高瓦斯煤層群水平井立體抽采模型探討

王向東，王 俊，李麗兵

(山西華晉焦煤有限責任公司，山西 柳林 033301)

近年來，隨著煤層氣井參與礦井瓦斯治理以來，礦井瓦斯治理出現了新的理念。但煤層氣開采與煤礦開采無法形成有效互補，甚至還會相互制約，造成安全隱患。本文以沙曲礦24307多分支水平對接井為例，探討新的瓦斯抽采模式。

1 概 況

沙曲煤礦井田總體呈單斜構造，地層走向由北向南，由南北向漸變為北西向，傾向由西漸變為南西，地層傾角平緩，一般為3°～7°. 井田內以寬緩的小型褶曲及陷落柱構造為主，斷層稀少且斷距小，井田內無巖漿侵入，井田地質結構屬簡單型。其工作面布置方式均為傾斜長臂后退式開采。

目前，沙曲煤礦主采山西組4#煤層和5#煤層。其中4#煤層賦存于山西組下部，平均瓦斯含量11.06 m3/t，煤厚平均2.98 m. 北翼區域部分為3#、4#煤合并的厚煤地段，煤層多為4 m左右，最厚達6.05 m. 5#煤層上距4#煤層平均2.98 m，煤厚平均2.73 m，平均瓦斯含量12.08 m3/t. 3#煤距4#煤平均6.16 m，平均瓦斯含量12.55 m3/t，煤厚平均1.05 m. 2#煤距4#煤平均16.50 m，平均瓦斯含量10.65 m3/t，煤厚平均0.89 m. 24307工作面柱狀圖見圖1.

圖1 24307工作面柱狀圖

2 主采煤層多分支水平井抽采情況

2.1 工作面概況

沙曲煤礦24307工作面西以礦井軌道大巷為界、北至龍花垣村莊保護煤柱、東與地方煤礦相鄰、南為該礦井24306規劃工作面；24307工作面東西(傾向)長1 500 m，南北寬220 m. 該工作面為3#、4#煤層合并區，3#+4#煤層底板標高為+470～+600 m，煤層厚度3.2～4.5 m，平均厚度4.3 m，煤的堅固性系數為0.4，屬軟煤。

2.2 多分支水平井工程布置

沙曲煤礦24307多分支水平對接井工程，包括井下對接抽采孔和地面水平井兩部分(見圖2). 井下施工的XC01、XC02兩個對接瓦斯抽采鉆孔均布置在礦井北軌大巷的右幫，地面多分支水平井共施工2個主支、4個側分支(南1分支、南2分支、南3分支、北分支)。其中：DS01主支位于工作面瓦斯抽放巷與膠帶順槽之間，入煤后水平段長度為1 027 m，與XC01實現對接連通。DS02主支布置在工作面中軸位置，入煤后水平段長為1 056 m，與XC02實現對接連通；南1分支、南2分支、南3分支、北分支等4個側分支分布在DS02主支的兩側。主、分支煤層段累計長度2 670 m.

圖2 沙曲礦24307地面多分支水平對接井工程布置圖

沙曲煤礦24307多分支水平對接井工程采用三開三完的方式鉆井，分直井段、造斜段和水平段。其中，水平段是瓦斯治理的有效部分，最終與井下鉆孔進行對接，采用井下抽采系統進行抽采(見圖3).

圖3 多分支水平對接井工程布置剖面圖

2.3 抽采效果分析

2012年12月17日XC02孔開始抽采，2013年3月15日XC01孔開始抽采。截止2016年10月17日，累計連續抽采1 401天，累計抽采量達14 822 083 m3(標態純量，下同)，在穩產期瓦斯濃度均保持在90%以上(產氣量曲線見圖4，圖5).

