，容易導(dǎo)致煤礦防災(zāi)治災(zāi)工程與采掘工程之間出現(xiàn)失調(diào)。因此更加需要研究急傾斜煤層水平分段開采預(yù)抽瓦斯，以保證生產(chǎn)的安全性和提高生產(chǎn)效率。

以烏東煤礦為例，通過對開采后的瓦斯來源與流動通道的分析，研究了急傾斜特厚煤層瓦斯的流動特征，進(jìn)而為了降低開采過程中涌向開采分層工作面的瓦斯量，考慮到烏東煤礦瓦斯賦存情況，采用現(xiàn)場試驗(yàn)法和極限抽采時間法相結(jié)合的方式明確了烏東煤礦煤層瓦斯抽采半徑，提出了“網(wǎng)”狀分布鉆孔的掘進(jìn)工作面預(yù)抽煤層瓦斯技術(shù)，以期降低采煤期間發(fā)生瓦斯災(zāi)害的概率。

1 急傾斜特厚煤層水平段開采瓦斯流動特征

急傾斜特厚煤層開采后，頂板存在大量的裂隙通道，為瓦斯運(yùn)移提供了裂隙條件，開采分段上部采空區(qū)遺煤所解吸出的瓦斯逐漸沿裂隙場向地表方向運(yùn)移，但在距離開采分段較近的位置，受工作面負(fù)壓通風(fēng)的影響，部分解吸瓦斯會向開采分層運(yùn)移，涌入采煤分層工作面的瓦斯量加大；本分層采空區(qū)遺煤解吸的瓦斯沿裂隙發(fā)育區(qū)域向上運(yùn)移，在負(fù)壓的作用下涌向工作面；底部煤體卸壓程度較高，導(dǎo)致大量卸壓瓦斯涌入生產(chǎn)空間，如圖1所示。

圖1 急傾斜特厚煤層開采瓦斯涌出來源Fig.1 Gas emission source of mining in steep and extra thick coal seam

2 工程概況

實(shí)施急傾斜特厚煤層水平分段開采瓦斯預(yù)抽技術(shù)研究的試驗(yàn)地點(diǎn)位于烏東煤礦，烏東煤礦位于中國西北部的新疆，采用水平分段綜采放頂煤開采方法如圖2所示，全部冒落法管理煤層頂板，工作面長度45 m，開采分段高度為22～25 m(設(shè)計(jì)采放比為1∶8～1∶7)，設(shè)計(jì)回采長度為1 124 m。地表標(biāo)高+739.2～+934.0 m，主要開采45#煤層和43#煤層，煤層傾角45°。工作面地質(zhì)構(gòu)造較簡單，無大的斷層及構(gòu)造，局部存在小的褶曲，并有裂隙、節(jié)理發(fā)育帶，煤層破碎易冒落。+600 m水平43#煤層?xùn)|翼工作面位于副井以東2 973 m，東部為鐵廠溝河，南部為43#煤層頂板，西部為+600 m水平43#煤層西翼封閉巷道，工作面東部為+600 m水平45#煤層回采巷道，上部為+620 m水平43#煤層?xùn)|翼回采采空區(qū)，工作面下部為原始43#煤層，沒有采動影響。地表為荒山丘陵、無公路、河流及建筑設(shè)施，煤層的平均厚度40 m。該生產(chǎn)水平，設(shè)計(jì)階段高度為20 m，工作面下部為原始43#煤層，沒有采動影響。

圖2 急傾斜特厚煤層開采獨(dú)特的開采方式Fig.2 Unique mining method for steep and thick seam mining

烏東礦區(qū)構(gòu)造的分布特征，演化受博格達(dá)山的影響，主體是NE向展布。燕山運(yùn)動開始發(fā)育的NE向構(gòu)造，在喜馬拉雅期得到快速發(fā)展。在烏東礦區(qū)瓦斯賦存受八道灣向斜控制作用明顯，向斜南翼地層傾角大，瓦斯含量小，在向斜北翼，地層傾角緩，瓦斯含量大，并趨于向斜軸部瓦斯增大的趨勢。

從烏東煤礦的煤層分布特征可知，急傾斜特厚煤層分布呈現(xiàn)立體大面積分布，所以預(yù)抽煤層瓦斯有別于常規(guī)礦井，為此研究煤層準(zhǔn)確的解吸半徑，并提出這種煤層構(gòu)造方式下的特殊鉆孔布置位置至關(guān)重要。

3 預(yù)抽煤層瓦斯技術(shù)研究

在急傾斜特厚煤層水平分層開采過程中，采取預(yù)抽鉆孔進(jìn)行開采煤層瓦斯抽采，達(dá)到降低開采過程中涌向開采分層工作面瓦斯量的目的，經(jīng)過一定預(yù)抽時間之后，降低開采分層的煤層瓦斯含量和煤層瓦斯壓力，滿足抽采達(dá)標(biāo)后，開始進(jìn)行煤體開采。

