特厚急傾斜煤層瓦斯抽采關鍵技術與實踐

冀超輝，崔洪慶

(1.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454003；2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；3.河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室(省部共建國家重點實驗室培育基地)，河南 焦作 454000；4.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039；5.中原經濟區煤層(頁巖)氣協同創新中心，河南 焦作 454000)

特厚急傾斜煤層是指開采分層厚度在20 m以上，煤層傾角為45°以上的煤層。水平分層開采過程中，下部煤體將受上分層采動的影響而產生卸壓，使得下部一定范圍內的煤體卸壓瓦斯進入采掘空間，并使采空區周圍的煤巖體應力改變，采空區上方煤巖體垮落，頂、底板應力發生改變，采動裂隙場的分布、發育為瓦斯泄漏提供了直接通道，導致特厚急傾斜煤層礦井瓦斯災害頻繁發生[1]。水平分層綜采放頂煤技術能夠高效地實現特厚急傾斜煤層礦井的安全生產[2-3]

特厚急傾斜煤層的水平分段開采工作面中瓦斯災害事故頻發，瓦斯抽采是防范瓦斯事故的重要手段，可從根源上降低煤層中的瓦斯含量及其壓力，降低煤層瓦斯涌出量，從而實現“治本”目的，減少瓦斯災害的發生[1-5]。

烏東煤礦主要開采45#煤層和43#煤層，平均煤層傾角45°，45#煤層平均厚度為27.14 m，43#煤層平均厚度為27.88 m，礦井相對瓦斯涌出量為 4.12 m3/t，絕對瓦斯涌出量為34.17 m3/min，為特厚急傾斜煤層高瓦斯礦井。為了實現特厚急傾斜煤層瓦斯災害的高效治理，保障礦井安全生產，筆者研究并提出烏東煤礦瓦斯抽采體系，分析鉆孔抽采效果影響因素及應對措施，旨在為特厚急傾斜煤層瓦斯治理提供技術參考和理論依據。

1 特厚急傾斜煤層瓦斯抽采理論

1.1 特厚急傾斜煤層瓦斯抽采體系

在急傾斜煤層水平分層開采過程中，為了有效降低煤層瓦斯涌出量，采用預抽鉆孔抽采煤層瓦斯，在滿足抽采指標之后方可進行煤體開采[5]。在井下開采過程中，通常會利用采空區埋管抽采和頂板走向高位鉆孔抽采技術，以解決工作面瓦斯超限問題。受到上部煤體開采影響，下部一定范圍內煤體發生變形、卸壓，煤體透氣性提高，有利于下部煤體高壓瓦斯流動，同時卸壓瓦斯經過采動裂隙流入采空區會加劇瓦斯聚積區域的瓦斯超限問題[6]。因此，為了防止卸壓瓦斯流向工作面空間，可采取下部煤體的卸壓瓦斯抽采技術，降低下部煤體中的瓦斯含量及其壓力，為后續的采掘接替節約時間，從而提高礦井的開采效益，實現煤與瓦斯共采[7]。針對烏東煤礦特厚急傾斜煤層所提出的瓦斯抽采成套技術體系如圖1所示。

圖1 烏東煤礦瓦斯抽采成套技術體系

在瓦斯治理、瓦斯抽采中，應該根據瓦斯涌出來源選用合適的瓦斯治理措施進行治理[8-11]。烏東煤礦工作面涌出的瓦斯主要來源于開采本分層和下部煤體，其涌出量占到全部涌出量的95%以上。對于烏東煤礦瓦斯治理，建立了以煤層瓦斯預抽、卸壓瓦斯抽采和采空區瓦斯抽采措施為核心的立體化瓦斯抽采成套技術體系，如圖2所示。鉆孔布置如圖3所示。

圖2 特厚急傾斜煤層開采瓦斯抽采成套技術體系

圖3 抽采鉆孔布置示意圖

1.2 瓦斯抽采效果的影響因素

瓦斯抽采需先在井下進行鉆孔，瓦斯在鉆孔中的流動可近似簡化為在徑向流動和單向流動兩種[12]。

其中，徑向流動的單位面積瓦斯涌出量方程式如下：

(1)

