極近距離煤層重復采動影響下卸壓瓦斯綜合治理技術研究

鄭文龍，楊 朝，白亦歡，季鵬飛，孔祥國，楊送瑞

(1.陜西彬長大佛寺礦業有限公司，陜西省咸陽市，713500；2.西安科技大學安全科學與工程學院，陜西省西安市，710054)

0 引言

我國煤層結構復雜，極近距離煤層賦存數量與開采數量所占比重大[1-2]。極近距離煤層具有煤層間距小、開采時相互影響大等特點[3-4]。極近距離煤層重復采動條件下，覆巖卸壓、裂隙分布及其演化規律均不同于單一煤層開采，上覆巖層經歷重復卸壓，裂隙區進一步發育，覆巖裂隙演化經歷產生、擴張、壓實、再擴張、再壓實等階段，采空區瓦斯分布與運移復雜，致使工作面瓦斯涌出量大、回風隅角瓦斯易超限[5-10]。針對極近距離煤層重復采動條件下工作面瓦斯涌出量大、回風隅角瓦斯易超限等問題，采用單一的卸壓瓦斯抽采方法顯然無法滿足煤礦安全、高效生產要求[11-12]。此外，不同礦井的地質構造及煤層、瓦斯賦存特征具有不可重復性，研究適用礦井自身條件的卸壓瓦斯綜合治理方法具有重要意義[13-14]。

綜上所述，筆者以大佛寺煤礦40201工作面為工程背景，確定極近距離煤層重復采動影響下合理的卸壓瓦斯抽采方法，旨在提高卸壓瓦斯抽采效果，杜絕工作面瓦斯涌出量大、回風隅角瓦斯易超限的問題，為極近距離煤層工作面瓦斯治理提供參考。

1 試驗工作面概況

大佛寺煤礦位于陜西彬長礦區南部，主采4號煤層，4上號煤層局部可采，4號煤層平均厚度11.65 m，4上號煤層平均厚度2.49 m，煤層平均埋深482 m。40201工作面位于402采區北翼，開采4號煤層，走向長度1 603 m，傾向長度300 m，可采長度1 415 m，其上部為4上號煤層采空區。該工作面煤層頂板與4上號煤層采空區底板隔厚4.0～24.8 m。工作面原始瓦斯含量2.69～3.11 m3/t，采前累計抽排瓦斯量767.7萬m3，殘余瓦斯含量1.10～1.28 m3/t，可解吸瓦斯量0.62～0.74 m3/t，瓦斯預抽達標，滿足回采要求。

2 極近距離煤層重復采動卸壓瓦斯治理

4上號煤層開采后，4上號煤層采空區底板原有地應力平衡狀態被打破，導致底板煤巖體移動變形、膨脹卸壓，產生大量縱向裂隙和橫向裂隙[15]，使鄰近的4號煤層平衡瓦斯壓力產生卸壓現象，形成較大瓦斯裂隙場[16]。

4號煤層回采過程中，通過向上覆瓦斯裂隙場施工鉆孔可有效抽采上覆煤層采空區瓦斯。根據40201工作面瓦斯超限原因并結合實際地質及開采情況，提出了“分區段”卸壓瓦斯綜合治理的方法。

“分區段”即根據4號煤層頂板與4上號煤層采空區底板隔厚h的不同，采取與之相對應的卸壓瓦斯治理措施。

(1)h<8 m時，工作面平均絕對瓦斯涌出量為7.4 m3/min，平均回風瓦斯濃度0.24%，該區段采用“上隅角邁步式埋管+風排瓦斯”的方式可有效治理工作面瓦斯.

(2)8≤h<15 m時，該區段采用“高位卸壓鉆孔+上隅角邁步式埋管+風排瓦斯”的方式可有效治理工作面瓦斯。

(3)h≥15 m時，該區段采用“高位定向鉆孔+上隅角邁步式埋管+風排瓦斯”的方式可有效治理工作面瓦斯。

2.1 上隅角埋管抽采瓦斯技術

在40201回風巷上隅角布置一趟Φ450 mm抽采管路，在開切眼向外100 m處安裝三通，延接2趟Φ600 mm負壓風筒，并在回風巷回采前布設的Φ450 mm抽采管路基礎上延接一趟Φ600 mm負壓風筒，分別伸入上隅角采空區5、10、15 m，對采空區瓦斯進行邁步式抽采，如圖1所示。

圖1 上隅角邁步式埋管抽采示意

2.2 鉆場高位卸壓鉆孔抽采技術

40201工作面回采前在回風巷1 240、1 080 m施工2個鉆場(1號、2號鉆場)，每個鉆場施工12個鉆孔，設計孔徑153 mm，鉆孔采用Φ89 mm套管封通孔，鉆孔水平覆蓋距回風巷15～48 m區域，終孔位于煤層頂板向上5 m，如圖2所示。因1號、2號高位鉆場覆蓋區段隔厚普遍在8～15 m，40201工作面回采至1號高位鉆場和2號高位鉆場覆蓋區段期間，利用鉆場內高位卸壓鉆孔對工作面瓦斯進行抽采，可有效治理工作面瓦斯。