3.1 預(yù)抽煤層瓦斯抽采有效半徑考察試驗(yàn)

當(dāng)前對抽采有效半徑的考察主要有以下三種方法：降壓法、瓦斯含量法和流量法?；跒鯑|煤礦實(shí)際情況采用瓦斯含量法測定抽采有效半徑。

3.1.1 瓦斯抽采鉆孔施工及實(shí)驗(yàn)

瓦斯抽采半徑測定工作是在施工抽采鉆孔(孔號ZK1)的過程中取煤芯，在實(shí)驗(yàn)室完成煤層瓦斯含量測定工作。鉆孔的施工參數(shù)及抽采效果記錄如表1所示。

將數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB進(jìn)行多元回歸數(shù)據(jù)處理，最終得到的上述數(shù)據(jù)符合式(1)，將數(shù)據(jù)擬合的公式計(jì)算數(shù)據(jù)反代回實(shí)測數(shù)據(jù)，得到實(shí)測數(shù)據(jù)和擬合數(shù)據(jù)之間的關(guān)系曲線和二者之間的誤差曲線如圖3所示。

y=5.322x0.271e0.091t

(1)

表1 鉆孔的施工參數(shù)及抽采效果記錄

圖3 實(shí)測值與擬合值的關(guān)系及誤差曲線Fig.3 Relationship between measured value and fitted value and error curve

通過擬合分析知：實(shí)測值和擬合值誤差最大為6.2%，最小為0.9%，平均為3.59%，說明式(1)擬合度較高。

3.1.2 抽采半徑研究

(1)極限抽采時間。

因鉆孔抽采量的衰減規(guī)律呈負(fù)指數(shù)關(guān)系(圖4)。當(dāng)采用單孔抽采瓦斯實(shí)測，為避免不同鉆孔的見煤長度和半徑影響，將計(jì)量結(jié)果統(tǒng)一以百米鉆孔抽采量表示，并進(jìn)行回歸分析。回歸分析式為

qt=q0e-βt

(2)

圖4 抽采鉆孔流量衰減圖Fig.4 Flow attenuation diagram of extraction borehole

式(2)中：t為鉆孔抽采瓦斯時間，d；qt為百米鉆孔抽采時間t時鉆孔瓦斯抽采量，m3/(hm·min)；q0為初始抽采量，m3/(hm·min)；β為涌出衰減系數(shù)，由現(xiàn)場實(shí)際考察測得。

鉆孔抽采瓦斯的影響范圍是隨著時間的延續(xù)而不斷擴(kuò)大的，但影響范圍是有極限的，達(dá)到這個范圍的時間為極限抽采時間，沒有必要再延長抽采時間。極限抽采時間[17-18]表示為

(3)

(2)抽采半徑確定。

烏東煤礦不是瓦斯突出礦井，沒有明確的突出深度，因此確定抽采鉆孔的抽采有效半徑的依據(jù)為：《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定預(yù)抽率達(dá)到30%。在抽采鉆孔施工過程中，測得煤層原始煤層瓦斯含量為6.26 m3/t。當(dāng)煤層瓦斯含量降低至6.26(1-30%)=4.382 m3/t時，認(rèn)為瓦斯抽采達(dá)標(biāo)，即當(dāng)單個鉆孔經(jīng)過時間t抽采之后，瓦斯含量減低至4.382 m3/t處對應(yīng)位置至鉆孔中心線的距離定義為在烏東煤礦在當(dāng)年抽采條件下進(jìn)行抽采t時間后的抽采有效半徑r。將瓦斯含量為4.382 m3/t代入，得：

(4)

可以得到烏東煤礦在當(dāng)前抽采條件下抽采的半徑與抽采時間關(guān)系如圖5所示。

圖5 抽采的半徑與抽采時間關(guān)系Fig.5 Relation between extraction radius and extraction time

在抽采180 d時抽采半徑為2.70；抽采90 d時瓦斯抽采半徑為2.1 m。根據(jù)抽采極限時間得到抽采的極限半徑為2.76 m。這與進(jìn)行數(shù)值分析烏東煤礦合理的抽采間距抽采180 d在6 m左右基本吻合。通過抽采間距的確定進(jìn)一步提出瓦斯抽采技術(shù)。

3.2 掘進(jìn)工作面瓦斯抽采技術(shù)

根據(jù)前文內(nèi)容提出掘進(jìn)工作面瓦斯抽采技術(shù)，掘進(jìn)工作面瓦斯治理是在本分層巷道掘進(jìn)一幫施工瓦斯抽采硐室，相鄰兩個鉆場之間的間距為120 m，施工順層長鉆孔進(jìn)行煤層瓦斯抽采，以保證掘進(jìn)工作面的正常掘進(jìn)，在立體煤層中網(wǎng)狀布置鉆孔，掩護(hù)式邊掘邊抽鉆孔布置如圖6和圖7所示。

