特厚煤層分層開采立體多源瓦斯治理技術(shù)應(yīng)用研究

劉 俊，黃光利，冉慶雷，陳鑫源

(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；3.河南省煤炭科學(xué)研究院有限公司，河南 鄭州 450001)

我國(guó)厚及特厚煤層資源儲(chǔ)量豐富，占探明儲(chǔ)量的 45%左右，是我國(guó)煤礦實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效開采的主力煤層[1-2]。伴隨著我國(guó)煤炭開發(fā)戰(zhàn)略布局西移，陜西、內(nèi)蒙、寧夏等區(qū)域特厚煤層經(jīng)過相當(dāng)一段時(shí)期的開采，逐漸進(jìn)入深部區(qū)域，面臨的瓦斯災(zāi)害問題日益凸顯。特厚煤層采用分層開采時(shí)，下伏分層卸壓瓦斯將大量涌入采動(dòng)空間，容易造成瓦斯積聚和超限。徐寧武等[3]分析了近水平特厚煤層分層開采瓦斯含量立體分布規(guī)律；程建圣[4]提出了特厚煤層分6個(gè)分層開采回采瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法；王忠樂[5]考察了急傾斜特厚煤層水平分層開采綜放工作面瓦斯涌出特征；劉軍[6]建立了急傾斜特厚煤層開采工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法；鄭三龍等[7]對(duì)急傾斜特厚煤層水平分層開采工作面瓦斯立體化抽采工藝技術(shù)進(jìn)行了研究；劉軍等[8]對(duì)急傾斜特厚煤層分段開采卸壓瓦斯抽采技術(shù)進(jìn)行了考察；馬智勇[9]對(duì)特厚煤層首分層開采瓦斯立體抽采技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用研究；高宏等[10]提出了超大直徑鉆孔采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)。針對(duì)白芨溝煤礦特厚煤層分層開采留設(shè)小煤柱工作面瓦斯治理難題，提出了基于小煤柱沿空留巷的大傾角、大孔徑鉆孔全程下套管治工藝，有效解決了特厚煤層分層開采瓦斯治理難題。

1 礦井及工作面概況

白芨溝煤礦位于寧夏回族自治區(qū)石嘴山市境內(nèi)，井田南北長(zhǎng)6.3 km，東西寬1.79 km，面積為11.27 km2。目前主采二3煤層，平均厚度20.84 m，平均傾角4°，煤層原始瓦斯含量4.77～23.59 m3/t。010203區(qū)段位于礦井南翼采區(qū)，開采二3煤層，傾角11°，厚度13.93 m，分層采高3 m，煤層原始瓦斯含量8.6 m3/t左右。0102103工作面為010203區(qū)段首分層工作面，設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)545 m，傾斜寬156 m，日產(chǎn)量5 000 t左右。工作面開采布置如圖1所示。

圖1 0102103工作面開采布置示意Fig.1 Schematic diagram of mining layout of 0102103 working face

2 工作面采前瓦斯抽采及達(dá)標(biāo)情況

2.1 瓦斯抽采基本情況

根據(jù)010203區(qū)段瓦斯地質(zhì)賦存規(guī)律及實(shí)測(cè)分析，010203區(qū)段煤層原始瓦斯含量在8.6 m3/t左右，瓦斯儲(chǔ)量1 238.4萬m3。為了有效降低010203區(qū)段煤層瓦斯含量，采取了定向長(zhǎng)鉆孔和底板穿層鉆孔區(qū)域預(yù)抽措施。

(1)定向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽。在1665邊界回風(fēng)上山布置了1個(gè)鉆場(chǎng)，沿二3煤層走向布置了7個(gè)定向長(zhǎng)鉆孔，鉆孔總進(jìn)尺6 022.9 m。鉆孔布置在煤層頂板以下8 m位置，其中1號(hào)—5號(hào)孔均沿走向間距25 m進(jìn)行布置，6號(hào)、7號(hào)孔沿走向間距28 m進(jìn)行布置。定向長(zhǎng)鉆孔平均瓦斯抽采濃度10%～30%，平均瓦斯抽采流量0.5～0.8 m3/min。

