高瓦斯礦井近距離煤層煤與瓦斯共采技術實踐

劉君（山西焦煤集團公司，太原 030024）

高瓦斯礦井近距離煤層煤與瓦斯共采技術實踐

劉君
（山西焦煤集團公司，太原 030024）

通過分析賀西煤礦高瓦斯礦井近距離煤層間巖層和瓦斯在煤與瓦斯共采過程中的移動規律，研究采空區及上覆巖層、高濃度瓦斯環形裂隙圈參數，以及近距離煤層間煤與瓦斯共采前后的煤層瓦斯分布規律，從而掌握瓦斯賦存狀態，制定瓦斯綜合抽采方案，檢驗瓦斯治理效果，確保礦井安全生產。

煤與瓦斯共采技術；裂隙圈；瓦斯參數測定

1　煤與瓦斯共采的意義

瓦斯是礦井的頭號殺手，開采保護層、煤與瓦斯共采是高瓦斯礦井煤層群區域瓦斯治理的最有效手段，是將采煤與采氣相結合的資源開發形式。其作用：一是鄰近煤層的開采有利于煤層卸壓，頂底板巖層裂隙增大，加速煤層瓦斯的解吸與流動，同時工作面回采所必須的采掘、通風系統為瓦斯抽采提供了操作空間；二是高效的瓦斯抽采降低了區域內瓦斯濃度和煤層瓦斯含量，能夠有效降低瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出危險；三是高效的瓦斯抽采有利于高濃瓦斯收集，便于瓦斯利用，是礦井綠色發展的必然要求。因此，研究近距離煤層的采空區及上覆巖層、高濃度瓦斯環形裂隙圈參數，分析近距離煤層間煤與瓦斯共采前后的煤層瓦斯分布規律，對制定瓦斯綜合抽采方案、掌握瓦斯賦存狀態、檢驗瓦斯治理效果，確保礦井安全生產具有重要意義[1]。

2　礦井瓦斯賦存情況

山西焦煤賀西礦主采近距離的3號、4號煤層（均位于山西組，平均間距11.99 m），其瓦斯賦存特點：一是煤層透氣性系數小，抽采困難；二是4號煤層回采周期來壓時來自上鄰近層3號煤層的瓦斯大量涌到工作面；三是4號煤層未卸壓區的煤巷掘進工作面瓦斯濃度居高不下，掘進困難。該區域相鄰礦井4號煤層為突出煤層，賀西礦4號煤層在采掘過程必須采取“四位一體”綜合防突措施。

3　上覆煤層開采后的煤層頂板裂隙研究

推演賀西礦在3號煤層開采時對下覆4號煤層頂板裂隙和煤層增透率的分布和演化，可通過增透率的變化反映開采擾動對煤巖體裂隙網絡滲透性的影響，為鄰近煤層煤與瓦斯共采中的煤層增透效果評價提供定量指標和科學方法[2]。

壁式開采中，頂板隨工作面的推進經歷卸壓下沉-破斷-垮落的循環過程。在頂板變形、垮塌過程中，采空區及上覆巖層中的瓦斯經歷解吸擴散-滲透-聚積的過程，最終在采空區形成瓦斯相對集中、瓦斯濃度較高和容易流動的區域。在相鄰工作面區段巷道或專用回風巷中施工傾斜高抽鉆孔抽放采空區裂隙帶瓦斯是一種簡單易行的方法；研究傾斜高抽鉆孔對提高抽放效果，減少鉆孔施工具有重要意義；研究采空區上覆巖層移動規律和采空區上方瓦斯滲流機理對采空區瓦斯涌出的治理，鄰近層瓦斯抽放等也具有重要意義。

針對賀西礦的實際情況，主要研究上覆巖層和瓦斯移動規律、采場礦壓顯現規律、共采前后煤層瓦斯賦存規律，本煤層和環形裂隙圈瓦斯抽采設計方法等，為煤與瓦斯共采提供安全技術保障。

4　采空區上覆巖層移動與瓦斯滲流規律

4.1采空區及上覆巖層環形裂隙圈

根據采空區上覆巖層變形破壞程度、受力狀態和裂隙尺度的不同，上覆巖層在豎向分冒落、裂隙、彎曲下沉“三帶”；采空區底板巖層根據膨脹變形程度分為底板變形破壞和彈塑性變形“兩帶”。冒落帶內（采空區內）巖塊之間孔隙多，連通性強，特別是靠近工作面的松散區是工作面漏風和裂隙帶瓦斯向工作面涌出的主要通道。工作面漏風攜帶大量瓦斯涌向上隅角是上隅角瓦斯濃度經常超限的主要原因之一[3-4]。圖1為采空區及上覆巖層環形裂隙圈示意圖。

