復合煤層頂板圍巖瓦斯抽采技術研究與應用

魏有貴，王俊超，羅代洪，陳代彬，張志勇

(1.四川廣旺能源發展(集團)有限責任公司，四川 廣元 628000； 2.四川廣旺集團 代池壩煤礦，四川 廣元 628000)

復合煤層頂板圍巖瓦斯抽采技術研究與應用

魏有貴1，王俊超2，羅代洪2，陳代彬2，張志勇2

(1.四川廣旺能源發展(集團)有限責任公司，四川 廣元 628000； 2.四川廣旺集團 代池壩煤礦，四川 廣元 628000)

以廣旺集團代池壩高瓦斯煤礦為例，對復合煤層采面頂板圍巖及鄰近層瓦斯抽采進行研究，提出將瓦斯抽采鉆孔沿開采煤層走向布置在煤層頂板上方的斷裂帶巖石中，優化參數，合理布置鉆孔，抽采斷裂帶及鄰近層大量瓦斯。工程實踐表明，該工藝有效控制了采面回風及上隅角瓦斯超限，取得了顯著的經濟和社會效益，為同類型礦井采煤工作面瓦斯治理提供了理論依據和現場參考。

復合煤層；高瓦斯；高位鉆孔；斷裂帶

廣旺公司代池壩煤礦位于四川省廣元市境內廣旺煤田中段，井田面積4.49 km2，年設計能力為30萬t，核定生產能力為45萬t，屬高瓦斯礦井，礦井瓦斯相對涌出量為17 m3/t；地面固定抽采系統配有兩臺2BE1303抽采泵，抽采量46.53 m3/min. 主要開采5#、9-1#、9-2#、13#層煤，屬貧瘦煤，煤層傾角為32°～55°，采高為0.6～2.0 m，采煤工作面采用俯偽斜走向長壁和綜合機械化采煤方法采煤，全部垮落法管理頂板。

1 地質賦存狀況

3961工作面位于306采區+320 m水平四石門至458 m區段石門以西的9#煤層，走向長度600 m，屬于306采區的首采煤層，其上覆8#、7#、5#煤層，底部有13#煤層，工作面上、下鄰近煤層均不可采。3961工作面純煤厚0.8 m，煤層傾角41°，采高1.1 m，基本頂為粉砂巖，直接頂為泥巖，無偽頂；煤層結構西部較簡單(夾矸2～4層)，一般為一層。

2 瓦斯涌出情況

3961采煤工作面開采前，在運輸平巷內采用沿層上向按抽放半徑3 m，間隔6 m布置90個鉆孔，抽放本煤層瓦斯；同時在回風巷起每隔60 m施工一個鉆場，每組布置3～5個穿層鉆孔抽采頂板斷裂帶瓦斯，在運輸巷沿煤層頂板施工鉆場至8#煤層，鉆孔呈扇形布置，沿走向鉆孔深度達到262.5 m，抽采上鄰近層瓦斯。在開采初期，基本頂初次來壓前采面配風量260 m3/min，瓦斯濃度0.2%～0.3%，平均絕對瓦斯涌出量為0.65 m3/min，此時的瓦斯可以全部看作本煤層瓦斯涌出量。當開采推進32 m時，基本頂初次垮落，頂板及鄰近層瓦斯大量涌出通過采面上隅角匯入采面回風巷，造成采面回風瓦斯濃度突然升高，采面配風量達到450 m3/min，回風巷瓦斯濃度為1.32%～1.85%，采面上隅角瓦斯為12%，采面風流瓦斯濃度與基本頂初次垮落前相比無大的變化。經計算，基本頂來壓后采面最高絕對瓦斯涌出量為5.94～8.325 m3/min，減去本煤層瓦斯涌出量0.65 m3/min，基本頂來壓后頂板圍巖及鄰近層最高絕對瓦斯涌出量為5.29～7.675 m3/min，采面被迫停產。經84 h瓦斯釋放后，采面回風瓦斯濃度下降為0.7%～0.9%，上隅角瓦斯濃度為5%～7%，此時的采面瓦斯涌出量為3.15～4.05 m3/min，基本頂圍巖及鄰近層絕對瓦斯涌出量為2.4～3.3 m3/min，占整個采面瓦斯涌出量的78.84%. 采用在上隅角設置風障與構筑沙袋密閉并埋管抽采等措施，安全仍無保證。

3 圍巖及鄰近層瓦斯涌出分析

礦井范圍內共有3個含水層。其中3#含水層位于煤系頂部，為下侏羅統白田壩組(J1b)，由灰白色粗雜色塊狀巨礫巖組成，出露于地表，受大氣降水補給，主要以礦坑水和泉的形式排泄。

