高瓦斯近距離煤層開采“四位一體”瓦斯聯(lián)抽治理體系研究

文建東 張建江

（甘肅靖遠煤電集團魏家地煤礦）

關(guān)于近距離保護層開采瓦斯涌出規(guī)律與高效抽采，國內(nèi)外學者對采場圍巖力學特征［1-2］、采動裂隙演化特征［3］、含瓦斯煤滲透特性及卸壓瓦斯抽采技術(shù)［4-5］等方面進行了大量的研究工作，并取得了有益的研究成果。近年來又有學者結(jié)合煤礦開采的實際情況，對工作面采動工程中含裂隙巖體的氣固耦合方面進行了研究，該方向作為多學科交叉的方向已經(jīng)成為發(fā)展趨勢。雖然有些學者［6-7］對采動應力、覆巖裂隙與瓦斯的關(guān)系進行了研究，并取得了較有影響的成果，如“O”形圈、“橢剖帶”等，然而近距離煤層群開采條件下采動應力場、裂隙場以及瓦斯?jié)B流場“三場”之間的相互作用關(guān)系尚未形成統(tǒng)一認識。

隨著煤炭資源的獲取逐漸進入深部環(huán)境，高瓦斯煤層群開采的工況逐漸增多，而當煤層間的間距小于10 m 時，一般稱之為近距離煤層。此類煤層的首采層在開采過程中面臨的主要問題是受臨近層卸壓瓦斯釋放造成的采掘防突、瓦斯?jié)舛瘸薜劝踩[患較大。解決此類瓦斯問題行之有效的措施是改善供風和高效的瓦斯抽采，改善通風屬于瓦斯治理中的“疏”，而想從根本上解決近距離煤層開采造成瓦斯治理問題，掌握卸壓煤層瓦斯涌出規(guī)律與建立高效科學的瓦斯抽采技術(shù)體系是關(guān)鍵。

本文以甘肅靖遠煤電集團魏家地煤礦為工程背景，對近距離煤層瓦斯治理方式進行了系統(tǒng)探索，提出了高瓦斯近距離煤層開采“四位一體”瓦斯聯(lián)抽治理體系，旨在從根本上解決近距離煤層開采造成的多煤層瓦斯治理難題。

1 工程背景及治理思路

1.1 工程背景及難點

圖1為魏家地煤礦地理位置及局部鉆孔柱狀圖，魏家地煤礦北一采區(qū)一煤層與二煤層平均間距為11.7 m，一煤層（北1103工作面）的開采自動充當了二煤層的保護層。并且，二煤層完全位于一煤層開采形成的底臌裂隙帶（15～25 m）范圍內(nèi)［8-9］，該范圍內(nèi)的煤巖層受到保護層采動影響較大，裂隙發(fā)育充分，主要為巖層破斷后垂直、斜交層理形成的穿層裂隙。因此，一煤層回采期間，由于采動卸壓作用二煤層的卸壓瓦斯大量涌入一煤層回采工作面及其采空區(qū)，極大地增大了回采工作面瓦斯治理的難度，同時也是工作面回采過程中最大的安全隱患。

1.2 “四位一體”時空協(xié)調(diào)瓦斯高效抽采技術(shù)思路

根據(jù)上述魏家地煤礦北1103 工作面現(xiàn)狀及存在的問題，有針對性地提出“四位一體”時空協(xié)調(diào)瓦斯高效抽采技術(shù)，共包含4 個主要部分。其一，通過在一煤層通防巷布設鉆場，向二煤層布置下行傾斜鉆孔全面抽采位于工作面后方二煤層高效卸壓區(qū)內(nèi)瓦斯，該措施的優(yōu)點在于施工快、見效快，成本低。其二，在一煤層回風巷、通防巷施工定向攔截鉆孔，并全面覆蓋二煤層有效卸壓范圍，該措施的優(yōu)點在于可以全面抽采二煤層的卸壓瓦斯，從根本上解決有臨近層卸壓瓦斯造成的瓦斯治理問題。其三，于一煤層回風巷設置高位定向鉆孔，旨在抽采上述2項抽采未到位從而涌入一煤層采空區(qū)的瓦斯、一煤層工作面漏風帶入瓦斯以及采空區(qū)遺煤解吸釋放瓦斯。其四，在魏家地煤礦現(xiàn)有地面瓦斯抽采設施、設備的基礎上，通過上述研究結(jié)果對其進行針對性優(yōu)化，旨在解決抽采采空區(qū)殘余和輔助抽采一煤層、二煤層瓦斯。

2 布孔原理及方案

2.1 通防巷下行鉆孔布設方案

實施通防巷下行鉆孔周期短，可較快發(fā)揮治理作用。整個煤層傾角為12°，一、二煤層間距5～13 m，平均11.7 m，現(xiàn)工作面開采至310 m 處，于380 m 處布置鉆場進行通防巷鉆孔施工，后續(xù)鉆場依次間距10 m布置。整體布設方案如圖2、圖3所示。

