高瓦斯薄煤層工作面立體瓦斯抽采技術

許 恒

(大同煤礦集團公司)

煤層瓦斯富集引起的煤與瓦斯突出事故、瓦斯爆炸燃燒事故是煤礦開采過程中面臨的重大災害，在威脅井下工作人員的同時，也制約著煤炭行業的發展與經濟效益的提高。薄煤層工作面由于采高較低，開采速度快，致使頂板下沉量減少，裂隙帶發育緩慢，采空區內易富集瓦斯。加之廣泛采用的U型通風系統巷道結構簡單，防治工作面瓦斯積聚能力較差[1-4]。瓦斯抽采是目前治理釋放采空區內瓦斯富集的有效辦法之一，瓦斯抽采按照鉆孔分為高位鉆孔抽采、本煤層鉆孔抽采、穿層鉆孔抽采以及立體抽采等[5]。面對變質程度高、滲透率低、透氣性差、瓦斯高的薄煤層，通過對其采空區和鄰近層的瓦斯進行全方位立體抽采，可以有效地提高礦井的瓦斯抽放率，降低工作面瓦斯體積分數，消除瓦斯積聚危險[6-8]。

1 工程概況

小青煤礦設計生產能力為120萬t/a，2010年核定生產能力250萬t/a。W2713工作面是小青煤礦W2主力開采區薄煤層工作面，位于其北部，采用刨煤機割煤工藝回采，工作面斜長225 m，煤層傾角為3°～5°，工作面走向長1 712 m，煤層厚1.40 m，煤層自然發火期限為90～180 d，煤塵爆炸指數為36.8%。采區內上覆頂板巖層發育，偽頂為灰黑色泥巖，易垮落破碎，直接頂為粉砂巖。采區所屬地質構造瓦斯易賦存，煤層附近巖層裂隙比較不發育，使各煤層瓦斯賦存條件適宜，工作面最大涌出量為58 m3/min，平均為32.58 m3/min。通過實地檢測，W2713工作面釋放瓦斯占總瓦斯釋放量20%～30%，其余為采空區內瓦斯釋放量。

在工作面正式開采前，待開采煤層、上覆巖層與賦存瓦斯構成穩定狀態。隨著工作面推進形成采空區，其上覆巖層失穩斷裂，頂板逐漸垮落，三者之間的穩定狀態被破壞，上覆巖層破壞變形，形成縱橫交錯的裂縫，賦存瓦斯經由這些裂縫涌出到開采工作面。隨著工作面向前推進、開采煤層破碎過程中，煤層賦存的瓦斯也會涌出，在工作面形成瓦斯積聚區。

W2采區薄煤層工作面瓦斯來源主要為采空區游離瓦斯、采空區煤壁涌出瓦斯與鄰近層內游離瓦斯，占總瓦斯涌出量70%～80%。采空區內部涌出的瓦斯一方面是在工作面回采過程中采空區上下兩側預留煤柱在采動應力作用下發生裂隙直至向兩側深部延伸，致使裂隙發育區內煤層賦存瓦斯涌入；另一方面是回采遺煤邊角煤炭賦存瓦斯在采空區內得到釋放。上覆巖層受到采動影響，形成的裂隙向上發育，致使鄰近4-2煤層內部的賦存瓦斯通過裂隙涌入采空區內，這是小青煤礦W2采區薄煤層工作面瓦斯主要來源。

2 W2713工作面立體瓦斯抽采技術

2.1 采空區深部瓦斯治理

小青煤礦W2713工作面頂板巖層發育，偽頂為平均厚0.80 m的泥巖；夾雜泥巖的粉、中砂巖互層平均厚5.20 m，為直接頂；主要以砂礫巖為主的老頂為砂巖層。采區所屬地質構造瓦斯易賦存，各煤層瓦斯賦存條件適宜。由于頂板砂巖層裂隙構造豐富，加之其含水量大，增加了抽采難度。只利用頂板鉆孔并不能有效解決W2713工作面采空區瓦斯大量涌出的問題，故采取地面鉆孔負壓抽采的方法。

地面鉆孔布置靠近W2713回風順槽，距其40 m依次布設10個地面鉆孔，間距為150～200 m，鉆孔最淺478 m，最深528 m，平均深503 m；各部件中心線一致，孔斜誤差范圍不超過1%。用閥門對地面鉆孔進行控制，通過閥門井對鉆孔內的積水和瓦斯濃度進行觀測。地面鉆孔布置見圖1。