2#含水層位于5#煤層至7#煤層之間，為須家河組第五段三亞段(T3xj5-3)，由灰色厚至中厚層狀鈣質粉砂巖，夾厚層狀鈣質細粒砂巖組成，與3#含水層之間有隔水層，存在巖石致密，無充水空間，隔水性能良好，兩者之間無水力聯系，瓦斯因受水力封堵作用而富集，煤層含量較高。2#與3#含水層補給為大氣降水，補給量小，地下水以靜水壓力、重力驅動方流動，地下水程封堵作用，對煤層氣有封堵作用。因而5#煤層的頂部與底部，2#、3#含水層，起到良好的封堵作用，使該處瓦斯賦存環境良好。瓦斯的運移能力降低，對9#煤層首次開采影響較小。

7#煤層至9#煤層底板主要有深灰色泥質粉砂巖、泥巖、炭質泥巖與10#、11#、12#煤層。當煤層頂、底板為致密完整的巖層時，煤層中的瓦斯容易被保存，7#煤層頂板為2#含水層，并且含有致密的薄層泥巖，隔氣性較好；9#煤層底部為泥質粉砂巖與泥巖互層，并且有保存完好的13#煤層的層位，煤儲層本身是一種高度致密的低滲透性巖層，上部分層和下部分層對中部分層有強烈的封蓋作用，有利于瓦斯的儲存。使7#、8#、9#煤層瓦斯具有良好的儲存條件。

7#、8#煤層位于9#煤層之上，7#距9#煤層為23 m，8#距9#煤層19 m，在回采過程中，頂板穩定性將會被破壞，裂隙將會發育，導致7#、8#煤層具有良好的透氣途徑，瓦斯易于聚集在9#煤層工作面上隅角，造成回風流瓦斯上升。

4 圍巖及鄰近層瓦斯抽采技術

通過對地質賦存情況以及圍巖瓦斯涌出情況的分析可知，要使瓦斯抽采效果最大化，鉆孔布置最重要，鉆孔必須要布置在本煤層及鄰近層，避免“三帶”對鉆孔的影響。因此，鉆孔層位選擇是巖石走向鉆孔抽放采面頂板圍巖及鄰近層瓦斯的技術關鍵，將瓦斯抽放鉆孔布置在開采煤層離層帶或穿透幾個離層帶，通過離層面溝通很多縱向裂隙，抽采煤層基本頂圍巖斷裂帶和鄰近層高濃度瓦斯，取得了良好抽采效果。通過對3961采煤工作面開采時基本頂初次來壓前后瓦斯涌出量的觀察和分析，認為大量瓦斯涌出造成采面上隅角和回風巷風流瓦斯超限的根本原因不是本煤層瓦斯，而是開采煤層受采動影響，頂板來壓垮落后，煤層頂板上方圍巖斷裂帶和鄰近煤(巖)層充分卸壓，大量瓦斯通過層間裂隙涌向開采面采空區。

高位鉆孔技術關鍵在于合理將抽放鉆孔沿開采煤層走向布置在煤層頂板上方的斷裂帶巖石中，抽放出斷裂帶及鄰近層大量瓦斯，減少頂板圍巖及鄰近層瓦斯涌向采空區。隨著采煤工作面的推進該技術可使鉆孔始終處在垮落帶的上方，而孔口又處于負壓狀態，抽采效果良好，鉆孔瓦斯抽放濃度較高(一般為60%～86%). 同時，高位鉆孔布置有關技術參數科學合理，降低采面瓦斯效果明顯，廣泛適用于瓦斯礦井中煤層頂板裂隙發育、頂板圍巖瓦斯含量較高的采煤工作面。

5 抽采鉆孔布置及參數確定

5.1 抽采鉆孔布置

通過對3961采面上覆巖層地質分析以及臨近瓦斯涌出量測算，結合礦壓理論計算垮落帶及透水斷裂帶高度如下：

式中：

H冒—垮落帶高度，m；

H導—導水斷裂帶高度，m；

m—采高，m，取1.1；

∑M—累計采高厚度，m，取1.3；

θ—煤層傾角，(°)，取41；

k—煤巖層松散系數，取1.3.

由此得知：9#煤層的垮落帶及導水斷裂帶高度分別是4.89 m、17.29～32.60 m.

9#煤層回采時，將導致7#、8#煤層的瓦斯從斷裂帶向9#煤層回采工作面運移，從而引起瓦斯增高，見圖1.

圖1 9#煤層三帶分布圖

3961采面采高為1.1 m，基本頂為粉砂巖，厚度為9.5 m，頂板巖層內煤線較多，實測垮落帶高度一般為采高的3～5倍，斷裂帶高度一般為采高的8～15倍，基本頂來壓冒落后，斷裂帶充分卸壓，層間彼此分離，斷裂帶下部縱向裂隙發育，上部層間裂隙發育，透氣性較好。只有當鉆孔位于離層帶或穿透幾個離層帶，通過離層面溝通很多縱向裂隙才能取得良好抽放效果。3961工作面鉆場布置剖面圖見圖2.

