黃陵礦區立體抽采技術實踐應用

雷照源，高小虎，肖 曲

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 黃陵 727307)

0 引言

瓦斯是威脅礦井安全生產的重大災害，但合理的抽采技術是實現綠色開采的關鍵因素之一[1]。深部大采高工作面開采過程中，采動應力、圍巖變形、瓦斯(油層氣)涌出與淺埋-薄煤層差異性較大。黃陵二號煤礦416工作面埋深在445～645 m之間，平均采高6.0 m；主采煤層頂、底板中存在含氣砂頁巖、主采煤層及下部賦存煤層瓦斯含量相對較高，屬于典型的深部煤油氣共生礦區。由于埋深大，在大采高開采中采動煤巖應力與儲能隨時間與開采位置變化不斷釋放與轉移，造成圍巖裂隙發育，進而誘致80%瓦斯涌出來自圍巖。因此，深入系統地研究揭示深部高瓦斯礦井大采高工作面圍巖運移特征及其演化規律，采用立體抽采防控技術，對現場安全開采、綠色開采具有現實必要性。

多年來，許多學者針對不同地區瓦斯賦存-運移及瓦斯抽采規律開展了豐富的研究。在煤層瓦斯抽放過程中，煤體瓦斯處于吸附-解吸狀態進而改變煤體形態，聶百勝[2]等利用煤體變形實驗裝置得出煤體變形量隨著瓦斯壓力的增加而增大，且煤體在一次加壓吸附實驗中變形分為3個階段。楊天鴻[3]等通過建立瓦斯煤巖破裂過程固氣耦合作用模型，認為深部煤層開采引起的覆巖層大范圍的變形、離層、垮落，被保護煤層透氣性急劇增高，瓦斯抽放孔周圍的瓦斯壓力降低的“卸壓增流效應”十分明顯。俞啟香[4]等將采煤工作面瓦斯來源劃分為煤壁、采落煤和采空區3部分。褚廷湘[5]等為協調采空區瓦斯抽采與煤自燃耦合防治，提出了合理瓦斯抽采量概念。在瓦斯抽采及控制方面，各礦井針對自身實際情況分別對抽采方案、施工、評價做出了針對性的研究，形成具有特色抽采評價體系[6-12]。但隨開采深度增加與煤層變化，瓦斯(油層氣)涌出變化明顯，單一的抽采模式嚴重制約開采安全。亟需研究適合黃陵礦區的多維度立體化瓦斯綜合抽采技術，實現采動空間動態瓦斯抽采。提高礦井采掘和瓦斯抽采效率，從根本上解決礦井瓦斯問題，為實現礦井安全開采提供有力支撐。

以黃陵二號煤礦瓦斯(油層氣)抽采安全防控為目標，基于開采條件調查，分析含氣層的分布特點；有針對性地建立立體預抽方案和實時監測評估，保障現場開采安全。

1 煤層賦存特征及瓦斯賦存特性

1.1 地質構造特征

二號煤礦位于黃陵礦區西北部，為一傾向北西—北西西的單斜構造，地層傾角一般1°～5°。延安組呈一傾向北西西之單斜構造將井田一分為二，其一位于井田中部，長約34 km，寬約2.6～5 km；其二位于井田西部，長約28 km，寬約3.5 km，幅度20～30 m。中侏羅統延安組有4段組成，是一個頂底均為不整合面。第一段為含煤階段(2#、3#煤)，第二段部分區域含油、含氣。目前主采2#煤層。

1.2 瓦斯(油層氣)分布特征

四盤區處于高瓦斯-瓦斯異常帶中，瓦斯(油層氣)含量≥1 m3/t。礦區范圍內連續性較好的砂巖儲集層共4個，分別為直羅砂巖含氣層、延安組第二段第一旋回下部細粒砂巖含氣層、富縣組下部砂巖含氣層、瓦窯堡組砂巖含氣層，如圖1所示。4個含氣層也分別稱之為頂部、頂板、底部含氣層。

圖1 2#煤層瓦斯-油層氣分布特征

1.3 生產條件

416工作面井下標高+720～+728 m，平均埋深500 m，走向長度2 632 m，傾斜長度300 m，為1區1面。煤層平均厚度6.0 m，屬穩定-較穩定煤層，選用一次采全高。工作面采用二進一回式通風，即輔運巷、膠帶巷進風，回風巷(上一工作面的輔運巷)回風。

采動影響使圍巖形成了各種瓦斯(油層氣)涌出的通道。工作面預抽后，礦井瓦斯涌出量仍然較大。采空區瓦斯涌出、底板油層氣溢出等問題，造成采空區瓦斯(油層氣)涌如工作面、上隅角瓦斯集聚等嚴重現象。

2 工作面“三帶”確定

隨著工作面的推進，覆巖變形和破壞在不斷地變化，工作面覆巖出現“三帶”“三區”現象。

由《礦井水文地質規程》中冒落帶和裂隙帶最大高度經驗公式可知。

冒落帶最大冒落高度Hc，如公式(1)所示。

Hc=(4～8)M=24～28 m

(1)

裂隙帶高度(包括冒落帶最大高度)Hf，如公式(2)所示。

(2)