圖6 瓦斯抽放鉆孔位置圖Fig.6 Location of gas drainage borehole

圖7 抽放鉆孔剖面圖Fig.7 Sectional drawing of extraction and drilling

3.3 預(yù)抽效果分析

為了分析掘進(jìn)面采取掘進(jìn)前預(yù)抽起到的瓦斯治理效果，對巷道+600 m水平45#西巷道在風(fēng)量掘進(jìn)過程中的瓦斯?jié)舛纫约跋锏拦╋L(fēng)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，分析掘進(jìn)預(yù)抽對巷道瓦斯治理的效果，為進(jìn)一步提出合理參數(shù)提供理論依據(jù)。圖8為掘進(jìn)巷道迎頭和掘進(jìn)巷道回風(fēng)瓦斯?jié)舛茸兓瘓D。

圖8 掘進(jìn)巷道迎頭和回風(fēng)平均瓦斯?jié)舛确植糉ig.8 Distribution of average gas concentration at the head and in return air of driving roadway

從圖8中可以看出，在2014年6月瓦斯?jié)舛扰c瓦斯涌出量均較大，巷道頭的瓦斯?jié)舛绕骄档淖畲笾禐?.28%左右，巷道回風(fēng)中瓦斯?jié)舛绕骄档淖畲笾翟?.54%左右，之后迎頭瓦斯?jié)舛绕骄档偷?.08%，回風(fēng)巷道的平均瓦斯?jié)舛冉档偷?.30%，根據(jù)巷道掘進(jìn)情況，烏東煤礦45#西和45#東是交替掘進(jìn)，由瓦斯涌出量較小可知，該期間巷道尚未掘進(jìn)。從2014年7月下旬開始瓦斯?jié)舛纫约巴咚褂砍隽恐饾u開始增加，在2014年8月中旬巷道在掘進(jìn)過程中回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛绕骄翟?.6%左右，而掘進(jìn)期與非掘進(jìn)時期瓦斯?jié)舛却蠹s相差0.1%。因此，在巷道迎頭布置鉆孔預(yù)抽瓦斯，期間巷道內(nèi)平均瓦斯?jié)舛取⑼咚褂砍隽恐饾u減小，這是因?yàn)橄锏啦]有先前掘進(jìn)，隨著巷道暴露時間的增加，煤壁瓦斯涌出量逐漸降低。鉆孔進(jìn)行拆除之后，進(jìn)行了巷道掘進(jìn)，巷道與2015年1月22日開始掘進(jìn)，截至2015年1月31日，巷道迎頭的平均瓦斯?jié)舛仍?.1%左右，巷道回風(fēng)平均瓦斯?jié)舛葹?.38%，巷道累計(jì)掘進(jìn)91 m，平均進(jìn)尺9 m/d。巷道在2015年2月1日—2015年2月8日掘進(jìn)過程中，其巷道迎頭瓦斯?jié)舛仍?.20%左右，巷道回風(fēng)瓦斯?jié)舛绕骄鶠?.47%，長期維持在0.5以上，最大瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.66%，巷道掘進(jìn)共計(jì)6 d，累計(jì)進(jìn)尺44.8 m，平均進(jìn)尺為7.4 m/d。

從預(yù)抽效果可知，烏東煤礦急傾斜巷道掘進(jìn)進(jìn)行預(yù)抽時，鉆孔可以控制到巷道頂、底板一側(cè)，巷道底部控制至少5 m，在預(yù)抽瓦斯鉆孔施工長度為150 m情況下，可以正常掘進(jìn)90 m，掘進(jìn)90 m左右之后巷道瓦斯涌出量則會明顯增加。對明確瓦斯災(zāi)害治理方案的研究具有重要的工程意義。

4 結(jié)論

(1)通過分析急傾斜特厚煤層水平段開采瓦斯流動特征，得到瓦斯來源較多，且煤層瓦斯涌出量大，提出了研究預(yù)抽煤層瓦斯的必要性。

(2)通過對鉆孔取芯數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，擬合出預(yù)抽煤層瓦斯抽采有效半徑的計(jì)算公式，進(jìn)行實(shí)測值和擬合值的誤差分析后可知誤差范圍在0.9%～4.02%，平均值為3.59%，可以證明擬合度較高，應(yīng)用性強(qiáng)。

(3)通過極限抽采時間的方法，確定出有效半徑為6 m左右，提出針對急傾斜特厚煤層中“網(wǎng)”狀分布鉆孔的掘進(jìn)工作面瓦斯抽采技術(shù)，該技術(shù)應(yīng)用于烏東煤礦后，分析掘進(jìn)巷道迎頭和回風(fēng)巷的平均瓦斯?jié)舛确植?，?yàn)證可知預(yù)抽效果較好，對于后期瓦斯災(zāi)害治理具有重要指導(dǎo)意義。