煤礦分層開采工作面立體式瓦斯抽采技術及應用

鄭 飛，付軍輝，王 然

(1.晉能控股煤業(yè)集團沁秀公司岳城煤礦，山西 晉城 048000；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

我國厚煤層開采量約占全國煤炭產量的40%～50%，由于其高產量及煤厚優(yōu)勢有利于提高礦井開采效率，為工作面高效開采及高產量提供了基礎條件[1-2]。而高瓦斯或突出工作面的厚煤層開采中，常采用先開采上分層的方法來卸壓“解放”下分層的高瓦斯[3]。我國厚煤層礦井采深逐漸加大，一些礦井逐步升級為高瓦斯或突出礦井，瓦斯災害越來越嚴重，而目前分層開采采煤工作面回采階段主要采用高位鉆孔和風排瓦斯治理采煤工作面瓦斯涌出問題，由于下分層回采時覆巖已經比較破碎，鉆孔施工難度極大，施工過程中易出現(xiàn)垮孔、塌孔等問題，難以成孔，嚴重影響采煤工作面瓦斯涌出治理效率，導致采煤工作面推進速度降低，影響安全生產[4-7]。因此，高瓦斯或突出厚煤層尤其特厚煤層分層開采采煤工作面瓦斯高效治理已成為厚煤層安全開采過程中亟需解決的課題[8-11]。為解決上述課題，提出了一種采煤工作面井上下立體式瓦斯抽采方法，在沁秀公司岳城煤礦1303綜采工作面進行了試驗，解決了采煤工作面和采動穩(wěn)定區(qū)(采空區(qū))的瓦斯超限問題。

1 岳城煤礦工作面基本情況

岳城煤礦為高瓦斯礦井，礦井面積13.859 7 km2，核定生產能力為1.50 Mt/a，批準開采煤層為3#、9#、15#煤層，井田共分為3個盤區(qū)，礦井主采3#煤層，其煤層均厚 6.11 m，為優(yōu)質無煙煤。3#煤層平均瓦斯含量達14.57 m3/t，最大瓦斯含量達 18.25 m3/t，煤層透氣性系數(shù)為18.73～52.38 m2/(MPa2·d)，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.040 3～0.041 7 d-1。1303綜采工作面采用分層開采綜合機械化開采方法，先采上分層3 m，再采下分層3 m。采煤工作面的通風系統(tǒng)為“一進一回”U型通風系統(tǒng)。

主采的3#煤層頂板相鄰煤層有1#、2#煤層，3#煤層底板有局部可采的5#煤層，綜上所述采煤工作面瓦斯涌出來源為：采動穩(wěn)定區(qū)遺煤瓦斯；鄰近煤層(包括上、下鄰近層)及圍巖瓦斯；巷道煤柱及頂板和煤巖中的瓦斯。

岳城礦下分層工作面開采時易出現(xiàn)工作面回風及上隅角瓦斯超限問題，需采取積極有效的綜合性瓦斯治理措施解決該問題。

2 分層開采工作面立體式瓦斯抽采體系

傳統(tǒng)綜采工作面瓦斯治理技術主要在進風巷和回風巷向煤體施工順煤層預抽鉆孔，但由于順煤層預抽鉆孔有效抽采時間短、失效率高，在工作面回采階段煤體瓦斯涌出量仍然非常高[12-14]。另外，采動穩(wěn)定區(qū)瓦斯治理的辦法主要采用“堵”，即是不斷加強采動穩(wěn)定區(qū)密封性，從而防止采動穩(wěn)定區(qū)瓦斯不受控制的涌出及突出事故。但該技術手段屬于被動控制手段，并不能完全保證所有采動穩(wěn)定區(qū)密閉性，仍存在采動穩(wěn)定區(qū)瓦斯涌出導致采煤工作面瓦斯超限的可能性。該方法對于分層開采工藝不適配，因此下分層回采時，上部采動穩(wěn)定區(qū)的瓦斯將成為下分層工作面的安全隱患。

針對分層開采工藝，采煤工作面采用立體式瓦斯抽采技術措施，提出采煤工作面立體式瓦斯抽采技術體系，如圖1所示。

圖1 采煤工作面立體式瓦斯抽采技術體系

該技術體系對采煤工作面瓦斯抽采具有重要意義，其針對分層開采采煤工作面瓦斯治理的實施步聚為：

第一步，在準備煤量之前，采區(qū)工作面已設計完成時，在工作面內施工地面預抽井，提前對采煤工作面有規(guī)劃地進行預抽，預抽時間不少于2 a，如條件允許可地面預抽5～6 a。

