高突煤層群卸壓瓦斯定向抽采技術與實踐

高 明，李志亮，陳 亮，高浩斌，程志恒，曹家琳

(1. 潞安化工集團有限公司 陽泉五礦，山西 泉陽 045099；2. 華晉焦煤有限責任公司 沙曲一號煤礦，山西 呂梁 033399；3. 華北科技學院 礦山安全學院，北京 東燕郊 065201；4. 華北科技學院 安全工程學院，北京 東燕郊 065201；5. 華北科技學院 經(jīng)濟管理學院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，我國高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井占比31%[1]，2021年度我國原煤產(chǎn)量達到41.3億噸，同比增長5.7%，隨著開采深度和強度持續(xù)性增加，淺埋單一煤層資源逐漸減少，煤層群開采備受重視[2]，但是由于其采場卸壓瓦斯涌出量大、涌出源分散，極易造成采掘工作面瓦斯超限。因此，高突煤層群開采卸壓瓦斯高效抽采[3-6]的意義重大。

針對煤層群開采瓦斯抽采理論與技術研究，前人學者做了大量研究。袁亮等[7]研究了淮南礦區(qū)保護層開采效果，指出多次采動的疊加卸壓效應大于單一煤層，程志恒等[8]分析了近距離煤層群采動裂隙演化及卸壓瓦斯運移規(guī)律，得出雙重卸壓強度和瓦斯富集度均大于單一煤層。程遠平等[9]研究了上(下)保護層開采+頂(底)板巖巷穿層鉆孔群抽采技術。袁亮等[10]實踐了保護層無煤柱開采+底抽巷穿層鉆孔群抽采。張鐵崗等[11]指出優(yōu)選頂板薄巖層作保護層開采，卸壓抽采效果明顯。近年來隨著瓦斯抽采技術與裝備發(fā)展，地面面井和定向鉆機逐漸被推廣應用[12.13]。李國富等[14]在晉城礦區(qū)成功時間了直井、L型井及叢式井+井下區(qū)域遞進式預抽；薛俊華等[15]研究了保護層開采+采動地面井與井下抽采技術的應用效果；蘇士龍等[16]研究了上保護層開采+底抽巷定向長鉆孔群區(qū)域立體抽采方法。賀天才等[17]研究了地面L型井分段壓裂、井下長鉆孔水力壓裂等井上下增透促抽技術；鮮保安等[18]分析了應用多分支水平井技術抽采煤礦區(qū)煤層群瓦斯的可行性。上述研究多采用地面井、井下順層+穿層鉆孔逐層抽采瓦斯，針對煤層群條件下本煤層和上、下鄰近層卸壓瓦斯運移規(guī)律及區(qū)域協(xié)同抽采研究較少，且相應定向長鉆孔的形態(tài)設計、孔徑、孔間距等參數(shù)難以確定，缺乏合理的科學依據(jù)。馬美超等[19]利用Fluent軟件模擬采空區(qū)不同工作面風量以及工作面長度情況下,綜采面U型通風方式下采空區(qū)流場分布、瓦斯運移規(guī)律,得到高瓦斯綜放工作面采空區(qū)流場和瓦斯分布規(guī)律,以及影響采空區(qū)瓦斯?jié)舛鹊囊蛩刂饕瓦M風量之間的關系。孟祥軍等[20]分析了采動上覆巖層的裂隙發(fā)育形態(tài)特征和演化趨勢,且運用經(jīng)驗公式對微震監(jiān)測結果加以驗證,并結合監(jiān)測結果對高位鉆場瓦斯抽采參數(shù)進行了優(yōu)化,檢驗了卸壓瓦斯抽采效果。

筆者以沙曲一礦煤層群開采為例，基于2號煤層開采過程沿傾向和走向卸壓保護范圍及采動裂隙分析，研究2號煤層和下鄰近層(3+4#、5#煤層)卸壓瓦斯運移及富集規(guī)律，以確立2號煤層本煤層、采動裂隙帶以及3+4#煤層卸壓瓦斯定向長鉆孔高效抽采的關鍵技術參數(shù)，并進行了工程試驗驗證。

