厚煤層開采卸壓瓦斯抽采技術研究

關瑞斌

摘 要：針對3603工作面開采的3號煤層厚度大、瓦斯涌出量高、采面瓦斯容易超限等問題，本文采用理論分析方法分析確定了覆巖冒落帶、裂隙帶發育高度及最佳瓦斯抽采區域，提出采用低、中、高三種抽采鉆孔對裂隙瓦斯進行抽采，并進行現場應用。結果表明，3603綜放工作面開采后最佳瓦斯抽放區域為頂板上覆35～55 m，采用低、中、高抽采鉆孔抽采裂隙瓦斯后，采面上隅角、回風巷瓦斯濃度降低至0.6%、0.5%以內，確保了厚煤層綜放開采工作面生產安全。

關鍵詞：綜放開采;覆巖裂隙;高位鉆孔;冒落帶

中圖分類號：TD712.6文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）20-0098-03

Abstract： In view of the problems such as large thickness of No.3 Coal Seam in 3603 working face， high gas emission and easy overrun of gas in mining face， the development height of overburden caving zone and fracture zone and the best gas drainage area were analyzed and determined by theoretical analysis method， and three kinds of drainage boreholes， namely low， medium and high， were proposed to extract fracture gas， and field application was carried out in this paper. The results show that the best gas drainage area after mining in 3603 fully mechanized caving face is 35～55 m overlying the roof. After low， medium and high drainage boreholes are used to extract the fractured gas， the corner of the mining face and the return air lane gas The concentration was reduced to within 0.6% and 0.5%， which ensured the production safety of fully mechanized caving mining face in thick coal seams and achieved remarkable application results.

Keywords： fully mechanized caving;overburden cracks;high-level drilling;caving zone

煤炭開采受到瓦斯、水、地質構造等諸多不利因素制約，給礦井生產帶來諸多影響[1]。特別是厚煤層采用綜放開采時，由于一次開采厚度大采空區內遺煤多，在回采過程中，瓦斯涌出量大，時常造成上隅角瓦斯超限，制約礦井生產安全[2-4]。采空區瓦斯涌出是厚煤層綜放開采工作面瓦斯涌出的主要來源之一，高位裂隙瓦斯抽采是采空區瓦斯治理的常用手段，眾多研究學者對高位卸壓瓦斯抽采進行研究。其中，姚曉旭等[5]對被保護層卸壓瓦斯進行治理，并分析了覆巖裂隙演化及瓦斯運移規律，為瓦斯治理方案的制訂提供一定的參考;劉超等[6]采用微震監測技術對煤層開采后的上覆巖層裂隙進行識別，為高位裂隙抽采鉆孔布置提供一定借鑒。本文以山西某礦3605綜采工作面為工程背景，對厚煤層開采后引起的上覆裂隙分布情況進行分析，并具體設計高位裂隙瓦斯抽采鉆孔，有效治理了采空區瓦斯涌出，應用效果顯著。

1 工程概況

某礦設計產能為600萬t/a，現階段開采的3號煤層，埋深平均為350 m，瓦斯含量介于4.6～5.8 m3/t，煤層厚度平均為4.2～20.m（平均12 m），為近水平煤層。3603采面采用綜放開采方式，采用全部垮落法管理頂頂板，采放比為1∶1.02，采用U型通風方式，直接頂為泥巖、砂質泥巖，基本頂為粉砂巖，具體頂底板巖性如表1所示。

雖然3號煤層原始瓦斯含量不高，且進行了采前預抽，但是由于煤層透氣性差、松軟，預抽后的煤層內殘余瓦斯含量較高，預計3603采面開采期間瓦斯涌出量可達24.9 m3/min，上隅角瓦斯處于臨界狀態，因此有必要根據采面情況制定合理的高位卸壓瓦斯抽采鉆孔。

2 厚煤層開采后覆巖裂隙發育情況

煤層開采后覆巖發育與巖性、煤層開采方式等有密切關聯。煤層開采后覆巖垮落下沉，形成的穿層裂隙、離層裂隙相互交錯，最終形成一個類似于帽形的裂隙發育帶，具體如圖1所示[7]。

根據3603綜采工作面煤巖特征，并依據式（1）～（2），計算得出冒落帶、裂隙帶高度分別為27～36 m（平均31.5 m）、83～141 m（平均112 m）。

3603采面開采后裂隙帶發育高度達到110 m，在裂隙帶上覆裂隙滲透性顯著降低，同時由于瓦斯重量較空氣輕，采空區內的瓦斯會沿著冒落裂隙向上擴展。根據相關研究學者采用數值模擬、相似模擬研究成果[8-9]，并結合工程類比法，判定3603綜放工作面頂板上覆35～55 m范圍為瓦斯抽采有利區域。

3 高位裂隙鉆孔設計

3.1 鉆孔布置方案

由于3號煤層開采后的裂隙帶發育高度平均達到112 m，為了對卸壓上覆裂隙瓦斯進行有效抽放，降低采空區瓦斯涌出量，提出采用低、中、高三種裂隙瓦斯抽放鉆孔相結合方式對上覆裂隙瓦斯進行抽放。在3603回風巷內每隔80 m布置一個瓦斯抽放鉆場，并向采空區方向施工抽采鉆孔，具體情況如圖2所示。

在回風巷內布置的鉆場寬、深、高依次為4、4、3m，每個鉆場內分3排布置12個鉆孔，低、中、高鉆孔距離煤層頂板間距依次為35、45、55m，每一種鉆孔布置4個，具體高位瓦斯抽采鉆孔參數如表2所示。

3.2 瓦斯抽采效果

在3603綜放工作面頂板上覆35～55 m范圍內布置高位瓦斯抽采鉆孔，用以對裂隙瓦斯進行抽放，具體瓦斯抽采鉆孔抽采情況如表3所示。

從2019年6月中旬高位瓦斯抽采鉆孔陸續接抽，通過布置高位瓦斯抽采鉆孔，3603綜放工作面內瓦斯濃度顯著降低，具體采面回風巷及上隅角監測到的瓦斯濃度變化情況如表3所示。從圖3可知，采面回風上隅角位置處瓦斯濃度始終在0.6%以內，回風巷內瓦斯濃度始終在0.5%以內，采面內瓦斯濃度在0.4%以內，風排瓦斯量降低至7.5 m3/min，回采工作面內各監測點瓦斯濃度均在《煤礦安全規程》規定范圍內，通過布置高位瓦斯抽采鉆孔，解決了采面瓦斯超限問題，確保了回采工作面生產安全。

4 結語

采用理論計算法對3603綜放工作面開采后的頂板的冒落帶、裂隙帶發育高度進行計算，具體得到的冒落帶、裂隙帶高度分別為27～36 m（平均31.5 m）、83～141 m（平均112 m）。在對采面采動裂隙透氣性分布規律及瓦斯上覆擴散規律進行分析的基礎上，確定在距離煤層頂板35～55 m范圍內最為有利于裂隙瓦斯抽放。

根據對3603綜放工作面采空區覆巖裂隙瓦斯抽采有利區域的分析結果，以及礦井3號煤層開采厚度大、裂隙帶發育高度高等特點，提出采用低、中、高瓦斯抽放鉆孔相結合瓦斯鉆孔抽采布置方案，并進行現場工程應用。結果表明，采面上隅角瓦斯濃度均在0.6%以內，回風巷瓦斯濃度降低至0.5%以內，采面內個點瓦斯濃度均滿足《煤礦安全規程》有關規定，現場應用取得顯著效果。

參考文獻：

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