(2)底板穿層鉆孔抽采。利用1665回風(fēng)巷，在工作面南部布置6個(gè)鉆場(chǎng)(6號(hào)—11號(hào))，鉆孔呈扇形布置，每個(gè)鉆場(chǎng)12～15個(gè)鉆孔；利用010202回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷下口布置一個(gè)5號(hào)鉆場(chǎng)，沿工作面?zhèn)涡辈贾?4個(gè)鉆孔；在北部布置4個(gè)鉆場(chǎng)(1號(hào)—4號(hào))，鉆孔均沿工作面?zhèn)涡辈贾茫骄?～13個(gè)鉆孔。底板穿層鉆孔單孔平均瓦斯抽采濃度10%～30%，平均瓦斯抽采流量0.1～0.3 m3/min。

010203區(qū)段瓦斯預(yù)抽鉆孔布置如圖2所示。

圖2 010203區(qū)段瓦斯抽采鉆孔布置Fig.2 Layout of gas drainage boreholes in section 010203

2.2 瓦斯抽采達(dá)標(biāo)情況

010203區(qū)段采前主要采取定向長(zhǎng)鉆孔和底板穿層鉆孔區(qū)域預(yù)抽措施。定向長(zhǎng)鉆孔覆蓋工作面大部分區(qū)域且預(yù)抽期長(zhǎng)達(dá)91個(gè)月，其他區(qū)域有底板穿層鉆孔強(qiáng)化抽采，預(yù)抽期18～21個(gè)月，采前共抽出瓦斯量443.2萬m3?，F(xiàn)場(chǎng)施工了7組鉆孔實(shí)測(cè)010203區(qū)段二3煤層殘余瓦斯含量最大值為6.43 m3/t(可解吸量3.61 m3/t)，首分層0102103工作面殘余瓦斯含量最大值為6.22 m3/t(可解吸量3.40 m3/t)，預(yù)抽率33.4%，滿足《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》第二十七條采煤工作面回采前煤的可解吸瓦斯量應(yīng)達(dá)到的指標(biāo)要求(日產(chǎn)量不超過5 000 t，煤層殘余可解吸瓦斯含量≤5.5 m3/t)。

3 工作面回采瓦斯涌出分析及治理方案

3.1 瓦斯涌出來源分析

010203區(qū)段工作面分4個(gè)分層開采，根據(jù)010203區(qū)段工作面煤層賦存及鄰近煤層開采情況，010203區(qū)段首分層0102103工作面回采期間，瓦斯涌出來源主要包括以下2個(gè)方面。

(1)開采層瓦斯涌出。包括0102103工作面本分層瓦斯以及下伏二、三、四分層煤體卸壓瓦斯涌出，為工作面回采期間主要瓦斯涌出來源。

(2)采空區(qū)瓦斯涌出。主要為上覆二1煤層采空區(qū)(1511、1611等)瓦斯涌出以及鄰近010202區(qū)段工作面采空區(qū)瓦斯涌出。

根據(jù)瓦斯涌出量預(yù)測(cè)，0102103工作面回采期間，工作面最大日產(chǎn)量按照5 000 t計(jì)算時(shí)，絕對(duì)瓦斯涌出量最大值將達(dá)到29.57 m3/min(本分層及下伏分層瓦斯涌出量22.18 m3/min，其他采空區(qū)瓦斯涌出量7.39 m3/min)。

3.2 回采期間瓦斯治理存在的主要難題

(1)0102103工作面為010203區(qū)段首分層開采工作面，受本分層及下伏分層卸壓瓦斯涌出影響，工作面回采期間本煤層及下伏分層瓦斯大量解吸，將涌入工作面，容易造成瓦斯積聚和超限。

(2)0102103工作面與鄰近區(qū)段0102402工作面回風(fēng)巷之間僅留設(shè)6 m小煤柱，難以按照以往慣例布置瓦斯治理巷。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，采用回風(fēng)巷埋管抽采無法完全解決采空區(qū)瓦斯涌出問題。

(3)由于工作面上覆及鄰近區(qū)段存在采空區(qū)，采空區(qū)漏風(fēng)影響，可能導(dǎo)致回風(fēng)巷埋管抽采效果不佳，給采空區(qū)瓦斯抽采帶來一定難度。

3.3 工作面回采瓦斯總體治理方案

針對(duì)白芨溝煤礦0102103工作面特厚煤層分層開采留設(shè)小煤柱回采工作面的瓦斯治理難題，工作面回采期間采取如下主要對(duì)策。

(1)下伏分層卸壓瓦斯攔截抽采。一方面，利用已有定向長(zhǎng)鉆孔、底板穿層鉆孔進(jìn)行卸壓瓦斯攔截抽采；另一方面，利用鄰近區(qū)段0102402工作面回風(fēng)巷進(jìn)行沿空留巷，向下伏分層施工順層鉆孔進(jìn)行卸壓瓦斯攔截抽采。

