復(fù)雜條件下近距離煤層群瓦斯綜合治理技術(shù)研究

李 義，于小明，馮步云，羅彥忠

(1.山西汾西(礦業(yè))集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 晉中 032000；2.平安煤礦瓦斯治理國家工程研究中心有限責(zé)任公司， 安徽 淮南 232000；3.山西汾西中興煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 呂梁 030500)

長期理論研究和突出危險煤層的開采實踐證明，開采保護(hù)層是有效防治煤與瓦斯突出的區(qū)域性措施。因此，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，開采保護(hù)層結(jié)合強化瓦斯抽采成為防治煤與瓦斯突出的首選技術(shù)，對保障煤與瓦斯突出危險煤層的安全高效開采具有重要意義。

中興煤業(yè)目前主采2號煤層，上覆有1號煤層(距2號煤層頂板1～1.8 m)和02號煤層(距2號煤層頂板7～14 m)，下伏有4號煤層(距2號煤層底板2.4～3.5 m，平均間距為3.0 m)，4號煤層下伏有5號煤層(距4號煤層底板0～6.0 m，平均間距為2.7 m)，煤層層間距近，屬典型近距離煤層群開采。

因上下鄰近層高瓦斯隨采動卸壓涌入影響，使3203工作面回采期間回風(fēng)流瓦斯?jié)舛绕摺５V井瓦斯防治難度的不斷增加制約了煤炭安全高效開采。

經(jīng)過研究分析，工作面上方7～13 m處有一層局部可采的02號煤層，對應(yīng)3(02)03工作面，原始瓦斯含量為3.37 m3/t，無突出危險性，可以作為3203工作面及下伏4#煤層的保護(hù)層工作面首先開采。受前期采掘規(guī)劃與布置的影響，3(02)03工作面走向和傾向長度較3203工作面小，即保護(hù)層工作面與被保護(hù)層工作面非等長等寬布置，導(dǎo)致下伏煤層的卸壓范圍有限。因此，進(jìn)行非等長保護(hù)層開采試驗，探索形成復(fù)雜條件下低透氣性近距離煤層群瓦斯綜合治理固化模式，以實現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)。

1 礦井概況

中興煤業(yè)地處山西省交城縣嶺底鄉(xiāng)，隸屬山西焦煤汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，井田位于西山煤田西山礦區(qū)西部，東、西、北三面高，中部及南部相對較低，地面絕對標(biāo)高在+1 535～+990 m，井田內(nèi)地層出露良好。主要含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組，共含煤13層，可采煤層6層，分別為上組煤(山西組)2號、4號、5號3層，下組煤(太原組)6號、8號、9號3層。根據(jù)煤層的賦存條件，確定全井田在上、下煤組分別設(shè)開采水平，上煤組劃分為第一水平，標(biāo)高設(shè)在+760 m，下煤組劃分第二水平，標(biāo)高設(shè)在+680 m. 中興煤業(yè)生產(chǎn)能力為200萬t/a. 經(jīng)鑒定：井田范圍內(nèi)2號、(4+5)號、02號煤層具有煤與瓦斯突出危險性，為突出煤層。

2 試驗工作面概況

3203工作面井下位于三采區(qū)北翼，東面為3201采空區(qū)，西面為3205備采面，北面為井田邊界，南面為三采區(qū)回風(fēng)大巷、軌道大巷和運輸大巷。下部煤層未開采，工作面走向長1 615 m，傾斜長為186 m，蓋山厚度為620～870 m，2號煤層煤厚1.7～2.3 m，平均2 m. 工作面頂板由下至上依次為偽頂0.5 m(砂質(zhì)泥巖)、直接頂5 m(砂質(zhì)頁巖)、基本頂10 m(砂巖)；底板由上至下依次為直接底0.8 m(砂質(zhì)泥巖)、基本底2.5 m(砂質(zhì)頁巖、砂巖)。采用綜合機械化一次采全高全部垮落法管理頂板。

3 工作面瓦斯涌出量來源及存在問題

結(jié)合相鄰3201工作面正常回采期間瓦斯涌出情況，最大絕對瓦斯涌出量為23～30 m3/min(風(fēng)排瓦斯量為7～10 m3/min，抽采瓦斯量為16～20 m3/min).