第二步，在回采煤量時期，在回風巷和進風巷對工作面煤體進行順層鉆孔預抽，鉆孔長度大于工作面長度的1/2，鉆孔間距不大于5 m。

通過第一步和第二步需將煤體瓦斯含量降低至8 m3/t以下。

第三步，采煤工作面回采階段，由于采動卸壓作用，鄰近煤層和下分層瓦斯將涌入采煤工作面，導致采煤工作面具有瓦斯?jié)舛瘸薜碾[患，因此采用“采動區(qū)地面井+高位鉆孔+采動穩(wěn)定區(qū)埋管(含上隅角)”采動區(qū)范圍內立體式瓦斯抽采技術。“采動區(qū)地面井+高位鉆孔”能實現(xiàn)工作面瓦斯抽采覆蓋，在回風側聯(lián)絡巷埋管抽采瓦斯能有效遏制采動穩(wěn)定區(qū)瓦斯涌入采煤工作面。同時“采動區(qū)地面井+采動穩(wěn)定區(qū)埋管抽采”將長期進行瓦斯抽采，不僅對上分層采煤工作面瓦斯治理具有顯著作用，同時對下分層釋放的瓦斯也能進行提前抽采，從而實現(xiàn)降低下分層采煤工作面瓦斯超限的風險。

3 分層開采工作面瓦斯抽采設計

預抽階段(地面井預抽和順煤層鉆孔預抽)在此設計中不考慮，本設計重點分析采煤工作面回采階段的瓦斯抽采。優(yōu)化布置了采動區(qū)地面井、高位鉆孔及埋管抽采的合理位置，分層開采工作面回采階段立體式瓦斯抽采布置如圖2所示。

圖2 分層開采工作面回采階段立體式瓦斯抽采布置

3.1 采動區(qū)地面井抽采瓦斯設計

根據(jù)采場覆巖裂隙形成規(guī)律，采煤工作面回采過程在頂板四周逐漸形成一個互相連通的采動裂隙發(fā)育區(qū)。頂板煤巖體的裂隙構成瓦斯流動通道，大量采動穩(wěn)定區(qū)高濃度瓦斯富集在“O”形圈內[15]?；诖死碚?，確定將采動井布置在距回采巷35～45 m的地面，采動區(qū)地面井布置間距為230～270 m。

岳城煤礦1303綜采工作面YCCD-02地面井布置于工作面內距回風巷40 m，如圖3所示。

圖3 岳城礦1303綜采工作面YCCD-02井布置

采動區(qū)地面井在采煤工作面回采前進行鉆井施工，采動區(qū)地面井采用三開式井身設計，設計一開位于基巖下方20 m左右，套管采用J55型API套管；二開布置在地表以下至裂隙帶上部處，采用抗拉剪性能較好的N80套管，在二開采用局部固井技術；三開套管的透氣鉆孔位于煤層上方5 m，三開篩管懸掛完井，三開井身穿透煤層，位于煤層以下約10 m。采動區(qū)地面井井身結構[16-17]如圖4所示。

圖4 采動區(qū)地面井井身結構示意圖

該井身結構適用于覆巖無大構造、流砂層及含水層等地層結構，具備緩解一定量的剪切位移的變形作用[18-19]。

3.2 高位抽采鉆孔抽采設計

當工作面推進達到基本頂極限跨距后，基本頂發(fā)生類似“O-X”斷裂，采動穩(wěn)定區(qū)周邊頂板在煤壁支撐作用下形成巖拱結構；工作面繼續(xù)推進時，基本頂每隔一段距離就發(fā)生一次“半O-X”破斷，采動穩(wěn)定區(qū)兩側也不斷形成新的巖拱結構。多個巖拱結構間相互貫通，使得巖拱結構內的裂隙在采動穩(wěn)定區(qū)周邊位置形成了完整的環(huán)狀發(fā)育區(qū)，即為扇形的環(huán)狀瓦斯富集區(qū)[20]，該環(huán)狀區(qū)為“O”形圈的一部分，此區(qū)域易匯聚高濃度瓦斯。若高位鉆孔終孔位置布置于此區(qū)域，則可有效提高瓦斯抽采效率。因此在工作面回風巷內側向煤層頂板方向掘進鉆場施工高位抽采鉆孔，使終孔點位于環(huán)狀瓦斯富集區(qū)內，當工作面回采至鉆孔終孔位置時, 鉆孔終點位于采動穩(wěn)定區(qū)上方裂隙帶內, 即抽采裂隙帶、采動區(qū)和鄰近層瓦斯。