圖4 瓦斯抽采量累計曲線圖

圖5 日抽采量變化曲線圖

因DS02包含4個分支，抽采量較大，其設計的主要目的是抽采24307綜采工作面的瓦斯；DS01沒有分支，且孔內疑似塌方，造成抽采量曲線變化不規律，其設計主要目的是解決兩側巷道掘進過程的煤與瓦斯突出和瓦斯涌出量大的問題。在實際掘進作業中，該巷道一次掘進1 000 m無需抽采，掘進時巷道瓦斯涌出量3.2 m3/min左右，達到預期目標。

按照寬300 m，長1 100 m的有效范圍進行計算，不考慮鄰近層煤巖體和有效范圍以外煤體的瓦斯滲流，瓦斯抽采率達到69.4%，殘余瓦斯含量為4.5 m3/t. 具體煤層瓦斯參數見表1.

表1 24307煤層瓦斯參數表

由此可知，多分支水平井可以從根本上解決高瓦斯礦井的瓦斯問題。再輔以其它措施，可以達到高瓦斯突出礦井在低瓦斯狀態下生產的目標。

從時間上看，在抽采時間達到700天后，抽采量衰竭嚴重，按XC01孔的抽采情況來看，700天后的抽采意義很小，前700天抽采率已經達到48.7%，剩余瓦斯含量約5.67 m3/t. 因此，抽采時間安排兩年左右是比較合理的。從工程布置來看，施工工期一般為60～90天(兩次對接)。因此，按照兩年半的時間銜接煤礦生產是比較合理的。

3 下鄰近層多分支水平井抽采探討

24307工作面下鄰近層為5#煤層，層間距小，瓦斯含量大，在工作面回采時容易形成大量瓦斯通過采空區進入回采工作面，是工作面回采期間瓦斯涌出的主要來源之一。按照上文提到的有效范圍進行計算，則5#煤層貯藏了1 746萬m3瓦斯。如果僅在工作面回采時才進行瓦斯治理對通風形成的壓力太大，而且容易造成工作面上隅角瓦斯積聚。而傳統的瓦斯治理方法又無法有效治理下鄰近層瓦斯。因此，建議采取地面多分支水平井的方式。

5#煤層井眼布置一個主支，左右各兩個分支，主支長度1 100 m，分支長度270～300 m，均勻分布于回采工作面內(見圖6).

圖6 下鄰近層多分支水平井設計圖

由圖6可以看出，下鄰近層多分支水平井的布置優于本煤層DS02井的效果，因兩個煤層透氣性系數相近，抽采數據采用DS02井抽采數據，有效范圍寬度250 m，不考慮上下鄰近層和周邊煤層的瓦斯滲流，預計700天的抽采時間可以達到56.2%，殘余瓦斯含量可以降到5.29 m3/t. 在工作面回采過程中可以較大降低下鄰近層瓦斯對采空區的威脅。

另外，在本煤層工作面采掘期間，下鄰近層多分支水平井可以繼續抽采，在繼續抽采瓦斯的同時可牽制下鄰近層及其下覆煤巖層的瓦斯流向，減少瓦斯向本煤層采空區涌出。

4 上鄰近層水平井抽采探討

根據沙曲礦綜采工作面瓦斯涌出量分類統計數據顯示，上鄰近層鉆孔占比約40%，風排瓦斯占比約40%，本煤層抽采約占5%，采空區插管抽放約占15%.

根據綜采工作面瓦斯的運移規律，進入采空區的上下鄰近層瓦斯和落煤釋放的瓦斯首先向采空區冒落帶和裂隙帶流動，該區域無法容納的瓦斯則涌入工作面和采空區，因工作面通風形成的效應，工作面上隅角容易形成瓦斯積聚，在風排瓦斯和采空區插管抽放都達到極限之后，上隅角瓦斯就會迅速積聚造成瓦斯超限，影響礦井安全生產。

因此，為了減少涌入工作面的瓦斯量，首先要從上鄰近層入手，而井下鉆孔無法有效地對上鄰近層的煤層瓦斯進行抽采，只能在工作面回采時抽采涌入采空區和裂隙帶的瓦斯。井下鉆孔還有有效長度短，鉆孔之間的銜接等問題。

