煤層群開(kāi)采井上下聯(lián)合瓦斯抽采實(shí)踐

王志元 陳建鵬 王海鋒

摘要：袁店一礦煤礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，主采煤層瓦斯含量高，為了保證礦井井下的安全生產(chǎn)，必須采取必要的瓦斯防治措施，來(lái)減少甚至消除煤礦瓦斯的突出危險(xiǎn)性。針對(duì)袁店一礦的煤層開(kāi)采條件，開(kāi)發(fā)一種煤層群瓦斯井上下聯(lián)合抽采方法。根據(jù)各煤礦的實(shí)際生產(chǎn)情況，以10煤層作為首采層，分別對(duì)礦井的10煤層以及中組煤分成三個(gè)抽采層次進(jìn)行瓦斯抽采，實(shí)現(xiàn)了煤層群消除突出危險(xiǎn)性和安全生產(chǎn)的目的。

關(guān)鍵詞：煤層群;煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性;聯(lián)合抽采;鉆孔

0引言

煤礦瓦斯是井下有害氣體的總稱，其中主要來(lái)源于煤層中的賦存瓦斯。煤層中瓦斯一般以甲烷為主，是煤礦生產(chǎn)中的重大危險(xiǎn)源。[1，2]瓦斯災(zāi)害是我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)中最大的災(zāi)害。采空區(qū)的瓦斯涌出量占礦井瓦斯源很大比例，這是因?yàn)樵诿禾块_(kāi)采過(guò)程中，未采分層、臨近煤層、煤柱、圍巖和工作面丟煤都會(huì)向采空區(qū)涌出瓦斯，尤其是開(kāi)采煤層群和厚煤層條件下，瓦斯不僅在工作面開(kāi)采過(guò)程中涌出，并且在工作面采完密閉后也仍會(huì)繼續(xù)涌出?，F(xiàn)在提出的這種聯(lián)合瓦斯抽采方法的目的就是為了確保各工作面的開(kāi)采安全并提高礦井瓦斯抽放率。[3，4]

1 袁店一礦概況

1.1 礦井概況

袁店一井煤礦地處安徽淮北，東西長(zhǎng)6.9～13.6km，南北寬1.2～3.4km，井田面積約37.22km2。地層傾角相對(duì)平緩。構(gòu)造復(fù)雜程度中等。[5]

袁店煤礦10煤的的破壞類型屬于Ⅲ～Ⅳ類。10煤的最大相對(duì)瓦斯壓力為1.35MPa，大于0.74MPa;煤樣的堅(jiān)固性系數(shù)為0.24，小于0.5;瓦斯放散初速度的最大值為13mmHg，大于10mmHg。袁店煤礦10煤層為煤與瓦斯突出危險(xiǎn)煤層，礦井為煤與瓦斯突出礦井。

1.2煤層賦存

該井含煤地層為石炭-二疊系。含煤地層包含九個(gè)煤層，含煤超過(guò)20層，煤層總厚14.38m。32、51、63、72、81、82、10等7層為可采煤層，可采煤層總厚13.51m，;其中32、72、82、10為主采煤層，總厚10.10m。該井可采煤層自上而下為32、51、63、72、81、82、10等7層。其中本煤層及臨近層的煤層性質(zhì)見(jiàn)表1所示，煤層綜合柱狀圖如圖1所示。

1.3 試驗(yàn)工作面概況

現(xiàn)該工作面布置在10煤層，上覆中組煤有72、81、82這三個(gè)煤層，與10煤層間距81.2～106 m。1015工作面煤層賦存穩(wěn)定，平均厚度4.8m，為101采區(qū)最后一個(gè)塊段;煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層平均傾角11°。由于地質(zhì)原因，工作面分里外兩段開(kāi)采，里段走向長(zhǎng)80 m，傾向長(zhǎng)115 m;外段走向長(zhǎng)276m，傾向長(zhǎng)225m，開(kāi)采標(biāo)高-742.1～-658.1m。

中組煤72、81和82煤層主要依靠地面鉆井和上向攔截鉆孔進(jìn)行抽采，該區(qū)域中組煤瓦數(shù)含量13～14m3/t。1015工作面底抽巷最大瓦斯壓力4MPa，10煤層車場(chǎng)最大瓦斯含量8.9974 m3/t，該工作面有突出危險(xiǎn)。

2 井上下聯(lián)合瓦斯抽采方法

煤礦瓦斯災(zāi)害的防治是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，為了確保煤礦的安全生產(chǎn)，單一的抽采措施已經(jīng)不能滿足礦井的安全需要，往往需要多種抽采方法的配合使用。[6-9]基于應(yīng)抽盡抽的理念，采用井上下聯(lián)合瓦斯治理措施抽采煤層群瓦斯，1015工作面為保護(hù)層工作面，在保護(hù)層開(kāi)采的過(guò)程中，還需要抽采中組煤瓦斯。