上幫1 號鉆場于390 m 進行施工，鉆孔水平方向靠近回風側(cè)偏斜，偏斜角度為35.8°，豎直方向上，鉆孔向上偏斜，偏斜角度為3.4°，原理如圖2 所示。鉆孔端頭位于采空區(qū)內(nèi)部遠離工作面30 m 處，累計鉆進距離127 m；由于二煤層傾向存在角度，為使鉆孔有效抽采區(qū)域更廣，施工2 號鉆場時，水平方向偏斜角度減小1.8°，調(diào)整為34°，鉆孔向上偏斜角度減小0.4°，調(diào)整為3°，原理如圖3所示。累計鉆進距離減小1 m，調(diào)整為126 m；同理，布置后續(xù)鉆孔時均在前鉆孔偏斜角度基礎上進行微調(diào)，水平方向減小1.8°，豎直方向減小0.4°，鉆進距離減小1 m，鉆孔端頭處間距為5 m，鉆孔數(shù)量隨現(xiàn)場實際抽采情況進行調(diào)整，數(shù)量越多，攔截效果越好。

2.2 定向鉆孔布設方案

為了更好地布設定向攔截鉆孔，首先結(jié)合魏家地煤礦地質(zhì)資料，利用FLAC3D建立如圖4所示數(shù)值模型，得出北1103 工作面開采對其下伏二煤層的卸壓范圍以及卸壓角，如圖5、圖6和表1所示。

圖7 為定向攔截鉆孔布設示意圖，分別于北1103工作面回風巷、通防巷上幫和通防巷下幫設置3個鉆場，鉆場設計距工作面停采線75 m，具體可根據(jù)現(xiàn)場施工情況調(diào)整。其中1 號鉆場位于北1103 工作面回風巷，共設置3個鉆孔，鉆孔整體內(nèi)錯30 m，鉆孔間距10 m。2號鉆場位于北1103工作面通防巷上幫，共設置3個鉆孔，鉆孔整體內(nèi)錯30 m，鉆孔間距10 m。3 號鉆場位于北1103 工作面通防巷下幫，共設置10個鉆孔，鉆孔間距10 m。鉆孔于二煤層整體運動軌跡設計如圖7（b）所示，為充分抽采二煤層卸壓瓦斯，鉆孔軌跡垂向位于二煤層頂板下方2 m處。

2.3 高位定向布設方案

經(jīng)過布設上述下行鉆孔和定向攔截鉆孔后，下伏被煤層瓦斯以及采空區(qū)內(nèi)瓦斯已得到有效治理，鄰近層瓦斯涌出問題基本解決70%～80%，考慮到工作面瓦斯涌出另一源項為采空區(qū)遺煤瓦斯，若采取上述治理措施后，受瓦斯升浮作用影響，還有采空區(qū)瓦斯聚積于采空區(qū)上部。為解決該處瓦斯隱患，采取布設高位定向鉆孔抽采方案，精準抽采采空區(qū)上部堆積瓦斯。通過經(jīng)驗公式［10-11］計算得出北1103 工作面開采過后上覆巖層垮落“兩帶”范圍：垮落帶高度為40.8～50.22 m，裂隙帶高度為118.67～139.51 m。

根據(jù)高位鉆場的布設原則，鉆孔須有效地布設于工作面采空區(qū)上覆巖層裂隙帶內(nèi)，因此，設計高位定向鉆孔距離一煤層頂板垂距為60 m。整體鉆孔布設如圖8 所示。共計布設6 個高位鉆場，鉆場間距設置為100 m，其中1號鉆場位于工作面后方50 m，每個鉆場內(nèi)共布設5個鉆孔，鉆孔間距設為6 m，鉆孔垂向距離距一煤層頂板60 m，保證鉆孔位于采空區(qū)上覆巖層裂隙帶內(nèi)。

2.4 地面鉆井布設方案

依據(jù)圖4模型計算可知，采空區(qū)靠近回風巷一側(cè)32 m 范圍為高效卸壓區(qū)，有效卸壓區(qū)于工作面走向范圍為63 m，該范圍內(nèi)煤巖體壓力得到有效釋放，地面鉆井終孔位置應位于該區(qū)域內(nèi)，地面鉆井靠近采空區(qū)回風巷一側(cè)距離應為25～30 m。

3 效果驗證

為了驗證魏家地煤礦北1103 工作面采取上述“四位一體”卸壓瓦斯抽采關(guān)鍵技術(shù)的應用效果，選取低位定向攔截鉆孔、高位定向鉆孔、地面抽采鉆孔的抽采瓦斯純量以及治理前后風排瓦斯量占比，作為治理效果考核依據(jù)，結(jié)果如圖9所示。

由具體數(shù)據(jù)可知：①低位定向攔截鉆孔抽采瓦斯純量在7.43～8.63 m3/min，平均8.13 m3/min，說明低位定向攔截鉆孔能有效全面地抽采二煤層的卸壓瓦斯；②高位定向鉆孔和地面鉆孔瓦斯純量分別在0.73～1.24 m3/min 和1.03～1.26 m3/min，說明其起到了很好的輔助抽采采空區(qū)瓦斯的作用；③風排瓦斯占比由治理前的平均41%下降到了26%，風排瓦斯占比明顯減小。綜合說明了“四位一體”瓦斯抽采關(guān)鍵技術(shù)的科學性與實用性。

4 結(jié)論

（1）提出了針對高瓦斯近距離煤層開采的“通防巷下行鉆孔+定向攔截鉆孔+高位定向鉆孔+地面鉆井”瓦斯治理體系，并給定了具體參數(shù)。

（2）以鉆孔抽采瓦斯純量、風排瓦斯占比和上、下隅角瓦斯含量為監(jiān)測指標對該治理體系的實際效果進行了驗證，結(jié)果顯示瓦斯抽采效果顯著。