式中：q為單位面積瓦斯涌出量，m3/(m2·d)；λ為煤層透氣性系數，m2/(MPa2·d)；R1為鉆孔半徑，m；R0為鉆孔瓦斯源半徑，m；p0為煤層中原始瓦斯壓力，MPa；p1為鉆孔中的瓦斯壓力，MPa。

從式(1)可以看出：鉆孔瓦斯涌出量與煤體透氣性系數及瓦斯壓力的平方差均成正比，與鉆孔半徑的對數成反比。總結出以下幾種能夠有效地提高鉆孔的瓦斯抽采效果的辦法。

1.2.1 增加鉆孔暴露煤壁面積

在鉆孔抽采負壓、煤層透氣性系數及鉆孔瓦斯涌出速度不變或變化不明顯時，增加鉆孔暴露煤壁的面積是提高順層長鉆孔預抽效果的有效方法[13]。具體可以通過改進鉆孔及布孔參數實現，包括增大鉆孔直徑、增加鉆孔長度及增大鉆孔密度。

1)增大鉆孔直徑

由式(1)可知，當其他參數不變，鉆孔瓦斯源半徑R0=10 m時，若鉆孔半徑R1=0.1 m變為原來的10倍，則鉆孔瓦斯抽采流量會變為原來的2倍：

(2)

由式(2)看出，當鉆孔直徑變為原來的10倍時，鉆孔瓦斯抽采量僅增大1倍。因此，在鉆孔直徑自身比較大的情況下，即使增大鉆孔直徑，對鉆孔瓦斯抽采量的提升也并不顯著；在一定范圍內，盡管隨著抽采鉆孔孔徑的增大，瓦斯抽采量會有所增加，但是當煤層鉆孔直徑很大時，打鉆施工會變得非常困難，鉆機鉆進的負荷亦會增加得十分迅速。

2)增大鉆孔密度

合理的鉆孔間距，能夠實現瓦斯抽采量及抽采效果的提升。增大鉆孔密度即是縮小鉆孔間距，使得鉆孔瓦斯流動場控制范圍R減小。在一定時間內，特定煤層特定孔徑的鉆孔均有其控制的瓦斯流動場范圍，因此為了提高瓦斯抽采效果，可以增大鉆孔密度，然而，當鉆孔密度達到足夠大時，會對煤層產生相應的卸壓作用。應根據由開采煤層所要求達到的抽采率、采場接替的允許抽采時間、在抽采時間內鉆孔能達到的瓦斯流動場范圍等，來確定鉆孔密度，以達到最佳的抽采效果及最優的經濟效益。不同鉆孔間距的瓦斯流動效果如圖4所示。

(a)—鉆孔間距太大；(b)—鉆孔間距太小；(c)—最佳鉆孔間距。

3)增加鉆孔長度

若鉆孔深度增大，鉆孔壁暴露面積就會增加，煤層中瓦斯更易涌入鉆孔，從而單孔瓦斯抽采量會有所增加，能夠有效地提高順層鉆孔的瓦斯抽采效果。在巷道掘進預抽中還可減少超前距離內無效鉆孔的數量，提高鉆孔的抽采效率和巷道掘進速度。受到煤層賦存，以及施工裝備和施工技術的影響，順層鉆孔長度的增加是有限的，因而在一定程度上，增加鉆孔長度對瓦斯抽采量的提升也是有限的。但是，若現場條件具備時，應當盡量布置長鉆孔進行煤層瓦斯抽采。

1.2.2 改進抽采工藝

提升封孔質量和抽采負壓是提高鉆孔預抽效果的有效途徑[14]。封孔質量是影響順層鉆孔抽采效果的重要因素，為提高封孔質量，可以采用黃泥—水泥砂漿封孔，也可以采用機械注漿封孔，同時增大封孔長度。