1 礦井概況

沙曲一礦屬于典型的突出煤層群開采，可采煤層7層(圖1)，即山西組2#、3+4#、5#煤層，太原組6#、8#、9#、10#煤層，當前主采2、3+4#煤，為稀缺的優(yōu)質主焦煤，素有“中華瑰寶”之稱。礦井主要采用綜采傾斜長臂采煤法，全部垮落法管理頂板，分區(qū)式通風方式年設計產(chǎn)能為5 Mt/a，2021年全礦井絕對瓦斯涌出量221.31 m3/min,相對瓦斯涌出量為46.98 m3/t，山西組各煤層瓦斯基礎參數(shù)實測平均值(包括煤層瓦斯含量W，瓦斯壓力P，堅固性系數(shù)f以及瓦斯放散初速度△p)見表1。

圖1 沙曲一礦山西組可采煤層柱狀圖

表1 沙曲一礦各煤層瓦斯參數(shù)表

沙曲一礦瓦斯賦存復雜且瓦斯涌出量較大，呈現(xiàn)“層層突出”、“近距離煤層群”、“一層開采多層卸壓”等特點，瓦斯治理難度艱巨，傳統(tǒng)的逐層分治效果不佳，瓦斯超限頻繁，嚴重制約礦井產(chǎn)能(實際產(chǎn)能僅為3 Mt/a)，亟需開展針對本煤層和鄰近層卸壓瓦斯的協(xié)同高效抽采。

2 采動卸壓瓦斯運移規(guī)律

為進一步研究2號煤層開采過程本煤層卸壓瓦斯以及下部3+4、5#煤層卸壓瓦斯運移規(guī)律，以礦井2201工作面為例，其幾何尺寸為1538 m×150 m，也是沙曲一礦2#煤層首采面，區(qū)內煤層整體受控于向西緩傾伏并呈單斜構造，傾角為4°，對應標高為+396～+486 m，厚度約為1.1 m。該工作面采用無煤柱沿空留巷方式采煤，通風方式為Y型通風，該工作面下方3+4#煤層的4208工作面順槽正在掘進中，5#煤層尚未開采。工作面布置見圖2，采用分源預測法計算工作面瓦斯涌出量得出，當工作面日產(chǎn)量為871.4t時，本煤層瓦斯涌出量6.48 m3/min，占比27.1%，鄰近層瓦斯涌出量17.42 m3/min占比72.9%。說明被保護層卸壓瓦斯大量涌入2201工作面，造成瓦斯量涌出量偏高，在采用傳統(tǒng)本煤層瓦斯抽采方法時，上隅角瓦斯平均濃度0.65，瓦斯超限經(jīng)常出現(xiàn)，制約了回采面日產(chǎn)量。

圖2 2201工作面布置圖

2.1 本煤層采動卸壓瓦斯運移規(guī)律

為了系統(tǒng)分析2#煤層采動卸壓瓦斯三維運移規(guī)律，以工作面切巷與回風巷交匯處為原點，沿工作面推進方向為X軸，沿切巷方向為Y軸，垂直方向為Z軸，建立三維坐標系。

(1) X軸方向上的卸壓瓦斯運移規(guī)律

2#煤層作為上保護層開采，下鄰近層(3+4#、5#煤層)卸壓瓦斯經(jīng)過解吸-運移并涌向2#煤層回采工作面。沿X軸推進方向鄰近層卸壓瓦斯涌出過程可劃分為卸壓瓦斯開始期、活躍期和衰退期。如圖3所示，受采動底板破斷步距的影響，卸壓瓦斯開始期始于工作面推進30～40 m，隨著工作面繼續(xù)推進，底板破斷裂隙逐漸發(fā)育并形成貫通裂隙通道，在工作面后方40～90 m區(qū)段，卸壓瓦斯進入活躍期，裂隙帶鉆孔終孔水平位置設計在此區(qū)間瓦斯抽采效果較佳，濃度可達80%以上；由于采空區(qū)頂板周期性破斷和壓實作用，卸壓瓦斯在工作面90 m以深區(qū)域涌出量逐漸區(qū)域穩(wěn)定。