1303綜采工作面在回風巷側每隔約150 m布置1個鉆場，每個鉆場施工4個高位鉆孔，鉆孔長度 130 m，鉆孔孔徑為94 mm，鉆孔位于煤層上方20～35 m，兩鉆孔平面位置間距為8 m，距采動區(qū)地面井最近的高位鉆孔10 m，因此在高位鉆孔進行抽采時，可根據(jù)具體情況進行采動區(qū)地面井負壓抽采。由于高位鉆孔為裸孔，采煤工作面推過高位鉆孔所在鉆場后高位鉆孔將不發(fā)揮作用，采動區(qū)地面井可接續(xù)進行負壓抽采。當下分層回采時，由于覆巖已經比較破碎，高位鉆孔施工非常困難，難以成孔，主要依靠采動區(qū)地面井、風排瓦斯及采動穩(wěn)定區(qū)埋管等方式治理采煤工作面瓦斯。

3.3 采動穩(wěn)定區(qū)埋管抽采設計

1303綜采工作面回風巷每隔50 m布置了聯(lián)絡巷，在每個聯(lián)絡巷布置2趟抽采管(抽采短管和抽采長管)，在每個聯(lián)絡巷的抽采管處設置流量調節(jié)開關，各個聯(lián)絡巷的抽采管匯總到巷道的抽采管內。巷道內的總抽采管道外徑為560 mm，采動穩(wěn)定區(qū)的抽采長管長度為24 m，抽采管徑為100 mm，抽采短管布置于壁墻處，主要抽采上隅角積聚瓦斯，抽采長管和短管均采用篩孔布置。

隨著上分層采煤工作面的推進，采動穩(wěn)定區(qū)埋管量逐漸增多。根據(jù)每組抽采管抽采瓦斯參數(shù)情況，確定對某組抽采管的關開。當某組抽采管的抽采瓦斯?jié)舛鹊陀?%時，可將該組抽采管關閉。在上分層回采后約4個月基本完成采動穩(wěn)定區(qū)瓦斯抽采，并對巷道內的抽采管網進行回收。1303綜采工作面采動穩(wěn)定區(qū)埋管抽采布置如圖5所示。

4 瓦斯抽采效果分析

4.1 采動區(qū)地面井抽采效果分析

1303綜采工作面回采時采動區(qū)地面井抽采瓦斯數(shù)據(jù)如圖6所示，可以看出，當采煤工作面推至距YCCD-02井約100 m時，YCCD-02井抽采瓦斯純流量顯著增大；當采煤工作面推至地面井位時，單日抽采量最大(3.7萬m3/d)；當采煤工作面推過地面井井位約450 m時，抽采瓦斯量逐漸降至1.2萬m3/d。平均抽采瓦斯純流量為1.15萬m3/d，平均抽采瓦斯?jié)舛?甲烷體積分數(shù)，下同)為44.5%，地面井在采煤工作面回采階段抽采瓦斯總量約245.5萬m3，具有極好的瓦斯抽采效果。

圖6 岳城YCCD-02地面井部分抽采瓦斯數(shù)據(jù)

4.2 上分層高位鉆孔抽采效果分析

1303綜采工作面高位抽采鉆孔自投入抽采后，隨著工作面的推進，高層位鉆孔抽采量發(fā)生變化，當揭露采動穩(wěn)定區(qū)范圍較大時，抽采瓦斯量顯著增加。高位鉆孔平均運行時間約60 d，單孔平均抽采瓦斯?jié)舛?0.61%，平均抽采負壓為8.5 kPa，平均抽采瓦斯純流量為1.33 m3/min，單孔平均抽采瓦斯量為11.65萬m3。發(fā)揮了較好的抽采瓦斯的作用，降低了回采過程中工作面瓦斯?jié)舛取?303綜采工作面 1號鉆場高位鉆孔瓦斯抽采部分數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 1303綜采工作面1號鉆場高位鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)