(2)本分層瓦斯強(qiáng)化抽采。通過0102103工作面回風(fēng)巷施工順層鉆孔，進(jìn)行本分層瓦斯強(qiáng)化抽采，解決本分層瓦斯涌出問題。

(3)采空區(qū)瓦斯抽采。重點(diǎn)利用鄰近區(qū)段0102402工作面回風(fēng)巷進(jìn)行沿空留巷，向0102103工作面回風(fēng)巷施工大孔徑鉆孔并結(jié)合護(hù)孔套管，抽采采空區(qū)瓦斯，解決上隅角埋管抽采效果不理想問題；同時(shí)，在010203區(qū)段回順施工通路、回風(fēng)三川等聯(lián)絡(luò)巷埋管抽采采空區(qū)瓦斯。

按照上述瓦斯治理總體方案，在時(shí)空上形成定向長(zhǎng)鉆孔、底板穿層鉆孔、順層鉆孔多通道卸壓攔截抽采以及回采期間本分層順層鉆孔邊采邊抽、沿空留巷大孔徑鉆孔、回風(fēng)巷埋管采空區(qū)瓦斯抽采格局，構(gòu)建時(shí)空立體多源瓦斯抽采，有效解決0102103工作面瓦斯涌出難題?？傮w布置如圖3所示。

4 回采期間瓦斯治理措施的實(shí)施

4.1 卸壓瓦斯攔截抽采治理措施

工作面回采期間，繼續(xù)利用已有的定向長(zhǎng)鉆孔、底板穿層鉆孔進(jìn)行了下伏分層卸壓瓦斯攔截抽采，瓦斯抽采濃度8%～15%。

在此基礎(chǔ)上，通過0102402工作面回風(fēng)巷沿空留巷，向0102103工作面下伏分層施工順層卸壓鉆孔攔截抽采下伏分層卸壓瓦斯。鉆孔間距12 m，孔徑113 mm，終孔位置位于010203區(qū)段工作面三分層頂部，在垂直方向上內(nèi)錯(cuò)運(yùn)輸巷10 m，共施工44個(gè)鉆孔，瓦斯抽采濃度12%～18%。

4.2 本分層順層鉆孔強(qiáng)化抽采治理措施

在0102103工作面回風(fēng)巷施工本分層順層鉆孔進(jìn)行強(qiáng)化抽采。鉆孔垂直于0102103工作面回風(fēng)巷布置，控制傾向范圍145 m，與工作面運(yùn)輸巷內(nèi)錯(cuò)10 m，終孔間距6 m，孔徑113 mm，傾角9°～16°，共布置88個(gè)鉆孔，根據(jù)工作面推進(jìn)情況，邊采邊抽，抽采濃度3%～8%。

4.3 大孔徑鉆孔采空區(qū)瓦斯抽采治理措施

在工作面回采期間，除利用0102103工作面回順施工通路、010202回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷埋管抽采采空區(qū)瓦斯以外，為了有效治理0102103工作面回采期間采空區(qū)瓦斯，提出在0102402工作面回風(fēng)巷向0102103工作面回風(fēng)巷施工大傾角、大孔徑鉆孔并全程下入抽采管護(hù)孔，進(jìn)行采空區(qū)瓦斯抽采。

(1)大直徑鉆孔的布置。設(shè)計(jì)沿0102402工作面回風(fēng)巷靠0102103回風(fēng)巷一側(cè)巷幫每隔34 m施工一組大孔徑鉆孔(每組2個(gè)鉆孔，間距2 m)。每組鉆孔數(shù)量為3個(gè)，共布置13組39個(gè)鉆孔。鉆孔開孔點(diǎn)位于0102402工作面回風(fēng)巷上幫距巷道底板2.6～2.8 m位置，終孔點(diǎn)位于0102103工作面回風(fēng)巷下幫距巷道底板0.2～0.5 m位置。鉆孔傾角45°～47°，長(zhǎng)度13.3～13.6 m。