圖3 沿工作面X方向上卸壓示意圖

(2) Y軸方向上的卸壓瓦斯運移規(guī)律

在工作面割煤進刀方向(Y軸)，由于煤層傾角屬于近水平(<8°)，故2#煤層開采卸壓范圍收到一定影響，根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細則》附錄E相關規(guī)定，綜合分析煤層傾角和底板巖性性質的影響可得出2#煤層開采對下鄰近層卸壓角，如圖4所示，δ1約為76°，δ2約為77°，3+4#、5#煤層與2#煤層垂距分別為10.3 m和15.6 m，均處于底板采動影響范圍，卸壓瓦斯運移規(guī)律整體與X軸方向類似。卸壓瓦斯在Y軸方向移動規(guī)律也呈現(xiàn)開始期、活躍期和衰退期三段，三段長度受開采卸壓角和開采速度影響，瓦斯流動區(qū)成非對稱性橢拋帶形狀，并且向煤層傾角反向運移和富集；其中開采速度越快，開始期的瓦斯涌出量越大，且對應的長度縮短。

圖4 工作面傾向剖面卸壓角示意圖

(3) 卸壓瓦斯在Z軸方向上的移動規(guī)律

隨著2#煤層開采，工作面覆巖逐步發(fā)生變形破壞，在垂直方向自下而上形成冒落帶、裂隙發(fā)育帶及彎曲下沉帶，在切巷附近和彎曲下沉帶中部分別形成縱向貫穿裂隙發(fā)育區(qū)和橫向水平裂隙發(fā)育區(qū)，其中切巷附近的縱向貫穿裂隙與底板采動裂隙溝通形成卸壓瓦斯運移通道，采動裂隙發(fā)育規(guī)律決定了采空區(qū)卸壓瓦斯空間分布(圖5)。

圖5 Z軸方向上頂板分帶與瓦斯分布圖

沿Z軸方向采動三帶的裂隙和卸壓瓦斯分布特征如下：①冒落帶H1，一般由直接頂破斷垮落形成，在后期又被上部垮落巖層壓實，并與工作面采空區(qū)漏風相通，多采用低位巷和上隅角大直徑插管抽采該區(qū)低濃瓦斯；②裂隙帶H2,處于冒落帶和彎曲下沉帶之間，多由覆巖巖層破斷鉸接產(chǎn)生大量裂隙，在切巷附近形成大量縱向貫穿裂隙，一直向上發(fā)育直至未破壞巖層，該區(qū)內裂隙較發(fā)育且導通性強，為高濃瓦斯富集區(qū)，也是裂隙帶抽采的最佳布置層位；③彎曲下沉帶H3，由于距離煤層較遠巖層所受卸壓破壞作用最弱，巖層發(fā)生拉伸變形但并未發(fā)生整體性破斷，水平離層裂隙較發(fā)育，但與下部冒裂帶的裂隙導通性相對較差，故該區(qū)瓦斯富集度較弱，抽采量較少。

2.2 下鄰近被保護層卸壓瓦斯涌出及其運移分析

近距離煤層群開采的卸壓瓦斯主要來源于鄰近層，本煤層次之，沙曲一礦屬于典型的近距離高突煤層群開采礦井，2#煤層作為上保護層開采，下距3+4#、5#煤層分別為12.3 m和18.7 m，相應的煤層厚度分別為4.62 m和3.6 m，原煤瓦斯含量分別為12.08 m3/t和11.42 m3/t，且可解吸量較大。隨著2#煤層開采，底板巖層會發(fā)生卸壓破壞產(chǎn)生底鼓，并在采動影響深度范圍內巖層均發(fā)生不同程度變形破壞進而產(chǎn)生大量采動裂隙并相互溝通形成下部鄰近層(3+4#、5#)卸壓瓦斯運移通道，同時受采動卸壓作用下鄰近層的瓦斯吸附-解吸平衡被打破，大量可解吸瓦斯通過裂隙通道涌入2#煤層采場空間(圖6)。

