依蘭第三煤礦煤與煤層氣協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)模式

黃 鶴

(1. 中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 113122； 2. 煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 113122)

1 依蘭三礦煤層賦存情況

依蘭第三煤礦位于黑龍江省依蘭縣達(dá)連河鎮(zhèn)境內(nèi)，本井田含煤地層為古近系達(dá)連河組地層，煤層集中分布于含煤段。煤層群厚約10～30m，含煤5層(上1、上1～上2、上2、中和下煤層)，純煤最大厚度36.85m，最小4.57m，平均為10.04m，其中主力煤層為上2煤層和中煤層。依蘭三礦上2煤層和中煤層瓦斯壓力均超過(guò)0.74MPa。依蘭第三煤礦煤層氣豐度為0.9億m3/km3,礦區(qū)深部預(yù)測(cè)區(qū)煤層氣資源豐度為0.95億m3/km3，整個(gè)依蘭井田煤層氣資源豐度為0.26m3/km3。

2 瓦斯治理模式

結(jié)合依蘭三礦煤層賦存及地質(zhì)條件，首先在上2煤層底板砂巖內(nèi)超前開(kāi)掘底板開(kāi)拓巷道與瓦斯抽采巷道并安裝煤層氣抽采管路，為煤層氣超前抽采提供時(shí)間、空間條件，以此實(shí)現(xiàn)底板巷道開(kāi)拓超前于煤層氣抽采工程，其次在底板巷道內(nèi)向保護(hù)層掘進(jìn)條帶與石門(mén)揭煤區(qū)域?qū)嵤┐鱼@孔水力化增透措施，之后施工穿層鉆孔進(jìn)行煤層氣抽采，消除保護(hù)層掘進(jìn)條帶與石門(mén)揭煤區(qū)域突出危險(xiǎn)后進(jìn)行保護(hù)層工作面順槽掘進(jìn)與開(kāi)切眼布置，保護(hù)層準(zhǔn)備工作面形成后在順槽內(nèi)向工作面區(qū)域?qū)嵤╉槍鱼@孔水力壓裂增透措施，之后施工順層鉆孔進(jìn)行煤層氣抽采，待工作面達(dá)到消突條件后進(jìn)行回采，因此煤層氣抽采工程超前于保護(hù)層開(kāi)采。

保護(hù)層回采造成被保護(hù)層卸壓增透，利用穿層網(wǎng)格鉆孔抽采被保護(hù)層卸壓煤層氣，同時(shí)利用采空區(qū)抽采技術(shù)抽采保護(hù)層采空區(qū)煤層氣，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)保護(hù)層安全回采及消除被保護(hù)層突出危險(xiǎn)性。在保護(hù)層范圍內(nèi)布置被保護(hù)層回采工作面進(jìn)行回采，因此，保護(hù)層開(kāi)采超前于被保護(hù)層開(kāi)采，這樣形成了依蘭第三煤礦近距離松軟低滲突出煤層群條件下的“井下三區(qū)配套三超前增透抽采煤層氣”瓦斯治理模式。

2.1 開(kāi)拓區(qū)

礦井開(kāi)拓區(qū)的功能任務(wù)主要是為煤層氣抽采準(zhǔn)備條件。依蘭第三煤礦開(kāi)拓區(qū)主要是底板大巷以及底板煤層氣抽采巷道的掘進(jìn)，底板主要巷道超前于瓦斯抽采巷道開(kāi)拓掘進(jìn)，超前距離至少1個(gè)工作面條帶距離，確保專(zhuān)用瓦斯抽采巷道的施工，同時(shí)布置煤層氣抽采管路系統(tǒng)。

2.2 準(zhǔn)備區(qū)

礦井準(zhǔn)備區(qū)的功能主要是布置出滿(mǎn)足安全開(kāi)采條件的工作面。主要任務(wù)包括：石門(mén)揭煤水力壓裂、煤層氣預(yù)抽鉆孔的施工、煤層氣預(yù)抽；在底板瓦斯抽采巷向保護(hù)層掘進(jìn)條帶區(qū)域打壓裂鉆孔并進(jìn)行水力壓裂，以及施工穿層鉆孔進(jìn)行掘進(jìn)條帶預(yù)抽。