通過適當提高鉆孔抽采負壓，可以保證較高的封孔質量，提高瓦斯抽采效果。煤體受到抽采負壓的影響后會釋放瓦斯，進而出現收縮變形的現象。煤體收縮過程會致使煤體裂隙網絡發生變化，從而改變煤的透氣性，達到提高煤層瓦斯抽采的效果。不同的煤層有不同的最佳抽采負壓值，長時間進行瓦斯抽采，負壓過大會增加巷道空氣的漏入量，且瓦斯抽采泵提高抽采負壓的能力有限。這是因為其受到管路裂隙增長，以及鉆孔密封效果降低等因素的影響。因此，設置過高的抽采負壓是不合理的。對于未卸壓的煤層來說，為了實現較高的抽采效果，抽采負壓應維持在26 kPa左右。

1)延長抽采時間

鉆孔瓦斯抽采時間與瓦斯涌出強度呈負相關關系，與瓦斯抽采總量呈正相關關系。由于抽采鉆孔的瓦斯流場為非穩定流場，鉆孔的瓦斯抽采量不是無限增大的，而是存在一個極限的抽采量值，持續增加抽采時間其最大抽采量也不會增加。因此，合理地確定抽采時間既能得到相應的抽采效果又可減少經濟與時間成本。

確定工作面瓦斯抽采時間的方法主要有兩種：①以目前現有的瓦斯抽采參數為參考，根據需抽采的瓦斯總量計算抽采時間；②根據實際的百米鉆孔瓦斯抽采量，通過抽采量隨抽采時間的衰減計算抽采時間。

研究表明，抽采鉆孔的抽采流量與抽采時間符合負指數衰減規律，即滿足下式：

qt=q0e-αt

(3)

式中:qt為抽采時間t時的鉆孔瓦斯抽采流量，m3/min；q0為初始瓦斯抽采量，m3/min；α為衰減系數，d-1；t為抽采時間，d。

為獲得任意時間t內鉆孔抽采瓦斯量，對式(3)進行積分可得：

(4)

(5)

式中:Qt為抽采時間t時鉆孔自然瓦斯涌出總量,m3；QJ為鉆孔極限抽采瓦斯量，m3。

依據鉆孔瓦斯抽采衰減系數，可以確定合理的鉆孔瓦斯預抽采時間t。當衰減系數增大到一定程度時，持續延長抽采時間并不能獲得更好的抽采效果。用瓦斯抽采有效性系數分段進行表示合理抽采時間與衰減系數之間的關系，其計算公式如下：

(6)

2)提高煤層的透氣性

煤層透氣性的改變會明顯地影響鉆孔預抽瓦斯總量，當采取切實有效的技術手段來提高煤層的透氣性時，如煤層采動影響造成的“卸壓增透”作用，可以顯著提升煤層瓦斯抽采效果。

綜合分析可知,確定合理的鉆孔布孔間距、鉆孔直徑、鉆孔有效長度、抽采負壓等工藝參數，適當地延長鉆孔抽采時間，采取有效的方法提高煤層的透氣性，并確保鉆孔的封孔質量及抽采管路的密封性，可以大幅提高煤層瓦斯抽采效果。

2 特厚急傾斜煤層瓦斯抽采技術

2.1 順層長鉆孔預抽煤層瓦斯

從抽采時間與采掘接替的關系中看出，可以通過以下兩種方法實現回采工作面的瓦斯治理：一是預抽煤層瓦斯；二是邊采邊抽煤層瓦斯[15]。區域瓦斯治理的主要措施包括開采保護層和預抽煤層瓦斯。進行瓦斯治理時，預抽煤層瓦斯是十分重要且安全可靠的治理措施。然而，預抽煤層瓦斯需要較長的時間，其抽采效果的主要決定因素為煤體向鉆孔涌出瓦斯的強度和持續時間，而這兩個因素主要取決于煤層瓦斯壓力和透氣性[16-18]。因而通過減小煤層瓦斯壓力，提高煤層的透氣性可以提升煤層瓦斯抽采效果。順層長鉆孔預抽煤層瓦斯就是經過一段時間的抽采，降低煤層的瓦斯壓力、含量，從而降低開采煤體的彈性能與煤體的應力，相應地使煤體透氣性提高，以促進煤體瓦斯排放，提高瓦斯抽采效果。