圖6 被保護層瓦斯的運移和儲集

底板采動裂隙帶一般認為下距底板15～25 m范圍，該范圍內底板巖層受采動卸壓作用發(fā)生破壞，采動裂隙較發(fā)育，主要形式為沿層理方向的順層拉張裂隙和破斷后產(chǎn)生的高角度(垂直或斜交巖層)縱向裂隙，進而形成底板導流帶。底板采動影響深度最深可達50～60 m，該范圍內采動裂隙多以水平離層裂隙為主，由于距離煤層較遠所受卸壓作用越弱，巖層以拉伸變形為主，縱向破斷裂隙較少。綜合分析可知，3+4#、5#煤層均處于2#煤層開采底板采動裂隙帶內，故下鄰近層卸壓瓦斯可通過采動裂隙通道涌向采場空間，由于下鄰近層煤層原始瓦斯含量和煤層厚度均大于2#煤層，故可判定2#煤層采空區(qū)和上隅角瓦斯涌出主要來自3+4#、5#煤層，易發(fā)生工作面瓦斯超限。上述針對底板采動裂隙的理論分析有利于確定瓦斯運移富集區(qū)，并指導2201工作面回采期間下鄰近層卸壓瓦斯抽采方案。

2.3 瓦斯在裂隙帶的運移及其積聚分析

2號薄煤層回采時瓦斯運移與儲集主要有兩大部分，一部分混在風流中通過通風系統(tǒng)排放到大氣中，另一部分儲存在采空區(qū)孔洞和采動巖層的孔隙或裂隙中，由于瓦斯與周圍氣體存在的密度差而升浮，同時由于2#煤層采空區(qū)濃度自上隅角延伸至其深部瓦斯?jié)舛扔?.5%以上，但其下部3+4#和5#煤層的卸壓瓦斯?jié)舛然驹诔跗诳删S持在90%以上，且后續(xù)仍有不斷解吸出的游離瓦斯維持高濃期，故本煤層采空區(qū)瓦斯與下鄰近層卸壓瓦斯形成顯著的濃度差，在該濃度梯度驅動型下，被保護層卸壓解吸的游離瓦斯向上擴散，形成高濃度的瓦斯儲集在覆巖的裂隙帶內。

圖7 采動裂隙內瓦斯的運移與儲集

當2號薄煤層開采時，煤層圍巖的移動和地應力重新分布，在2號薄煤層的頂?shù)装逍纬纱罅康拇恿严逗碗x層裂隙，在鄰近層和開采層之間通過大量的裂隙連通，提供了瓦斯運移的通道。由表1可知，3+4#、5#煤層原始瓦斯壓力分別為1.52、1.4 MPa均大于2#煤層的0.72 MPa，故開采層與被保護層的原始瓦斯壓力差為0.68 MPa和0.8 MPa；同時由于2號薄煤層采動卸壓作用，2號煤層采空區(qū)沿深度方向瓦斯壓力從0到趨近于原巖區(qū)瓦斯壓力，而下鄰近3+4號、5號煤層以及巖層中的大量處于高壓狀態(tài)下的吸附瓦斯開始解吸轉變?yōu)橛坞x狀態(tài)，鄰近煤巖層裂隙內大量的游離瓦斯仍然保持在較高壓力狀態(tài)下，此時鄰近層和開采層之間的瓦斯流場的壓力梯度大于二者原始瓦斯壓力差，進而驅動大量鄰近層的卸壓瓦斯通過裂隙通道流向保護層開采空間。

2#煤層頂?shù)装宀蓜恿严稌r空分布特征隨著工作面推進距離發(fā)生動態(tài)變化，并受采高、巖性和應力條件影響，發(fā)育一定范圍后停止。根據(jù)前述判斷，3+4#、5#煤層處于2#煤層底板采動裂隙帶內，通過現(xiàn)場觀測，2#煤層底板底鼓高度可達10 cm以上，下部巖層卸壓變形破壞并產(chǎn)生大量裂隙，這為下鄰近層卸壓瓦斯涌入回采工作面和采空區(qū)提供運移通道。