現(xiàn)將該工作面的瓦斯抽采分為三個(gè)目標(biāo)層次。第一為1015保護(hù)層工作面的煤層預(yù)抽，其目的是消除煤層的突出危險(xiǎn)性;第二為對(duì)中組煤（被保護(hù)層）進(jìn)行卸壓瓦斯抽采，消除中組煤的突出危險(xiǎn)性;第三為1015工作面開(kāi)采過(guò)程中的瓦斯抽采，確保保護(hù)層工作面的安全開(kāi)采。抽采方法包括穿層鉆孔、順層鉆孔、斜交鉆孔、攔截鉆孔、地面鉆井和埋管抽采等。井上下聯(lián)合瓦斯抽采方法見(jiàn)表2所示。

1）底板穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯

從底抽巷向煤巷布置穿層鉆孔，底抽巷距離10煤底板20m，鉆場(chǎng)間距30m，每個(gè)鉆場(chǎng)施工6列穿過(guò)10煤頂板1m的鉆孔，每列7個(gè)鉆孔，終孔間距5×5m，見(jiàn)圖2。直至煤層突出危險(xiǎn)性消除以后方可進(jìn)行采掘工作。

2）底板穿層鉆孔預(yù)抽回采工作面煤體瓦斯

底抽巷實(shí)測(cè)的最大瓦斯壓力為4MP，不符合工作面回采期間施工順層鉆孔的安全要求，因此，為了下一階段的順層鉆孔布置，需要在底抽巷向10煤層施工終孔穿過(guò)頂板1m穿層鉆孔，鉆場(chǎng)間距30～50m，鉆孔終孔間距6×6m。

3）順層鉆孔預(yù)抽回采工作面煤體瓦斯

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間穿層孔瓦斯抽采后，待煤層瓦斯壓力降至3MP以下后，開(kāi)始在1015機(jī)巷使用ZDY6500LP鉆機(jī)施工順層鉆孔對(duì)作面內(nèi)煤體瓦斯預(yù)抽。由于工作面布置較為復(fù)雜，分里段和外段兩部分，在里段布置25個(gè)100m孔深的鉆孔，外段布置80個(gè)210m孔深的鉆孔，鉆孔間距3m，累計(jì)施工量為20000m。

2.2 被保護(hù)層開(kāi)采瓦斯治理措施

1）地面井抽采

1015工作面設(shè)計(jì)施工3口地面瓦斯井，用于抽采中組煤卸壓瓦斯。地面鉆井重點(diǎn)抽采中組煤72、81和82這三個(gè)煤層，其中72煤層厚度約2.0m，81煤層厚度約2.5m，82煤層厚度約2.7m。該區(qū)域中組煤瓦數(shù)含量13～14m3/t。地面井抽采效果見(jiàn)圖7所示。累計(jì)抽采半年，瓦斯抽采濃度穩(wěn)定在80%以上，前兩個(gè)月抽采量偏低為10～20m3/min，后四個(gè)月瓦斯抽采量提高至40～55 m3/min，累計(jì)抽采量為697.88萬(wàn)m3。

2）定向上向攔截鉆孔抽采

在1015風(fēng)巷布置一個(gè)攔截鉆場(chǎng)和一個(gè)高位鉆場(chǎng)，利用大功率ZDY6500LP鉆機(jī)施工57個(gè)定性上向攔截鉆孔，抽采中組煤卸壓瓦斯，終孔間距30×30m，定向攔截鉆孔后期可作為高位鉆孔利用，大幅提高鉆孔利用率，定向上向攔截鉆孔瓦斯抽采濃度為40～80%，抽采純量穩(wěn)定在30～60m3/min，累計(jì)抽采瓦斯285.32萬(wàn)m3。

2.3 1015工作面回采期間瓦斯治理

在1015工作面回采過(guò)程中，為了確保工作面的安全開(kāi)采，在繼續(xù)采用第一層次中的抽采方法以外，還需要配合其他的瓦斯抽采方法（采空區(qū)埋管、斜交鉆孔和定向高位鉆孔）進(jìn)行瓦斯抽采。其中，主要用于第二層次中抽采中組煤卸壓瓦斯布置的地面鉆井，也能夠抽采保護(hù)層工作面瓦斯。

1）采空區(qū)埋管抽采

沿工作面的風(fēng)巷頂板向采空區(qū)敷設(shè)瓦斯抽采管路，壓茬8m左右埋管，管端距煤層底板至少1m，并對(duì)管路采取保護(hù)措施。由于工作面布置的復(fù)雜性，考慮到工作面里外段的對(duì)接，需要鋪設(shè)兩趟8吋管路抽采里段工作面采空區(qū)瓦斯，第一趟埋設(shè)在里段切眼，第二趟埋設(shè)在里段工作面距外段切眼20m處。

老塘埋管瓦斯抽采濃度變化較大，主要以低濃度為主，抽采濃度長(zhǎng)期穩(wěn)定在3%～15%之間，抽采純量在5m3/min以下;濃度最高可達(dá)20%～40%，此時(shí)的抽采純量達(dá)10～20m3/min，瓦斯抽采總量為116.36萬(wàn)m3。

2）斜交鉆孔抽采

在1015工作面風(fēng)巷布置5組斜交鉆孔，鉆孔間距50m，鉆孔終孔點(diǎn)穿過(guò)頂板至少15m，封孔工藝采用“兩堵一注”，用于抽采工作面采空區(qū)瓦斯。瓦斯抽采濃度25%～60%，抽采純量10～35 m3/min，瓦斯抽采總量為214.08萬(wàn)m3/min以下。