當(dāng)條帶預(yù)抽達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)行保護(hù)層順槽的掘進(jìn)以及開(kāi)切眼的布置，形成準(zhǔn)工作面，在保護(hù)層準(zhǔn)備工作面施工順層鉆孔進(jìn)行回采區(qū)域水力壓裂增透，之后在兩個(gè)順槽施工本層平行抽采鉆孔，進(jìn)行本煤層預(yù)抽。依蘭第三煤礦在保護(hù)層預(yù)抽的同時(shí)，通過(guò)底板瓦斯抽采巷向被保護(hù)層施工穿層網(wǎng)格鉆孔進(jìn)行被保護(hù)層的煤層氣預(yù)抽，以降低被保護(hù)層煤層氣含量與壓力。

2.3 回采區(qū)

在保證保護(hù)層準(zhǔn)備工作預(yù)抽達(dá)標(biāo)后，進(jìn)行保護(hù)層煤炭開(kāi)采。當(dāng)被保護(hù)層瓦斯預(yù)抽區(qū)域達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)行被保護(hù)層的回采，這樣就形成了一個(gè)保護(hù)層和被保護(hù)層的循環(huán)開(kāi)采。由于依蘭第三煤礦保護(hù)層和被保護(hù)層間距較小，保護(hù)層開(kāi)采后，被保護(hù)層大量的卸壓瓦斯會(huì)涌入保護(hù)層工作面采空區(qū)，為保證保護(hù)層安全開(kāi)采，同時(shí)實(shí)現(xiàn)最大化開(kāi)發(fā)煤層氣資源，也進(jìn)行采空區(qū)煤層氣抽采，保護(hù)層采空區(qū)抽采方式采用采空區(qū)密閉插管抽采和回風(fēng)順槽高位鉆孔抽采方式。

3 煤層氣開(kāi)發(fā)技術(shù)體系

基于礦區(qū)進(jìn)行煤層氣開(kāi)發(fā)與煤炭開(kāi)采活動(dòng)時(shí)所選擇的煤層氣抽采技術(shù)與煤炭開(kāi)采技術(shù)必須與地質(zhì)條件相適應(yīng)的原則，根據(jù)依蘭第三煤礦地質(zhì)條件的特點(diǎn)，在認(rèn)真分析煤炭開(kāi)采與煤層氣抽采面臨難題的基礎(chǔ)上，提出了礦區(qū)應(yīng)以堅(jiān)持超前開(kāi)采保護(hù)層并結(jié)合煤層賦存條件變化選擇適宜的煤炭開(kāi)采技術(shù)進(jìn)行煤炭開(kāi)采，堅(jiān)持以原始煤層增透技術(shù)與保護(hù)層開(kāi)采卸壓增透技術(shù)并舉的方式進(jìn)行煤層增透，堅(jiān)持以提前預(yù)抽、采前預(yù)抽、采中抽采、采后抽采技術(shù)相結(jié)合的方式進(jìn)行煤層氣綜合立體式抽采作為復(fù)雜地質(zhì)條件煤礦區(qū)煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)技術(shù)選擇的總體思路原則。

3.1 精確瓦斯來(lái)源、優(yōu)化高位鉆孔參數(shù)

采集各煤層瓦斯氣體和相關(guān)煤層煤樣，利用同位素質(zhì)譜儀查明煤礦中不同煤層中瓦斯的主要碳?xì)渫凰爻煞痔卣鳎⒍嘣咚箽怏w混合數(shù)學(xué)模型，并定量分析所采樣品中不同煤層的瓦斯來(lái)源比例及構(gòu)成，最終確定本煤層的瓦斯來(lái)源。通過(guò)計(jì)算各煤層裂隙帶高度及各煤層層間距，確定高位鉆場(chǎng)鉆孔的終孔層位布置在25m～35m，這樣就能抽出更多的裂隙帶瓦斯，通過(guò)優(yōu)化高位鉆孔，依蘭第三煤礦瓦斯抽采效率平均提高了60%。