根據(jù)《中興煤業(yè)采掘瓦斯來源量化分源研究報告》：2號煤層工作面回采時，采空區(qū)2號本煤層的瓦斯來源占比平均 15%，(4+5)號組合層的瓦斯來源占比平均 40%，02號煤的瓦斯來源占比平均 34%，其它煤層占比11%.

由瓦斯涌出來源分析可知,約有85%上下臨近層卸壓瓦斯進(jìn)入回采工作面是制約工作面正常回采的主要因素之一。而3203工作面未布置底抽巷，對臨近煤層采取的瓦斯治理措施針對性不強，缺乏有效治理手段。

4 瓦斯綜合治理技術(shù)

4.1 工作面原瓦斯治理措施

4.1.1順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯

運輸巷東側(cè)幫施工2號本煤層順層鉆孔201個，孔徑94 mm,間距6 m，孔深150 m，材料巷(3201運輸巷)施工本煤層鉆孔141個。預(yù)抽時間為29個月，預(yù)抽區(qū)段瓦斯儲量為541萬m3(原始瓦斯含量為7.36 m3/t)，瓦斯抽采量為249萬m3，剩余瓦斯量為292萬m3(殘余瓦斯含量為3.96 m3/t).

4.1.2裂隙帶鉆孔抽采

運輸巷內(nèi)施工傾向高、低位裂隙帶鉆孔，自距停采線60 m起，每隔60 m布置1個鉆場，鉆場內(nèi)高、低位裂隙鉆孔各8個，孔徑94 mm,孔深42 m，終孔垂高18 m/12 m，終孔間距6 m,覆蓋工作面30 m. 鉆場走向(高位)裂隙帶鉆孔孔徑94 mm,孔深100 m，終孔垂高25 m/30 m，覆蓋工作面60 m. 主要用于抽采頂板裂隙帶瓦斯，治理回采期間上隅角及采空區(qū)瓦斯涌出。

4.1.3下鄰近(4+5)號煤層穿層鉆孔預(yù)抽瓦斯治理

在運輸巷2號本煤層鉆場內(nèi)施工下鄰近(4+5)號煤層攔截鉆孔182個，孔徑94 mm,孔深42 m，覆蓋工作面50 m.

另布置了2個低位底抽鉆場(鉆場臥至(4+5)號煤層)，距切眼及鉆場間距均為100 m. 低位底抽鉆場內(nèi)施工(4+5)號煤層攔截鉆孔和預(yù)抽鉆孔，孔徑94 mm,孔深130 m，覆蓋工作面130 m. 主要用于治理回采期間下鄰近層對工作面上隅角及采空區(qū)瓦斯涌出。

4.1.4沿空留巷“Y”型通風(fēng)技術(shù)

本工作面采用“Y”型通風(fēng)，其中材料巷主進(jìn)風(fēng)，運輸巷輔助進(jìn)風(fēng),3203回風(fēng)巷回風(fēng)。

4.2 補充瓦斯治理措施

原有措施難以滿足瓦斯治理要求，針對瓦斯涌出來源分析，經(jīng)研究分區(qū)段補充如下措施：

4.2.1退尺1 437～1 160 m段瓦斯治理

因工作面初采頂板滯后跨落，前期施工的裂隙帶鉆孔因時間較長，抽采效果差。因此，新增工作面高抽巷、(4+5)號底抽聯(lián)巷攔截/預(yù)抽鉆孔瓦斯。

1) 初采期間增補的瓦斯治理措施。

高抽巷Ⅰ：與3203運輸巷內(nèi)錯 25 m，前35 m 布置在2號煤層頂板12 m處，后30 m逐降至2號煤層頂板8 m處。主要用于抽采工作面初采、初放期間冒落帶和采空區(qū)的瓦斯。