3）定向高位鉆孔抽采

利用ZDY6500LP鉆機(jī)向1015工作面外段切眼方向施工4個(gè)長(zhǎng)距離定向高位鉆孔抽采工作面采空區(qū)瓦斯，終孔點(diǎn)穿過(guò)10煤頂板至少20 m，鉆孔較深，大約300m左右。瓦斯抽采穩(wěn)定，抽采濃度長(zhǎng)期穩(wěn)定在20%～65%，抽采純量10～40 m3/min，累計(jì)抽采瓦斯量184.38萬(wàn)m3/min。

3 瓦斯抽采效果

3.11015工作面預(yù)抽瓦斯治理效果

通過(guò)各種瓦斯抽采方法對(duì)煤層瓦斯進(jìn)行預(yù)抽，累計(jì)抽采1015工作面煤巷條帶瓦斯158.17萬(wàn)m3，工作面煤體瓦斯114.33萬(wàn)m3，抽采效果顯著。

通過(guò)強(qiáng)化采空區(qū)預(yù)抽，解決了里外段工作對(duì)接期間瓦斯問(wèn)題。利用提前預(yù)埋在里段采空區(qū)的2趟8吋管路抽采采空區(qū)瓦斯，至工作面對(duì)接時(shí)，2趟老塘埋管的抽采濃度全部接近于0，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)瓦斯徹底抽干抽凈，保證了工作面安全對(duì)接。

區(qū)域消突評(píng)價(jià)通常采用的指標(biāo)是煤層殘余瓦斯含量和殘余瓦斯壓力。煤巷條帶經(jīng)抽采后，實(shí)測(cè)的最大殘余瓦斯含量4.92m3/t，遠(yuǎn)小于8m3/t，最大殘余瓦斯壓力0.42MPa，遠(yuǎn)小于0.74MPa;工作面煤體經(jīng)過(guò)抽采后，實(shí)測(cè)的最大殘余瓦斯含量4.21m3/t，遠(yuǎn)小于8m3/t，最大殘余瓦斯壓力0.40MPa，遠(yuǎn)小于0.74MPa。說(shuō)明經(jīng)過(guò)瓦斯抽采后，條帶鉆孔控制區(qū)域和工作面開(kāi)采區(qū)域已消除突出危險(xiǎn)性，可以進(jìn)行安全作業(yè)。

3.2 1015工作面回采期間瓦斯治理效果

1015工作面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?.3%以下，風(fēng)排瓦斯控制在5m3/min之下?；夭善陂g未發(fā)生瓦斯涌出異?，F(xiàn)象。

3.3 中組煤卸壓瓦斯抽采效果分析

被保護(hù)層中組煤（72、81和82煤層）主要依靠地面鉆井和上向攔截鉆孔進(jìn)行抽采，72煤厚度約2.0m，81煤厚度約2.2m，82煤厚度約2.7m，該區(qū)域中組煤瓦數(shù)含量13～14m3/t。地面井抽采瓦斯697.88萬(wàn)m3，占總抽采量50%，上向攔截鉆孔抽采瓦斯285.32萬(wàn)m3，兩者累計(jì)抽采瓦斯量為983.2萬(wàn)m3。根據(jù)測(cè)定，地面鉆井和上向攔截鉆孔抽采對(duì)中組煤抽采效果好，瓦斯抽采量占總抽采量70%，中組煤瓦斯抽采總量為687.9萬(wàn)m3。根據(jù)中組煤卸壓范圍及瓦斯儲(chǔ)量，可反算出通過(guò)卸壓抽采，中組煤瓦斯含量可在原來(lái)基礎(chǔ)上下降9.5m3/t，得出中組煤殘余瓦斯含量為3.5～4.5m3/t，遠(yuǎn)低于8m3/t。說(shuō)明通過(guò)對(duì)中組煤的卸壓瓦斯抽采，有效的降低了中組煤的瓦斯含量，消除其突出危險(xiǎn)性。

4 結(jié)論

1）針對(duì)煤層群開(kāi)采過(guò)程中的瓦斯涌出問(wèn)題，提出了系統(tǒng)性的煤層群開(kāi)采井上下聯(lián)合瓦斯抽采方法，分三個(gè)目標(biāo)抽采層次，從首采層到保護(hù)層再到首采層，從下組煤到中組煤再到下組煤，逐步抽采煤層瓦斯。

2）采用井上下聯(lián)合瓦斯抽采方法，累計(jì)抽采瓦斯超過(guò)2200萬(wàn)m3，煤層殘余瓦斯含量和殘余瓦斯壓力均下降至允許值以下，有效的抽采了本煤層、臨近層和采空區(qū)的瓦斯，工作面的瓦斯?jié)舛让黠@降低，工作面環(huán)境改善，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛仍?.3%以下，實(shí)現(xiàn)了首采層10煤層和中組煤的安全開(kāi)采和消除突出危險(xiǎn)性的目的。

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