3.2 堅(jiān)持采用適用的地質(zhì)精細(xì)化探測(cè)技術(shù)

依蘭第三煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，隱伏地質(zhì)構(gòu)造及其破壞帶一方面影響著采掘工程的合理布置與安全快速掘進(jìn)，另一方面影響著礦區(qū)煤層氣抽采工程的抽采效果。基于此，依蘭第三煤礦在采掘工程及煤層氣抽采工程實(shí)施前，應(yīng)采用的地質(zhì)精細(xì)化探測(cè)技術(shù)對(duì)區(qū)內(nèi)隱伏地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行超前探測(cè)，以有效指導(dǎo)采掘工程及煤層氣抽采工程施工，為煤與煤層氣安全高效開(kāi)采提供地質(zhì)保障。

3.3 堅(jiān)持采用適用的井下煤層增透技術(shù)

采用井下水力壓裂技術(shù)對(duì)石門(mén)揭煤區(qū)域、保護(hù)層掘進(jìn)條帶區(qū)域、保護(hù)層準(zhǔn)備工作面開(kāi)采區(qū)域原始煤層進(jìn)行增透，以提高原始煤層抽采效果，利用保護(hù)層超前開(kāi)采的采動(dòng)影響實(shí)現(xiàn)被保護(hù)層地應(yīng)力有效釋放，進(jìn)而提高煤層透氣性，使其達(dá)到高效抽采及改善開(kāi)采條件的目的。

3.4 堅(jiān)持采用綜合立體抽采煤層氣技術(shù)

根據(jù)依蘭第三煤礦煤炭開(kāi)采階段的不同，采用石門(mén)揭煤預(yù)抽、底板穿層掘進(jìn)條帶預(yù)抽、保護(hù)層工作面順層鉆孔預(yù)抽、邊掘邊抽、邊采邊抽、底板穿層網(wǎng)格鉆孔抽采、上鄰近層穿層鉆孔抽采、頂板高位鉆孔抽采、老空區(qū)密閉插管抽采等煤層氣抽采技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)不同煤炭開(kāi)采區(qū)域煤層氣的綜合立體抽采。

3.5 堅(jiān)持采用高效的煤巖層鉆進(jìn)技術(shù)

為保障井下煤層氣抽采鉆孔能夠按照設(shè)計(jì)嚴(yán)格施工，盡可能地減少煤層氣抽采工程投入，消除煤層氣抽采“空白帶”，提高鉆進(jìn)效率以減少對(duì)采掘工程造成的影響，礦區(qū)應(yīng)堅(jiān)持采用適用于特定復(fù)雜地質(zhì)條件的、高效的多巖性穿層鉆進(jìn)技術(shù)與松軟突出煤層順層鉆進(jìn)技術(shù)。

3.6 堅(jiān)持因地制宜地選用合適的煤炭開(kāi)采技術(shù)

根據(jù)煤層浮層條件不同，應(yīng)選擇最為合適的煤炭開(kāi)采方法，應(yīng)首先選用機(jī)械化程度比較高的綜合機(jī)械化煤炭開(kāi)采技術(shù)。應(yīng)采用先進(jìn)適宜的保護(hù)層無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)，以減少被保護(hù)層煤柱影響范圍及提高煤炭資源回采率。

4 煤與煤層氣開(kāi)發(fā)協(xié)調(diào)關(guān)系

4.1 掘進(jìn)超前空間距離

空間層面上實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)超前是為了給待接替煤層區(qū)域的采前預(yù)抽與工作面的準(zhǔn)備提供施工空間條件，依蘭三礦空間層面上的掘進(jìn)超前必須滿(mǎn)足的最低指標(biāo)如圖1所示。

圖1 依蘭三礦空間層面掘進(jìn)超前示意圖

煤層開(kāi)拓巷道必須超前保護(hù)層準(zhǔn)備工作面一個(gè)工作面條帶，確保下一個(gè)工作面的施工具備空間條件；底板開(kāi)拓巷道必須超前瓦斯巷一個(gè)工作面條帶，確保下一個(gè)瓦斯巷的施工具備空間條件；瓦斯巷必須超前保護(hù)層準(zhǔn)備工作面兩條瓦斯巷，確保下一個(gè)保護(hù)層準(zhǔn)備工作面煤層巷道的掘進(jìn)條帶抽采鉆孔的施工。