圖1 地面鉆孔布置

2.2 采空區淺部瓦斯治理

2.2.1 頂板斜交鉆孔法

由于工作面上覆巖層“O”型空間結構[9-13]運動引起的變形、破斷、失穩和頂板冒落，根據其狀況的不同，結合經歷時間長短，將采空區在縱向空間劃分為裂隙帶、冒落帶和彎曲下沉帶；同時，根據采空區矸石、浮煤壓實程度將采空區在橫向空間劃分為載荷影響區、自然堆積區和壓實穩定區。在受到采動影響作用下，上覆巖層處在失穩狀態形成離層及裂縫，將鉆孔布置在裂隙帶中，可以充分抽采。

由于W2713工作面相較中厚煤層工作面采動裂隙發育階段、活躍階段、穩定階段均滯后20 m左右，采動裂隙發育較充分區域的高度僅為10 m左右。因此，將鉆孔最大限度地布置在處于活躍階段內的采動裂隙發育較充分區域。W2713頂板斜交鉆孔布置參數見表1。鉆場超前備用接續2個抽采鉆場，再超前施工一個接續鉆場為宜。

表1 W2713頂板斜交鉆孔參數

2.2.2 頂板水平鉆孔法

根據小青礦W2713工作面地質條件，確定水平鉆場長350 m，間距為280 m，鉆孔水平方向呈小扇形，覆蓋靠近回風側1/2工作面。鉆孔布置在頂板離層裂隙帶內，鉆孔布置參數見表2。鉆孔呈拋物線形，鉆孔軌跡頂點至孔底孔內積水，沉淀少量巖粉，頂板巖層斷裂后鉆孔積水流出。水平鉆孔抽采薄煤層工作面采空區前部富集區瓦斯，與斜交鉆孔相比，后期管理有抽采周期工作量小、抽采量大、效率高的特點，是薄煤層工作面主要抽采方法之一。

表2 W2713頂板水平鉆孔參數

2.2.3 鉆孔氣水分離裝置

由于W2采區地質條件多變，頂板砂巖層含水量大，且含水層裂隙發育導致鉆孔涌水量較大，如處理不好涌水，將嚴重影響抽采量。采用人工排水容易導致水進入抽采管路，降低抽采效率，甚至升高工作面瓦斯濃度，影響正常生產[14]。采用二級氣水分離裝置提高抽采量，裝置結構見圖2。其過程為鉆孔內的瓦斯與水進入一級氣水分離器進行初次分離后，經由4寸鋼絲軟管進入二級氣水分離器，實現瓦斯與水的分離。

2.3 采區回風上隅角瓦斯治理

對采空區深部瓦斯進行地面鉆孔抽采，同時在采煤工作面回風上隅角附近進行交叉鉆孔來抽采采空區淺部瓦斯，回風上隅角的瓦斯濃度仍超過1%。為進一步提高立體抽采效果，采用珍珠巖封堵工作面上隅角[15]，通過大流量移動泵明管抽采回風上隅角瓦斯后，改變回風上隅角附近區域流場原來的分布狀態，使得上隅角瓦斯濃度降低。

圖2 鉆孔二級氣水分離裝置示意

3 立體瓦斯抽采效果

采用立體抽采技術后， W2713工作面回風上隅角瓦斯濃度變化曲線見圖3。可以看出，回風上隅角瓦斯濃度低于0.7%，滿足安全生產的需要。

圖3 W2713工作面回風上隅角瓦斯濃度變化

W2713工作面立體瓦斯抽采量匯總見表3。可以看出，在立體抽采技術應用過程中，總抽采量為27.15 m3/min，占總涌出量的83.77%；大流量移動泵抽采3.00 m3/min，占總抽采量的11.05%；工作面交叉鉆孔抽采13.31 m3/min，占總抽采量的49.02%，地面鉆孔抽采10.84 m3/min，占總抽采量的39.93%；瓦斯抽采率的提高改善了工作面的安全狀況。

表3 W2713抽采情況匯總 m3/min

4 結 論

(1)W2采區薄煤層工作面瓦斯來源主要為采空區游離瓦斯、采空區煤壁涌出瓦斯與鄰近層內游離瓦斯涌出，其中受采動影響，采空區上覆巖層發育使鄰近4-2煤層內部的賦存瓦斯通過裂隙涌入采空區。

(2)通過立體抽采方案的實施，使得小青煤礦W2713薄煤層工作面內的瓦斯濃度明顯降低，回風上隅角瓦斯濃度低于0.7%，瓦斯抽采率明顯提高，改善了工作面的安全狀況，解決了上隅角瓦斯超限問題。

(3)采用地面鉆孔負壓抽采采空區深部瓦斯與水平鉆孔、斜交鉆孔協同負壓預抽淺部瓦斯，根據工作面上覆巖層“O”型裂隙圈的形成特點，將鉆孔布設在采動裂隙發育較充分區域。

(4)地面鉆孔瓦斯抽采量大穩定，濃度高，鉆孔服務時限長，管理維護簡單安全；當采場封閉后，仍會有較長時間的穩定產量，可作為清潔能源進行利用。