(2)大直徑鉆孔孔徑的選擇。根據(jù)預(yù)測(cè)，大孔徑鉆孔抽采純量需要達(dá)到4.2 m3/min，大孔徑鉆孔瓦斯抽采平均濃度按照5%計(jì)算，同時(shí)進(jìn)行抽采的大孔徑鉆孔按照2組共6個(gè)鉆孔計(jì)算，單孔抽采量應(yīng)達(dá)到0.7 m3/min。根據(jù)瓦斯抽采管路管徑計(jì)算公式，結(jié)合其他工作面埋管抽采經(jīng)驗(yàn)，大孔徑鉆孔護(hù)孔套管選取φ300 mm的管徑(內(nèi)徑)，考慮管壁厚度及護(hù)孔管下入難度，大孔徑鉆孔施工裸孔孔徑至少為φ350 mm(根據(jù)前期現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，考慮到護(hù)孔管下入難度，逐級(jí)擴(kuò)孔至φ500 mm)。

(3)大直徑鉆孔施工工藝。鉆孔施工采用ZDY-6000型礦用全液壓鉆機(jī)施工，鉆桿采用φ73 mm×800 mm規(guī)格鉆桿，使用φ94 mm鉆頭配合φ94 mm×800 mm導(dǎo)向鉆桿開口施工，首先采用φ94 mm的鉆頭施工小孔，到位后再逐級(jí)采用φ153、φ193、φ250、φ30、φ350、φ500 mm的鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔。

大孔徑鉆孔裸孔施工完成以后，必須及時(shí)對(duì)大孔徑鉆孔下入φ300 mm的套管，以防鉆孔垮孔影響套管下放。由于井下空間受限，并考慮到工作面與鄰近區(qū)段僅留設(shè)6 m小煤柱，為了避開應(yīng)力集中影響巷道變形等，套管選材為長(zhǎng)度1 m的鋼管，在地面進(jìn)行加工，將鋼管切割為φ300 mm×1 000 mm一段，使用氣焊沿管壁均布切割4個(gè)φ26 mm圓洞，將φ20 mm螺帽焊接在圓洞內(nèi)，便于和下一根扁鐵延接。套管采用φ20 mm×30 mm螺栓上緊連接，使用氣焊沿扁鐵延接套管均布切割4個(gè)φ20 mm圓洞，使用40T型刮板輸送機(jī)單鏈環(huán)在套管內(nèi)壁，焊接一個(gè)套管起吊、下放連接環(huán)。大孔徑鉆孔護(hù)孔套管主體結(jié)構(gòu)及配套下放裝置如圖4所示。

圖4 大孔徑鉆孔護(hù)孔套管主體結(jié)構(gòu)及配套下放裝置Fig.4 Main structure and matching device of large aperture drilling and hole protecting casing

5 瓦斯綜合治理效果分析

010203區(qū)段首分層0102103工作面采取基于小煤柱沿空留巷的大孔徑采空區(qū)瓦斯抽采工藝并結(jié)合順層鉆孔卸壓攔截抽采為主的立體多源瓦斯治理方式，取得了較好的效果。在已有定向長(zhǎng)鉆孔、底板穿層鉆孔抽采基礎(chǔ)上，采取本分層順層鉆孔強(qiáng)化抽采、下伏分層順層鉆孔卸壓攔截抽采等措施，解決了本分層及下伏分層卸壓瓦斯涌出問題。利用上區(qū)段沿空留巷施工大孔徑鉆孔，以孔代巷抽采采空區(qū)瓦斯，平均抽采濃度為6%～10%，抽采混合量為50～60 m3/min，解決了采空區(qū)瓦斯治理難題。各種瓦斯治理方式的抽采量統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 0102103工作面瓦斯綜合治理效果統(tǒng)計(jì)Tab.1 Comprehensive gas control effect statistics of working face 0102103

根據(jù)瓦斯監(jiān)測(cè)報(bào)表，0102103工作面回采期間，工作面瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.16%～0.26%，回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.28%～0.42%，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.22%～0.34%，未發(fā)生過瓦斯積聚及瓦斯超限。

6 結(jié)論

(1)通過充分利用已有巷道及其位置關(guān)系，提出了基于小煤柱沿空留巷的大孔徑采空區(qū)瓦斯抽采并結(jié)合順層鉆孔卸壓攔截抽采為主的特厚煤層首分層開采瓦斯綜合治理方法。

(2)通過利用上區(qū)段沿空留巷施工大孔徑鉆孔，以孔代巷抽采采空區(qū)瓦斯，首創(chuàng)了基于小煤柱沿空留巷的大傾角、大孔徑鉆孔全程下套管施工工藝，有效解決了布置瓦斯治理巷施工難度大、支護(hù)及維護(hù)困難等問題，節(jié)約了瓦斯治理成本。