4.2 抽采超前空間距離

空間層面實(shí)現(xiàn)抽采超前是為了給接替煤層區(qū)域提供采前預(yù)抽空間條件，進(jìn)而保障足夠充分的抽采時(shí)間使煤層消除突出危險(xiǎn)性，保障煤炭安全高效開(kāi)采。根據(jù)依蘭三礦掘進(jìn)條帶預(yù)抽、回采工作面本層采前預(yù)抽、被被保護(hù)層網(wǎng)格預(yù)抽條件下各種預(yù)抽技術(shù)抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)值并結(jié)合掘進(jìn)工作面的掘進(jìn)速度、回采工作面的回采速度統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上，計(jì)算出空間層面抽采超前必須滿(mǎn)足的最低指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 空間煤層抽采超前距離最低控制指標(biāo)

由于依蘭第三煤礦上1將煤層作為保護(hù)層然后自上至下依次開(kāi)采下部各煤層，保護(hù)層穿層掘進(jìn)條帶超前抽采、保護(hù)層采面本層超前抽采、被保護(hù)層穿層網(wǎng)格超前抽采空間距離最低控制距離示意圖分別如圖2、3、4所示。

圖2 保護(hù)層穿層掘進(jìn)條帶抽采最小超前距離示意圖

圖3 保護(hù)層工作面本層抽采最小超前距離示意圖

圖4 被保護(hù)層穿層鋼哥抽采最小超前距離示意圖

4.3 煤層氣抽采超前時(shí)間

保護(hù)層、被保護(hù)層煤層開(kāi)采之前必須采取綜合預(yù)抽措施，保證抽采達(dá)標(biāo)。綜合考慮依蘭第三煤礦增透后煤層透氣性、煤層氣含量、抽采影響范圍、煤層增透抽采技術(shù)水平等因素，為了確保足夠的煤層氣預(yù)抽時(shí)間，實(shí)現(xiàn)煤層氣預(yù)抽和煤炭安全開(kāi)采的銜接，準(zhǔn)備區(qū)煤層氣抽采應(yīng)超前回采區(qū)煤層開(kāi)采 3～5年，本煤層預(yù)抽不少于12個(gè)月，順層鉆孔預(yù)抽時(shí)間不少于3個(gè)月。

4.4 保護(hù)層開(kāi)采超前時(shí)間

保護(hù)層工作面的回采巷道采前形成時(shí)間不少于8個(gè)月，以滿(mǎn)足首采層工作面本層先抽后采的要求。接續(xù)首采面至少提前6個(gè)月具備生產(chǎn)條件；采煤工作面相鄰接替間隔時(shí)間不超過(guò)3個(gè)月；礦井保護(hù)煤量可采期不得少于24個(gè)月，可供布面的保護(hù)煤量可采期不得少于18個(gè)月。

4.5 抽采效果

為防止開(kāi)采期間下鄰近煤層瓦斯向上1煤層工作面大量涌出瓦斯，可以在上1工作面運(yùn)輸、回風(fēng)順槽施工下向穿層鉆孔，提前預(yù)抽上2和中煤層瓦斯，預(yù)抽下鄰近層上2和中煤層回采區(qū)域瓦斯鉆孔布置圖見(jiàn)圖5。

從圖6可以看出，預(yù)抽下鄰近層回采區(qū)域煤層瓦斯時(shí)鉆孔濃度維持在8%～30%，抽采流量平均值為1.85m3/min，抽采純量平均值為0.25m3/min。同時(shí)S1101回采期間工作面上隅角瓦斯?jié)舛染S持在0.4%～0.7%，沒(méi)有出現(xiàn)瓦斯超限問(wèn)題，說(shuō)明抽采效果良好。

圖6 回采區(qū)域煤層瓦斯抽采鉆孔抽采情況