2#煤層開采頂板裂隙帶發(fā)育高度為8～10倍采高，而其上部的彎曲下沉帶由于巖層以水平拉伸變形為主并未發(fā)生縱向破斷，進而形成縱向裂隙向上發(fā)育邊界條件。同時，3+4#、5#煤層卸壓瓦斯在擴散和升浮作用下通過底板采動裂隙涌入采場空間，直至頂板采動裂隙帶，形成彎曲下沉帶下方環(huán)形富集區(qū)以及切巷上方縱向富集區(qū)，也是采動裂隙帶鉆孔布置的最優(yōu)區(qū)間。

3 煤層群采動卸壓瓦斯定向抽采技術

3.1 煤層群采動卸壓瓦斯定向抽采原理

綜上分析，煤層群采動卸壓瓦斯從來源上分為兩類：一是來本煤層采空區(qū)的卸壓瓦斯(煤壁瓦斯、采空區(qū)瓦斯)，二是來自本煤層采動后下鄰近層中的卸壓瓦斯。主采煤層開采后，其采空區(qū)遺煤和下鄰煤層中的原始應力受到不同程度卸壓，導致煤巖體的變形破壞，裂隙增多，透氣性增大，同時打破煤層中瓦斯壓力平衡狀態(tài)，造成下部煤層卸壓瓦斯沿裂隙涌向本煤層回采工作面，瓦斯易超限。

圖8 高突煤層群卸壓瓦斯定向抽采示意圖

基于高瓦斯煤層群采空區(qū)和下鄰近層卸壓瓦斯運移規(guī)律分析，確立了定向長鉆孔群采空區(qū)裂隙帶抽采+下鄰近層卸壓瓦斯有效攔截的抽采模式(圖8)，采用卸壓瓦斯定向抽采關鍵技術在3+4#煤層鉆場分別向2#煤覆巖采動裂隙發(fā)育區(qū)施工穿層鉆孔以定向抽采2#煤層及下鄰近層3+4#、5#煤層施工穿層下向定向鉆孔，當2#煤層回采后有效攔截3+4、5#煤層卸壓瓦斯涌向上覆煤層。

3.2 煤層群采動卸壓瓦斯定向抽采鉆孔設計

在2201工作面回風巷一側鉆場分別向工作面采動裂隙帶、本煤層待采區(qū)及下鄰近層分別布置定向長鉆孔群(圖9)。①2號煤層本煤層定向長鉆孔梳狀鉆孔抽采，主孔長度l2≥300 m(根據(jù)煤層松軟程度及成孔率確定長度)，每隔30～50 m開一個分支，分支與主孔夾角為20°～40°，分支長度30～60 m，孔徑為Φ105 mm，其中回采工作面區(qū)段預抽鉆孔為一組12個，孔間距為12 m；掘進面條帶預抽鉆孔一組5個，孔間距為7 m。②2號煤層采動裂隙帶穿層定向長鉆孔長度為500 m，孔徑為Φ203 mm，每組鉆孔 5個，孔間距為16 m，終孔高度為8～10倍采高，約為10～15 m，與回風巷水平內錯距離為35～70 m。③下部3+4號煤層穿層定向長鉆孔長度l1≥300 m(根據(jù)煤層松軟程度及成孔率)，孔徑為Φ105 mm，其中回采工作面區(qū)段預抽鉆孔為一組12個，孔間距為15 m；掘進面條帶預抽鉆孔一組5個，孔間距為7 m。

圖9 2201工作面采動卸壓瓦斯定向抽采示意圖

3.3 煤層群采動卸壓瓦斯定向抽采效果

2201工作面開采速度快，日進尺約5 m，日產(chǎn)量達到1077 t，卸壓瓦斯涌出量偏大，供風量達2471 m3/min，上隅角易出現(xiàn)瓦斯超限，采用卸壓瓦斯分源定向抽采技術后，工作面回風流瓦斯?jié)舛绕骄?.52%，瓦斯抽采總量增至16.76 m3/min，抽采率超40%，滿足《煤礦瓦斯抽采達標暫行規(guī)定》中抽采指標要求。