圖2 3961工作面鉆場布置剖面圖

因此，在3961采面風巷每隔60 m向煤層頂板方向掘一段巷道作為鉆場，在此向采面方向打4個抽放鉆孔，抽放頂板裂隙及鄰近層瓦斯。

5.2 鉆場及鉆孔參數的計算

結合3961采面三帶情況以及煤層傾角(41°)、采高(1.1 m)，確定參數如下：

1) 鉆孔傾角：為便于鉆孔排屑，鉆孔傾角α設定為5°. 2) 鉆孔開孔位置：開孔點距煤層高差為15×tan41°=13.04 m.3) 鉆孔終孔：鉆場間距60 m，開孔點與終孔點高差為h=tan5°×60=5.25 m. 終孔點距煤層高差為13.04 m+5.25 m=18.29 m，基本符合鉆孔在斷裂帶內的要求。4) 鉆孔孔徑d94 mm，鉆孔長85～90 m. 5) 封孔長度為8 m，抽放管徑d50 mm鍍鋅管，長度9～10 m. 6) 每個鉆場布置4個鉆孔。3961采面鉆場鉆孔布置平面圖見圖3.

圖3 3961采面鉆場鉆孔布置平面圖

鉆孔參數見表1，2.

表1 鉆孔參數表

表2 抽采參數表

通過對實驗性鉆場內4個鉆孔的連續觀察比對，選取3#鉆孔的終孔位置作為下一個鉆場內高位鉆孔的設計理論依據，即12倍采高。

根據鉆孔布置層位，在3961回風巷共布置8個鉆場，間距依據巷道走向的變化靈活確定，但始終要確保鉆孔處在12倍采高的位置，以確保抽采效果。

6 抽采效果分析

按照上述設計參數施工后，對各鉆孔抽采濃度進行檢查，鉆孔抽采濃度最高為86%，單孔抽采純量最大為1.1 m3/min，抽采總量最大為5.43 m3/min，見表3，抽采量占頂板及鄰近層瓦斯涌出量的68.3%，采面回風濃度下降為0.26%，上隅角瓦斯濃度為1.30%，有效控制住了3961采煤工作面回風及上隅角瓦斯超限，為安全生產創造了條件。

表3 抽采前后及期間效果分析表

與國內幾種治理采面瓦斯技術比較，具有技術合理、投入低(6元/m)、抽放瓦斯濃度高、降低采面瓦斯效果明顯和便于管理等特點，而且這種方法可隨著采煤工作面的推進使鉆孔始終處在垮落帶的上方，而孔口又處于負壓狀態，能取得良好的抽采效果。

7 結 論

通過對3961采面上覆巖層以及鄰近煤層瓦斯涌出量的分析，結合礦壓控制理論測算出“三帶”高度，合理確定鉆場位置及鉆孔參數，取得了良好的瓦斯抽采效果。

1) 該技術工藝可以廣泛適用于煤層頂板裂隙發育、頂板圍巖及復合煤層鄰近層瓦斯含量較高的采煤工作面。

2) 結合煤層地質賦存情況，經過計算和實踐，將抽采鉆孔沿開采煤層走向布置在煤層頂板上方12～19.5 m的斷裂帶巖石中，可以抽采出斷裂帶及鄰近層大量瓦斯，減少頂板圍巖及鄰近層瓦斯涌向采空區。

3) 該技術具有投入低(6元/m)、單孔抽采瓦斯濃度高、降低采面瓦斯效果明顯和便于管理等特點，能為企業帶來良好的經濟、社會效益。

[1] 李同意，彭擔任，張仁貴.高位鉆孔瓦斯抽放在回采工作面的應用[J].工業安全與環保，2008，34(4):63-641.

[2] 廉振山.近距離煤層高位鉆孔抽放瓦斯技術的應用研究[J].煤炭技術，2016，35(8):184-185.

[3] 程志恒，許向前，尤舜武，等.近距離煤層群保護層開采頂板走向高位鉆孔瓦斯治理技術研究[J].中國煤炭，2015(5):124-127.

[4] 梁運培，文光才.頂板巖層“三帶”劃分的綜合分析法[J].煤炭科學技術，2015:28-29.

Research and Application of Gas Drainage Technology in Surrounding Rock of Composite Coal Seam

WEI Yougui, WANG Junchao, LUO Daihong, CHEN Daibin, ZHANG Zhiyong

The paper takes the DaiChiBa in Guangwang Group as an example to study the roof rock and the adjacent gas drainage in the composite coal seam with high-gas. It proposed that the gas drainage along the mining coal seam should be located in fracture area above the roof of the coal seam, the parameters should be optimized, reasonable layout of the borehole also needed. The engineering practice shows that the practice effectively controls the gas problem in working face ventilation and the upper corner, and obtains significant economic and social benefits, which provides the theoretical basis and field reference for the gas control of coal mining face in the same type.

Composite coal seam; High gas; High drilling; Fracture zone

2016-08-24

魏有貴(1963—)，男，四川達縣人，1981年畢業于重慶煤炭工業學校，高級工程師，主要從事軟巖巷道支護以及巖層控制方面的研究工作，(E-mail)136554061@qq.com

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1672-0652(2016)10-0037-04