裂隙帶內老頂巖層裂隙在經歷了發育、充分發育、壓實的過程后，具有溝通采空區冒落帶和變形帶裂隙通道的作用。其中離層區是裂隙最發育的區域，主要有垂直或斜交于巖層的新生長裂隙和沿層面的離層裂隙兩種。新生長裂隙垂直或斜交于巖層，是因巖層向下彎曲受拉產生斷裂，它部分或全部穿過巖層，但巖層基本能保持層狀連續性；沿層面的離層裂隙主要是由于巖層間力學性質差異大，巖層向下彎曲所致。由于巖層變形產生的裂隙導致的巖層透氣性增加，為瓦斯涌出創造新的通道，所以裂隙帶離層區的中下部是布置鄰層瓦斯抽放鉆孔和高抽巷，截斷瓦斯向工作面涌出的理想位置。

圖1　采空區及上覆巖層環形裂隙圈示意圖

4.2高濃度大裂隙環形裂隙圈

隨著工作面不斷向前推進，采空區中部的冒落帶和裂隙帶離層裂隙會被上覆巖層的移動再次壓實，而在采空區周圍形成一個富集高濃度瓦斯的環形裂隙圈，如圖1-b陰影區。此時，上覆巖層內的孔隙和裂隙經歷了由最小到最大，然后再到較小的過程；縱向“三區”不斷向前運移，重新壓實區寬度不斷增大，而離層區的寬度在循環來壓后像周期來壓步距一樣基本不變，并且與周期來壓步距有關。在冒落帶高度處，冒落線與卸壓線之間平行煤層頂板線段與周期來壓步距之和為裂隙帶離層區的下部寬度；而在裂隙帶高度處，冒落線與卸壓線之間平行煤層頂板的線段與周期來壓步距之和為裂隙帶離層區的上部寬度。近水平煤層縱、橫向離層區寬度可看作近似相同。根據上述分析，結合圖1，各帶離層區范圍推導出以下公式：

式中：a為冒落帶最大高度，m；b為裂隙帶最大高度，m；l1、c1分別為縱向或橫向冒落帶最大高度處，離層區下部傾斜距離和離層區下部寬度（離層區下部傾斜距離是冒落高度線與卸壓線交點與過煤壁頂端并垂直煤層傾向斜面直線的距離，離層區下部寬度是從近工作面煤壁點到遠工作面煤壁點平行煤層傾斜面的寬度），m；l2、c2分別為縱向或橫向裂隙帶最大高度處，離層區上部傾斜距離和層區上部寬度，m；β為冒落角，°；γ為卸壓角，°；l為周期來壓步距，m。

傾斜距離乘以煤層傾角的余弦值即裂隙圈距工作面煤壁的水平距離。水平煤層二者近似相等。

4.3賀西煤礦環形裂隙圈位置參數

根據現場觀測和分析，賀西礦3號煤平均厚1.98 m，傾角4°，冒落線傾角67°，卸壓角79°，周期來壓步距15 m；4號煤平均厚1.55 m，傾角4°，冒落線傾角67°，卸壓角79°，周期來壓步距16.2 m；由式（1）-（4）計算得到的3號煤層上覆巖層中環形裂隙圈位置參數，如表1所示，其中冒落帶高度和裂隙帶高度取各公式計算的平均值。

表1　3號、4號煤層環形裂隙圈位置參數

由表中參數可見：4號煤層裂隙帶高度大于3號和4號煤層間距和4號煤層厚度之和，所以3號煤層開采后，4號煤層將完全在卸壓保護范圍內，其瓦斯壓力、透氣性系數都將明顯增大，4號煤層本煤層抽放和鄰近層裂隙帶抽放效果將提高，且4號煤層裂隙帶抽放和采空區抽放功能合二為一。

5　近距離煤層煤與瓦斯共采方案

根據賀西礦瓦斯賦存狀況、回采工藝、采掘設備、瓦斯移動規律等，賀西礦開采4號煤層時采用本煤層區域或回采工作面本煤層順層鉆孔預抽、掘進工作面超前鉆孔預抽、傾斜高抽鉆孔或高抽巷鄰近層抽放裂隙帶瓦斯、采空區埋管抽放等多種抽采工藝的綜合瓦斯抽采方案。采用千米長距離定向鉆機在采區巷道、工作面順槽、專用鉆場等沿本煤層施工預抽鉆孔，預抽時間保證6個月以上。