圖2 40201工作面回風巷1號、2號鉆場高位卸壓鉆孔示意

隨著40201工作面推進，在回風巷布設新3號鉆場(回風巷570 m處)和新4號鉆場(回風巷250 m處)。其中，新3號鉆場施工5個高位鉆孔，新4號鉆場施工8個高位鉆孔，設計孔徑153 mm，鉆孔采用Φ89 mm套管封通孔，鉆孔水平覆蓋距回風巷20～50 m區域，終孔位于4上號煤層采空區底板，如圖3所示。因新3號、新4號高位鉆場覆蓋區段隔厚普遍在8～15 m，工作面回采至新3號和新4號高位鉆場覆蓋區段期間，利用鉆場內高位卸壓鉆孔對工作面瓦斯進行抽采，可有效治理工作面瓦斯。

圖3 40201工作面回風巷新3號、新4號鉆場高位卸壓鉆孔示意

2.3 鉆場高位定向鉆孔抽采技術

根據煤層賦存條件，4號煤層頂板巖層為粉砂巖，具有穩定性、透氣性好且位于頂板裂縫帶內的特點。為此，在40201工作面回風巷3號鉆場(3號鉆場位于2號鉆場與新3號鉆場之間)施工1個高位定向鉆孔，設計孔徑200 mm，目標層位位于4號煤層頂板向上5～10 m，鉆孔水平內錯回風巷15 m，鉆孔長度490 m，如圖4所示。因3號高位鉆場覆蓋區段隔厚普遍大于15 m，工作面回采至3號高位鉆場覆蓋區段期間，利用鉆場內高位定向鉆孔對工作面瓦斯進行抽采，可有效治理工作面瓦斯。

圖4 40201工作面3號鉆場高位定向鉆孔剖面

3 極近距離煤層重復采動卸壓瓦斯抽采效果

3.1 上隅角瓦斯抽采階段

40201工作面回采至550 m時，此區段4號煤層頂板與4上號煤層采空區底板隔厚小于8 m，僅利用上隅角埋管進行采空區抽采，整個抽采過程中工作面回風瓦斯濃度基本維持在0.28%左右，工作面瓦斯治理效果較好。因此，極近距離煤層在上煤層已回采完畢、下煤層回采時，當4號煤層頂板與4上號煤層采空區底板隔厚小于8 m時，僅利用上隅角埋管抽采采空區瓦斯，可有效治理工作面瓦斯。

3.2 鉆場高位卸壓鉆孔抽采階段

40201工作面回采至回風巷1號鉆場、2號鉆場高位卸壓鉆孔覆蓋范圍時，該組鉆孔抽采負壓26.6 kPa，瓦斯濃度10.6%，混合氣體流量63.07 m3/min，瓦斯抽采量最大6.75 m3/min。整個抽采過程中工作面回風瓦斯濃度最大為0.24%。40201工作面回采至回風巷新3號鉆場、新4號鉆場高位卸壓鉆孔覆蓋范圍時，該組鉆孔抽采負壓39.9 kPa，瓦斯濃度12.04%，混合氣體流量8.88 m3/min，瓦斯抽采量最大2.23 m3/min，整個抽采過程中工作面回風瓦斯濃度最大0.26%。

分析1號、2號、新3號、新4號鉆場高位卸壓鉆孔的瓦斯抽采效果可以發現，高位卸壓鉆孔在縱向方向導通了上覆瓦斯裂隙場，橫向方向布置在工作面“O型裂隙圈”內，可有效抽采采空區瓦斯[17-18]。因此，極近距離煤層在上煤層已回采完畢、下煤層回采時，當4號煤層頂板與4上號煤層采空區底板隔厚在8～15 m范圍時，沿上煤層施工高位卸壓鉆孔，可有效治理工作面瓦斯。

3.3 高位定向鉆孔抽采階段

極近距離煤層開采條件下，受地質條件影響，高位定向鉆孔施工難度大，主要表現在穿過上煤層時易出現夾鉆、不返水等情況。當4號煤層頂板與4上號煤層采空區底板隔厚大于15 m時，可在下煤層頂板向上5～10 m處施工高位定向鉆孔。高位定向鉆孔施工層位在煤層頂板上方5～10 m，在裂隙充分導通的情況下可有效抽采采空區卸壓瓦斯。

40201工作面回采至3號鉆場覆蓋區域時，利用3號鉆場高位定向鉆孔進行瓦斯抽采，此段鉆孔抽采負壓37.9 kPa，瓦斯濃度7.6%，混合氣體流量41.93 m3/min，瓦斯抽采量最大達3.19 m3/min，工作面回風瓦斯濃度最大達0.3%，瓦斯治理效果良好。在類似地質條件下，還可考慮增加煤層頂板上方5～10 m范圍內高位定向鉆孔個數，進一步提高工作面瓦斯抽采量；或在條件具備的情況下，施工高位定向鉆孔分段開分支導通上覆采空區來提高高位定向鉆孔的抽采效果[19-20]。