2) 正常回采期間增補的瓦斯治理措施。

考慮到俯向鉆孔抽采的局限性，新增施工2條底抽聯(lián)巷(圖1)，Ⅰ聯(lián)巷巷道北側(cè)布置兩排(4+5)號煤層順層鉆孔；Ⅱ聯(lián)巷巷道兩幫各布置兩排(4+5)號煤層順層鉆孔，鉆孔間距3 m，孔徑94 mm,孔深150 m. 主要用于解決工作面回采過程中，下鄰近(4+5)號煤層大量卸壓瓦斯涌入工作面，確保工作面安全生產(chǎn)。

圖1 3203工作面底抽聯(lián)巷(4+5)號煤攔截鉆孔平面布置示意圖

高抽巷Ⅱ：工作面過底抽聯(lián)巷Ⅰ、Ⅱ期間，考慮到集中應(yīng)力影響，以及下部(4+5)號煤層順層鉆孔不能實現(xiàn)連續(xù)抽采，補充施工高抽巷Ⅱ。與運輸巷內(nèi)錯25 m，層位在2號煤頂12～21 m處，巷總長142 m. 重點抽采裂隙帶和上鄰近層卸壓瓦斯。

4.2.2退尺1 160～0 m(停采線)段瓦斯治理

實施保護(hù)層開采，并對下伏2號、(4+5)號煤層進(jìn)行卸壓抽采。

因被保護(hù)的3203面存在應(yīng)力集中區(qū)，為消除應(yīng)力帶來的安全風(fēng)險，在3203運輸巷補充施工了應(yīng)力卸壓鉆孔并合并抽采。3(02)03軟巖保護(hù)層工作面示意圖見圖2.

圖2 開采3(02)03軟巖保護(hù)層工作面示意圖

5 封孔工藝

本煤層鉆孔、(4+5)號煤攔截鉆孔、高位鉆場裂隙帶鉆孔均采用FKJW-50/0.5抽放瓦斯用囊袋“兩堵一注”注漿式封孔器，封孔有效長度8.3 m，注漿壓力不小于1.5 MPa，充分封堵因礦壓顯現(xiàn)導(dǎo)致的裂隙，在鉆孔周邊形成致密封閉帷幕，封堵效果明顯，在實際考察中未見明顯漏氣現(xiàn)象。

6 應(yīng)用考察

結(jié)合不同區(qū)段瓦斯綜合治理措施，分別對回風(fēng)流瓦斯?jié)舛取⑼咚褂砍隽俊⒊椴汕闆r、煤層瓦斯含量及瓦斯壓力進(jìn)行考察。

6.1 初采前80 m階段

初采前80 m工作面絕對瓦斯涌出量在8～15 m3/min，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛仍?.38%～0.58%，工作面抽采率17%～43%. 各情況曲線見圖3，4.

圖3 隨推進(jìn)度瓦斯涌出量曲線圖

圖4 隨推進(jìn)度瓦斯?jié)舛燃帮L(fēng)排瓦斯量曲線圖

6.2 推進(jìn)80～340 m段

該區(qū)段工作面絕對瓦斯涌出量在9～24 m3/min，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛仍?.4%～0.72%，工作面抽采率11%～62%，底抽聯(lián)巷順層長鉆孔末端效果不理想，高抽巷前后過渡期間，工作面瓦斯?jié)舛扔猩攥F(xiàn)象。各情況曲線見圖5，6.