2.2 頂板走向高位鉆孔瓦斯抽采

利用綜采工作面回采動壓形成的頂板裂隙通道來抽采采空區上方垮落帶頂部的高濃度瓦斯，以實現頂板走向高位鉆孔瓦斯抽采。

頂板走向高位鉆孔抽采卸壓瓦斯的布孔方式是為了代替頂板走向瓦斯抽采專用巷道[19]，可適當減少巖石巷道掘進工程量，以降低成本。在煤層裂隙帶位置布置鉆孔，待工作面采至鉆孔位置，頂板發生垮落，采空區瓦斯在自身浮力作用下涌入裂隙帶，高位鉆孔方可進行瓦斯抽采。準確確定裂隙帶的分布情況是頂板走向高位鉆孔瓦斯抽采的關鍵一步。若鉆孔位置過高則會導致瓦斯抽采量變小，抽采效果變差；若鉆孔位置過低則會造成相對較低的抽采瓦斯濃度或鉆孔易被巖體垮落切斷，亦不能達到良好的抽采效果。

2.3 采空區埋管瓦斯抽采

采空區埋管抽采瓦斯是在回風巷內鋪設一條與工作面采空區連通的瓦斯抽采管道，當工作面推進時，抽采管道的一端逐漸埋入采空區，每隔一定距離設一個三通，并安裝閥門[20]。采空區埋管抽采主要目的是為了防止采空區瓦斯在回風隅角附近區域積聚而導致瓦斯事故的發生。

2.4 卸壓瓦斯抽采

當煤體不受采掘影響時會處于平衡狀態，開采活動的進行會破壞煤體中的平衡狀態，形成新的應力平衡。急傾斜煤層水平分層開采工作面主要在工作面前方和工作面下部煤體一定范圍內形成卸壓帶。卸壓區煤體會出現應力降低、孔裂隙溝通，透氣性提高等現象；同時一定范圍內，卸壓帶前方形成應力增高帶，在應力增高帶的煤體則出現應力升高、孔裂隙閉合，透氣性降低；再往前則為未受采動影響的原巖應力帶，煤體物性參數基本不變，隨著工作面的推進“三帶”不斷前移[21]。

卸壓帶內的煤體裂隙發育，吸附瓦斯更易向游離瓦斯轉化，即在進行卸壓瓦斯抽采時，鉆孔瓦斯抽采量必然出現升高現象，即“卸壓增流”現象[22]。通過在開采分層下部煤體布置抽采鉆孔，在卸壓帶形成后瓦斯解吸加快，能夠提高瓦斯抽采量及瓦斯濃度，從而在一定程度上阻止開采分層下部卸壓瓦斯大量涌向回采空間，防止瓦斯超限事故的發生。進行下部煤體的卸壓瓦斯抽采，其抽采效果與煤層傾角、工作面長度、卸壓深度、煤層卸壓角等有關。

3 結語

1)建立了能夠應用于烏東煤礦特厚急傾斜煤層的以順層長鉆孔煤層瓦斯預抽、頂板走向長鉆孔抽采、采空區埋管抽采和卸壓瓦斯抽采等措施為核心的立體化瓦斯抽采成套技術體系。

2)分析了鉆孔工藝參數對鉆孔瓦斯抽采效果的影響，并以此得出提升鉆孔瓦斯抽采效果的措施：確定合適的鉆孔布局、鉆孔直徑、鉆孔的有效長度及抽采負壓，適當地延長鉆孔抽采時間，采取有效的方法提高煤層的透氣性，并確保鉆孔的封孔質量及抽采管路的密封性。

3)分析了特厚急傾斜煤層瓦斯抽采技術措施的作用機制，為烏東煤礦煤與瓦斯共采技術體系的建立提供了理論依據和科學指導。