(1) 瓦斯?jié)舛确治?/p>

根據(jù)2201工作面正?；夭善陂g上隅角和回風流瓦斯?jié)舛茸兓€(圖10)可知，采用卸壓瓦斯分源定向抽采后，工作面和回風流瓦斯?jié)舛染档?.6%以下，其中回風流和工作面瓦斯?jié)舛确謩e降至0.42%和0.22%。

圖10 2201工作面正?；夭善陂g瓦斯?jié)舛?/p>

由于2201工作面采用沿空留巷開采并對采空區(qū)進行了密閉處理，并對下部3+4#、5#煤層卸壓瓦斯進行預抽，起到了有效攔截的作用，進而使得工作面及回風巷瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)明顯降低。

(2) 本煤層抽采效果

統(tǒng)計分析2201工作面機軌合一巷1230 m(14#)、1290 m處(15#)鉆孔的抽采參數(shù)可知，14#鉆孔瓦斯?jié)舛绕骄鶠?1%，節(jié)流水柱為35 mmH2O，純量為0.16 m3/min，孔口抽采負壓為4.5 kPa；15#鉆孔的平均瓦斯?jié)舛葹?0%，孔板節(jié)流水珠為45 mmH2O，抽采純量約0.22 m3/min，抽采負壓為5 kPa。工作面本煤層瓦斯抽采量平均達到10.89 m3/min，抽采效率得到明顯提升。

(3) 被保護層預抽效果

下保護層3+4#卸壓瓦斯主要通過位于4208膠帶巷的下向穿層定向鉆孔(布置于該巷道1340 m和1220 m鉆場內)進行抽采，該區(qū)瓦斯抽采濃度為31%～87%，瓦斯抽采量為51～62 m3/min，處于卸壓瓦斯抽采高濃期和高產(chǎn)期，相比未卸壓區(qū)域該煤層的預抽鉆孔提升了2.4倍左右，說明卸壓瓦斯抽采效果提升顯著。

圖11 2201工作面回采期間各類瓦斯鉆孔抽采量變化

對比分析采用本項技術前后2201工作面瓦斯抽采效果可知，本煤層瓦斯抽采總量由8.55增至21.54 m3/min，下鄰近層(3+4#、5#煤層)卸壓瓦斯由19.74增至53.22 m3/min，瓦斯抽采率達到69.77%，工作面上隅角和回風流瓦斯?jié)舛冉抵?.25%和0.51%，瓦斯0超限，有效解決煤層群開采卸壓瓦斯涌出量大的問題，保障高產(chǎn)工作面安全生產(chǎn)的同時，進一步提高了日產(chǎn)量。

4 結論

(1) 2#煤層開采卸壓角分別為76和77°，底板卸壓深度為15～25 m，3+4#、5#煤層均處于其采動卸壓影響范圍，并作為2#煤層開采瓦斯主要來源。

(2) 在水平方向，工作面煤壁前方30 m至后方40 m為瓦斯涌出開始期；工作面后方40～90 m為活躍期；90 m以外為衰退期。在垂直方向，3+4#、5#煤層卸壓瓦斯通過底板采動裂隙逐步向2#煤層采空區(qū)裂隙帶運移富集，裂隙帶發(fā)育高度為12～16 m。

(3) 確立了(定向長鉆孔群本煤層預抽+采空區(qū)裂隙帶抽采+下鄰近層卸壓瓦斯有效攔截的抽采)模式，并給出了相應定向長鉆孔長度、孔徑、終孔位置等關鍵參數(shù)。

(4) 2201工作面瓦斯抽采量由8.55 m3/min增至21.54 m3/min，抽采達到69.77%。工作面瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.25%，回風巷瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.51%，瓦斯超限得到有效遏制，保證高產(chǎn)工作面安全生產(chǎn)。