工作面采掘作業期間，在材料巷或運輸巷中施工順層平行工作面鉆孔或兩側施工斜交工作面鉆孔進行本煤層抽放。圖2為工作面平行鉆孔預抽布置示意圖，圖3為工作面斜交鉆孔預抽布置示意圖鉆孔長度根據鉆孔位置和工作面長度控制在80 m～200 m，同時保證抽放范圍控制整個煤體，不留死角。單側鉆孔時，孔底靠近巷壁卸壓裂隙帶內和應力集中帶以間，以免孔底進入煤壁卸壓裂隙帶漏氣影響抽放效果，封孔長度大于裂隙帶寬度，間距根據有效抽放半徑和抽放時間確定。雙側鉆孔時孔底交叉，保證不留死角。

圖2　工作面平行鉆孔預抽布置示意圖

圖3　工作面斜交鉆孔預抽布置示意圖

6　結論

1）由于3號和4號煤層平均間距僅12 m，平均傾角4°，屬近距離、近水平煤層，當3號煤層回采后，開采4號煤層時，隨著工作面推進，最終在4號煤采空區上覆巖層中形成了裂隙較大、瓦斯相對集中、瓦斯濃度較高和容易流動的環形裂隙圈。測得3號煤層開采后的冒帶高度5.13 m，冒落角44.7°。因4號煤層及頂板巖層處于20 m的有效的卸壓范圍內，故為4號煤層開采時傾斜高抽鉆孔和頂板高抽巷的設計提供了理論依據。

2）根據上覆巖層和瓦斯移動規律、裂隙圈分布規律、本煤層瓦斯抽放鉆孔涌出規律，確定了近距離煤層煤與瓦斯共采綜合技術方案，并提出了傾斜高抽鉆孔和本煤層抽放鉆孔工藝參數設計方法。

3）開采3號煤層超前時間一般不應超過6個月。若超前開采時間較長時，上部采空區形成再生頂板，瓦斯得到重新富集平衡，則抽采鉆孔衰減系數較小，涌出初速度和極限涌出量將增大，4號煤層回采過程中瓦斯涌出量反而增加。

4）通過測定各生產區域3號煤層和4號煤層鉆孔涌出衰減系數，透氣性系數，百米鉆孔極限抽采量，所測結果表明未卸壓煤層都屬于難以抽采煤層；卸壓煤層屬于可以抽采煤層。

5）現場實際測定了賀西礦3號和4號煤層殘存瓦斯含量和壓力，評價了回采工藝對瓦斯賦存規律和瓦斯抽采效果的影響；測定了煤層瓦斯吸附性能，為間接計算瓦斯壓力或含量提供了基礎參數。通過研究鉆屑解吸指標K1與瓦斯壓力的關系，可計算出不同鉆孔深度處煤層瓦斯壓力，從而對采掘工程對煤層瓦斯分布規律的影響、煤層瓦斯抽放效果和煤層瓦斯的危險程度做出快速合理地評價。

[1]錢鳴高，許家林，繆協興.煤礦綠色開采技術[J].中國礦業大學學報，2003，32（4）:347-348.

[2]杜計平，孟憲銳.采礦學[M].徐州:中國礦業大學出版社，2009.

[3]周世寧，林柏泉.煤層瓦斯賦存與流動理論[M].北京:煤炭工業出版社，1998.

[4]袁亮，郭華，沈寶堂，等.低透氣性煤層群煤與瓦斯共采中的高位環形裂隙體[J].煤炭學報，2011，36（3）：357-365.

（編輯：樊敏）

Application of Coal Mining and Gas Extraction in Close-distance Coal Seams in High Gassy Mine

LIU Jun
(Shanxi Coking Coal Group,Taiyuan 030024,China)

Based on the displacement law of strata and gas in the process of coal mining and gas extraction in high gassy mine,the paper studies the fissured circle of high concentration gas in goaf and overlying strata.The gas distribution laws before and after the coal mining and gas extraction are also analyzed to obtain gas occurrence,make a comprehensive extraction plan for gas,check gas control effects, and guarantee the safe production in mines.

coal mining and gas extraction technique;fissured circle;determination of gas parameter

TD823

A

1672-5050（2016）02-0061-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.02.019

2015-12-15

劉君（1981-），男，山西太原人，工程碩士，工程師，從事煤炭采掘技術研究與安全生產工作。