4 煤層隔厚對周期來壓/瓦斯涌出的影響規律

4.1 瓦斯涌出與隔厚的關系

40201工作面開采的4號煤層頂板與4上號煤層采空區底板隔厚呈現出“兩端大、中間小”的分布特征。其中，工作面中部隔厚相對較小，最小隔厚僅為4.0 m；由工作面中部向開切眼、終采線方向逐漸變厚，開切眼、終采線附近最大隔厚分別為15.2、24.8 m。40201工作面回采期間，隨著4號煤層頂板與4上號煤層采空區底板隔厚不斷變化，選取工作面推進距離0～600 m的現場數據，得出絕對瓦斯涌出量變化規律如圖5所示。

由圖5可知，40201工作面回采期間平均瓦斯涌出量為9 m3/min；工作面回采至35 m時，工作面瓦斯涌出量10.70 m3/min；工作面回采至140 m時，工作面瓦斯涌出量達到15.02 m3/min。整體來看，隨著40201工作面的回采，4號煤層頂板與4上號煤層采空區底板隔厚不斷減小，工作面絕對瓦斯涌出量不斷降低，最終達到動態穩定狀態。其主要原因為：上煤層回采過程中下煤層瓦斯沿裂隙逸散至上煤層，起到解放層優先開采加速下煤層瓦斯釋放的作用，并且隨著隔厚不斷減小，下煤層噸煤瓦斯含量下降越大，一定程度上對40201工作面瓦斯區域治理發揮了作用[21-22]；40201工作面4號煤層頂板與4上號煤層采空區底板隔厚越小，裂隙發育越充分，4號煤層越容易與4上號煤層采空區導通，部分卸壓瓦斯沿裂隙通道逸散至4上號煤層采空區[23]。

4.2 周期來壓與隔厚的關系

為確定40201工作面瓦斯涌出量與周期來壓的關系，進一步明確4號煤層頂板與4上號煤層采空區底板隔厚對瓦斯涌出的影響規律，基于工作面實際地質條件，以相似理論為基礎，開展煤層走向方向的物理相似模擬實驗。煤層開切眼設置在模型邊界15 cm處，作為保護煤柱，模型幾何相似比為1∶200，開切眼4 cm，對應還原值為8 m，每20 min推進一次。40201工作面周期來壓隨推進距離的分布特征模擬如圖6所示，通過開展物理相似模擬實驗發現，確定40201工作面來壓步距為35 m，通過分析工作面來壓次數(圖6)、4號煤層頂板與4上號煤層采空區底板隔厚，并結合工作面瓦斯抽采量可推斷裂隙發育距離，如圖7所示。

圖6 40201工作面周期來壓隨推進距離的分布特征模擬

圖7 40201工作面周期來壓對瓦斯涌出的影響規律

由圖7可知，工作面回采距離越大，裂隙發育越充分，工作面回采至35 m時工作面初次來壓，工作面瓦斯涌出量10.7 m3/min，瓦斯抽采量5.56 m3/min，說明裂隙與4上號煤層導通，裂隙發育高度19.7 m。工作面回采至140 m時(第4次周期來壓)，工作面瓦斯涌出量達到15.02 m3/min，瓦斯抽采量9.54 m3/min，該區段4號煤層頂板與4上號煤層采空區底板隔厚為14.59 m。說明4號煤層頂板與4上號煤層采空區底板隔厚為14.59 m時工作面采空區與4上號煤層采空區整體冒落。

5 結論

(1)大佛寺40201工作面為防治回采期間瓦斯大量涌出、回風隅角瓦斯超限等問題，提出了“分區段”卸壓瓦斯綜合治理方法，解決了4號煤層頂板與4上號煤層采空區底板隔厚不均帶來的卸壓瓦斯防治難題，并取得良好的現場應用效果。

(2)“分區段”卸壓瓦斯綜合治理方法根據4號煤層頂板與4上號煤層采空區底板隔厚的不同，選取相應的卸壓瓦斯治理措施。當4號煤層頂板與4上號煤層采空區底板隔厚小于8 m時，僅采用“上隅角邁步式埋管+風排瓦斯”的方式可有效治理工作面瓦斯。

(3)4號煤層頂板與4上號煤層采空區底板隔厚在8～15 m范圍時，采取留設鉆場向上覆采空區施工高位卸壓鉆孔，高位卸壓鉆孔縱向導通上覆瓦斯裂隙場，可有效抽采工作面采空區卸壓瓦斯，該階段采用“高位卸壓鉆孔+上隅角邁步式埋管+風排瓦斯”的方式可有效治理工作面瓦斯。

(4)極近距離聯合煤層開采條件下，受地質條件影響高位定向鉆孔施工難度大，當4號煤層頂板與4上號煤層采空區底板隔厚大于15 m時，具備高位定向鉆孔施工條件。高位定向鉆孔施工層位在煤層頂板上方5～10 m，在裂隙充分導通的情況下也可有效抽采采空區卸壓瓦斯。此階段采取“高位定向鉆孔+上隅角邁步式埋管+風排瓦斯”的方式可有效治理工作面瓦斯。