式中：M—開采厚度，m；n—開采煤層層數。可得

由此可知，受采動影響頂部含氣層處于彎曲下沉帶，頂板含氣層處于垮落帶和裂隙帶之間，頂板裂隙發育使頂部瓦斯涌入工作面和采空區；采空區是瓦斯(油層氣)賦存的主要聚集地。所以“頂—底”是預抽的難點，采空區是抽采控制的重點。必須進行分區、分段抽采。

3 瓦斯(油層氣)防控技術

3.1 立體抽采技術

隨著井下鉆探設備的不斷發展和進步，抽采鉆孔逐漸由短鉆孔抽采轉向定向長鉆孔，能實現井下更大范圍的地質災害探測及治理的綜合效應。基于含氣巖層演化規律，定向鉆探施工技術工藝，在本煤層及其頂底板實施定向長鉆孔探抽油型氣。將整個抽采分為采空區、采動區、未采煤層區三區。針對區域位置不同，分別實施具有時間尺度的綜合立體抽采，如圖2所示。

圖2 煤油氣共生礦井立體綜合抽采

未采工作面預抽是提前抽取各含氣層瓦斯-油層氣，減少采動時工作面瓦斯涌出；采動區是指利用工作面圍巖變化的動態過程進行抽采，增大抽采量；采空區抽采是指在將采空區瓦斯集聚的重災區進行重點抽采。這3種抽采是協同作業，從而形成“線—面—體”的綜合立體抽采。

3.2 各位置鉆孔布置參數

416工作面回風巷、輔運巷布置抽采硐室，尺寸為4 m×4.5 m×2.6 m。每條巷道布置16個抽采硐室，硐室間距150 m。工作面上隅角處設置采空區瓦斯抽放孔，其他鉆孔布置參數如圖3所示。

隨著工作面的推進，各抽采硐室進行“采動—未動”的變化。設計本煤層鉆孔3個，間距約1 m，長度約150 m。頂底板鉆孔參數見表1。

頂、底板有效抽采范圍分別為100 m、22 m，能夠將工作面的瓦斯源進行預采。

a-底部鉆孔布置;b-頂部鉆孔布置;c-本煤層鉆孔布置圖3 各鉆孔布置參數

表1 各位置鉆孔參數

3.3 抽采效果

工作面持續抽采瓦斯-油層氣，分別提取3#硐室的各鉆孔瓦斯抽放結果，分析綜合立體抽采效果。頂板、底部累計抽采59 d，抽采情況如圖4所示。

頂、底部巖層抽采情況：鉆孔受采動和不同區域差異性的影響，抽采量和抽采濃度變化幅度較大。頂部抽采量平均300 m3/d、底部抽采量平均178 m3/d。各巖層受采動影響，頂板抽采量曲線呈“凹”型。下部細砂巖層與2煤、3煤間接較小，受采動影響后巖層形成布局導通裂隙，5.23～5.26抽采量增加呈現“起伏震蕩”變化。

a-頂板孔抽情況;b-底板抽采情況圖4 各位置采濃度和純流量曲線

本煤層抽采情況：每個硐室的3個煤層定向抽采鉆孔抽采情況如圖5所示。經過24個月各鉆孔分別由2.794萬m3/月降至0.079萬m3，2.350萬m3/月降至0.067萬m3/月，2.387萬m3/月降至0.068 m3/月。累計抽采量分別為抽采總量為18.85萬m3、15.97萬m3、16.22萬m3，共抽采瓦斯量為54.41萬m3。各瓦斯抽采濃度分別由92.4%降至13.4%，80%降至15.2%，85%降至17%。原始瓦斯含量為3.01 m3/t，經過24個月預抽后煤層瓦斯含量為1.56～1.73 m3/t，預抽率為42.52%～48.17%。瓦斯壓力由原來的0.65 MPa降低到0.19～0.28 MPa。

a-1#鉆孔抽采量;b-2#鉆孔抽采量;c-3#鉆孔抽采量;d-鉆場鉆孔瓦斯濃度變化圖5 各鉆孔瓦斯抽采純量級濃度變化

采空區抽采情況：采空區瓦斯主要來源于頂底、板，3月28—31日受巖層運動造成瓦斯含量驟增。抽采后，采空區瓦斯含量明顯降低，如圖6所示。對比抽采前、后6個月的上隅角瓦斯濃度，明顯可知：未進入頂板鉆孔區域前3個月統計濃度平均為0.81%，抽采后2個月濃度平均為0.48%，下降了41%。通過抽采，整個區域瓦斯-油層氣整體沉陷降低趨勢，得到了良好的控制效果。

圖6 隅角瓦斯濃度變化規律

4 結論

(1)工作面的砂巖儲氣層共4個，受采動影響頂部含氣層處于彎曲下沉帶，頂板含氣層處于垮落帶和裂隙帶之間，底板含氣層處于擾動范圍內。各含氣層在形成的裂隙通道之間導入采空區和工作面。采空區將是瓦斯(油層氣)賦存的主要聚集地。

(2)確定了深部高瓦斯礦井大采高工作面的線—面—體”的綜合立體抽采方案。將整個抽采分為采空區、采動區、未采煤層區三區，實現了具有時間尺度的綜合立體抽采技術。

(3)工作面綜合抽采技術實現空間全覆蓋的“采前探(抽)、采中、采后抽”瓦斯抽采，各位置抽采量增加、瓦斯濃度降低。圍巖、煤層、采空區瓦斯濃度分別降低了40%、68%、41%。