鑒于以上因素，在上鄰近層施工水平井抽采煤層瓦斯和采空區瓦斯，效果優于井下鉆孔的抽采效果。

根據采空區瓦斯運移規律，采空區瓦斯向回風一側的采空區積聚，因此將鉆孔布置在靠近回風一側投影距離巷道20 m的上鄰近層。2#煤層距離4#煤層頂板16.5 m，位于裂隙帶范圍內，屬于適合抽采區域。因此，將上鄰近層設計在2#煤層，投影位置見圖7.

圖7 上鄰近層多分支水平井設計圖

該鉆孔無需施工分支，其作用是充當裂隙帶鉆孔，在工程完工后首先抽采2#煤層瓦斯，工作面回采期間抽采采空區瓦斯，防止瓦斯向上隅角積聚；在工作面回采完成后，可以控制抽放采空區瓦斯，防止采空區密閉瓦斯超限，同時控制采空區避免發火。此鉆孔可以長期利用實現效果最大化。

5 立體抽采整體效果預測

根據以上內容分析，本抽采模式分為以下3個階段：

5.1 本煤層抽采階段

本階段各個水平井抽采本煤層瓦斯，是最主要階段，也是瓦斯采出量最多的階段。第一階段經過700天抽采煤層剩余瓦斯含量按煤層自上至下分別為：6.05 m3/t、5.67 m3/t、5.29 m3/t，綜合抽采率達到49.5%，基本實現抽采達標。

5.2 回采中抽采階段

本階段為相互配合階段，4#煤層鉆孔的作用已經非常有限，加入少量負壓牽制一下落煤瓦斯的流向即可。下鄰近層鉆孔此時不僅要抽采因開采擾動解吸的瓦斯，還要牽制下鄰近層的瓦斯流向，以減少涌入采空區的瓦斯。上鄰近層鉆孔作為本階段的關鍵，主要抽采涌入采空區的瓦斯，并且增加采空區瓦斯出路，使采空區形成一個穩定的氣流，防止上隅角瓦斯積聚。

5.3 回采后抽采階段

本階段為后續利用階段，回采后工作面已經密閉，但是采空區瓦斯會不斷積聚，又因礦井采用負壓通風，采空區瓦斯會緩慢涌入采區巷道，造成回風瓦斯濃度升高和密閉附近瓦斯超限。因此，回采后可根據采空區瓦斯涌出情況調整抽采，確保安全生產。

此外，如果工作面瓦斯涌出量大，仍然不能確保上隅角不積聚瓦斯，可在回風巷布置一條瓦斯抽采管路，插入采空區進行埋管抽采。

6 存在的問題

1) 有一定的局限性，其水平段沿傾向向下布置最為適宜，沿走向效果可能會有影響，如果沿傾向向上布置抽采效果則會降低。

2) 水平段長度1 100 m，如果中部發生塌方，則會對后部的抽采造成很大影響，下設篩管可解決此問題。

7 結 論

24307工作面采用多分支水平鉆孔抽采后，在掘進期間最大掘進速度為230 m/月，而常規鉆孔抽采最大掘進速度為100 m/月，為此采用多分支水平井可有效緩解沙曲礦抽采掘銜接緊張的問題。

通過對沙曲礦井24307工作面區域采用多分支水平對接鉆孔進行區域治理，認為高瓦斯煤層群水平井立體抽采可以作為高瓦斯突出礦井區域瓦斯治理的新方法，在同類礦井均可以應用。應用多分支水平井井下對接技術，噸煤瓦斯治理成本低、投資少、施工周期短，瓦斯抽采濃度高，可以實現瓦斯超前治理，形成礦井立體抽采的新格局，進一步完善瓦斯區域治理方法，為煤礦安全生產提供有力保障。