4.3 采動穩(wěn)定區(qū)埋管抽采效果分析

通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)整理分析，巷道內直徑560 mm的抽采管平均抽采瓦斯混合流量為140 m3/min，抽采瓦斯?jié)舛葹?%～9%，平均瓦斯?jié)舛葹?.32%，埋管鉆孔的抽采負壓為3～5 kPa，抽采總管瓦斯純流量為4.648 m3/min(6 693.12 m3/d)。1303綜采工作面共布置16個聯(lián)絡巷，每個聯(lián)絡巷埋管抽采平均瓦斯純流量為0.29 m3/min(418.32 m3/d)，該工作面上分層回采時間為6.5個月，工作面回采后埋管仍能抽采約 3.5個月，因此，統(tǒng)計得到采動穩(wěn)定區(qū)埋管抽采瓦斯量約為200.8萬m3，有效抽采了大量的采動穩(wěn)定區(qū)和鄰近層釋放的瓦斯，并對采煤工作面上隅角瓦斯?jié)舛瘸迒栴}發(fā)揮了重要的作用，上分層采動穩(wěn)定區(qū)埋管抽采對下分層開采瓦斯治理具有積極的作用。

4.4 立體式瓦斯抽采對瓦斯治理的效果

在采取了立體式瓦斯抽采(采動區(qū)地面井、高位鉆孔及后期采動穩(wěn)定區(qū)埋管抽采)技術后，在上分層回采過程中，采煤工作面回風巷瓦斯?jié)舛认陆捣冗_到58.8%，上隅角瓦斯?jié)舛认陆盗?6.0%，回風巷平均瓦斯?jié)舛葍H0.33%。工作面回風巷和上隅角瓦斯?jié)舛蕊@著下降，成功消除了采動穩(wěn)定區(qū)瓦斯對工作面安全生產的制約。當下分層1303綜采工作面回采時，巷道內已無法施工高位鉆孔抽采，采動穩(wěn)定區(qū)仍可進行埋管抽采瓦斯。經驗證，采取了立體式瓦斯抽采后，下分層回采時，采煤工作面回風巷瓦斯?jié)舛认陆捣冗_到51.8%，回風巷平均瓦斯?jié)舛葍H為0.27%，保障了采煤工作面生產安全。

5 結論

1)針對煤礦分層開采下分層回采頂板高位鉆孔難以成孔，嚴重影響采煤工作面瓦斯抽采的問題，提出了厚煤層分層開采井上下立體式瓦斯抽采方法，給出了具備接續(xù)的綜合立體式瓦斯抽采技術體系及實施步驟。

2)提出了采動區(qū)地面井、高位鉆孔及采動穩(wěn)定區(qū)埋管形成的立體瓦斯抽采設計方法，晉城礦區(qū)采動區(qū)地面井應布置在距回采巷約40 m處，布置間距為250 m，給出了采動區(qū)地面井井身結構設計。高位抽采鉆孔應布置在采煤工作面回風巷內側向煤層頂板方向，終孔點位于環(huán)狀瓦斯富集區(qū)內。采動穩(wěn)定區(qū)埋管抽采應采用長、短相結合的篩孔瓦斯抽采方式。

3)在岳城煤礦進行了應用，采動區(qū)地面井平均抽采瓦斯純流量為1.15萬m3/d，平均抽采瓦斯?jié)舛葹?4.5%，工作面推至地面井附近時抽采瓦斯純流量顯著增大，地面井在采煤工作面回采階段抽采瓦斯總量約為245.5萬m3；在采動區(qū)地面井運行的情況下，鉆場的高位鉆孔平均運行時間約60 d，單孔平均抽采瓦斯?jié)舛葹?0.61%，平均抽采瓦斯純流量為1.33 m3/min，單孔平均抽采瓦斯量為11.65萬m3。采動穩(wěn)定區(qū)埋管抽采瓦斯純流量平均為0.29 m3/min，采動穩(wěn)定區(qū)埋管抽采瓦斯量約為200.8萬m3。在立體式聯(lián)動瓦斯抽采措施下，回采過程中回風巷的瓦斯?jié)舛仁冀K保持在0.50%以下，工作面回風巷瓦斯?jié)舛绕骄迪陆捣冗_到58.8%，上隅角瓦斯?jié)舛绕骄迪陆?6.0%。

4)建立了一套適用于分層開采綜采工作面的立體式瓦斯抽采方法，有效地解決了采煤工作面和煤層瓦斯異常涌出問題，為類似條件礦井的瓦斯治理提供了參考。