圖5 隨推進(jìn)度瓦斯涌出量曲線圖

圖6 隨推進(jìn)度瓦斯?jié)舛燃帮L(fēng)排瓦斯量曲線圖

6.3 開采非等長保護(hù)層工作面區(qū)段

2#煤層最大瓦斯含量為7.37 m3/t，瓦斯壓力為0.68 MPa；4#煤層最大瓦斯含量為8.43 m3/t，瓦斯壓力為0.97 MPa；5#煤層最大瓦斯含量為9.31 m3/t，瓦斯壓力為1.21 MPa；02#煤層最大瓦斯含量為5.30 m3/min，瓦斯壓力為0.47 MPa.當(dāng)3203 工作面進(jìn)入上部3203軟巖保護(hù)層開采區(qū)段后，考察2號煤層應(yīng)力和瓦斯參數(shù)變化。

2號煤采動應(yīng)力變化見圖7. 保護(hù)層工作面前方60 m以遠(yuǎn)采動應(yīng)力幾乎無變化；隨著保護(hù)層工作面的推進(jìn)，采動應(yīng)力逐漸增大，并在距工作面約15 m的位置達(dá)到最大值，約為28 MPa；隨著保護(hù)層工作面的進(jìn)一步推進(jìn)，應(yīng)力值迅速降低，并在采空區(qū)位置應(yīng)力值降至最小，隨后又有緩慢回升趨勢。

圖7 2號煤層采動應(yīng)力變化曲線圖

2號煤采動瓦斯壓力變化見圖8. 2號煤層初始瓦斯壓力約為0.015 MPa(順層鉆孔預(yù)抽影響)，初始瓦斯壓力較低，但受采動應(yīng)力影響變化幅度較大，即使抽采達(dá)標(biāo)的煤層在采動應(yīng)力作用下瓦斯壓力亦有可能發(fā)生明顯回升，給煤礦安全生產(chǎn)帶來隱患。

圖8 2號煤層瓦斯壓力變化曲線圖

鉆孔瓦斯涌出量變化見圖9. 初始階段鉆孔瓦斯涌出量相對較高，隨著上保護(hù)層工作面的推進(jìn)，瓦斯涌出量有輕微下降的趨勢。這是因為隨著上保護(hù)層工作面的鄰近，采動集中應(yīng)力也隨之向前移動，附近下被保護(hù)層煤體逐漸被壓縮，滲透率降低。隨著上保護(hù)層工作面的進(jìn)一步推進(jìn)，鉆孔在進(jìn)入采空區(qū)之前瓦斯涌出量即已開始顯著增大，這可能是因為采動集中應(yīng)力作用下煤體發(fā)生了損傷擴(kuò)容，致使煤內(nèi)孔隙率增大，滲透率隨之增大。當(dāng)鉆孔進(jìn)入采空區(qū)后瓦斯涌出量增大至最大值，隨后又有下降的趨勢，與采動應(yīng)力演化規(guī)律較為符合，說明瓦斯涌出量也受采動應(yīng)力的控制。

圖9 2號煤層鉆孔瓦斯涌出量變化曲線圖

卸壓范圍內(nèi)2號煤層的殘存瓦斯含量為4.23 m3/t，瓦斯壓力為0.33 MPa，瓦斯含量下降了3.14 m3/t，瓦斯壓力下降了0.35 MPa，降幅均在40%以上。工作面瓦斯?jié)舛仍?.34%～0.42%，實現(xiàn)了低瓦斯?fàn)顟B(tài)下回采局面。

7 結(jié) 論

1) 雖為非等長開采保護(hù)層，但開采保護(hù)層后，卸壓效果顯著，回采煤層消突效果得到驗證，未出現(xiàn)動力現(xiàn)象等突出預(yù)兆，工作面實現(xiàn)了低瓦斯?fàn)顟B(tài)下回采良好局面，也印證了復(fù)雜條件下低透氣性近距離煤層群優(yōu)先開采關(guān)鍵保護(hù)層是實現(xiàn)礦井瓦斯綜合治理的關(guān)鍵途徑。但非等長保護(hù)層工作面易造成被保護(hù)層工作面應(yīng)力集中，增加巷道維護(hù)和瓦斯抽采成本，應(yīng)規(guī)范布置被保護(hù)層回采工作面。

2) “兩堵一注”注漿封孔技術(shù)有效提高單孔瓦斯?jié)舛龋?%～10%提高到30%～35%，最高抽采濃度可達(dá)60%以上。