東林煤礦保護層開采卸壓瓦斯抽采優化設計

李棟++黃昌文++任梅青

[摘 要]為了提高東林煤礦保護層開采卸壓瓦斯抽采率，從層位選擇、鉆孔間距及傾角、鉆場、抽采時間進行了設計，應用結果表明參數設計合理，鉆場瓦斯抽采濃度達40%、抽采純量達0.3m3/min，瓦斯抽采率達到50%以上。

[關鍵詞]采礦工程 保護層開采 卸壓瓦斯 優化設計

中圖分類號：TM77 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）19-0059-01

1、礦井基本情況

東林煤礦是我國稀有的優質焦煤生產礦井，核定生產能力400kt/a，井田走向長度7.5km，采用豎井多水平分采區開拓。礦井地質構造復雜，瓦斯災害嚴重，共發生突出事故200余次，嚴重制約礦井安全高效生產。

2、保護層開采情況

東林煤礦主采4#和6#煤層，傾角65°，埋深440～480m。4#煤層厚度2.5m，6#煤層厚度1.5m，層間距38m。由于4#、6#煤層均為突出煤層，先對6#煤層進行網格鉆孔預抽瓦斯，待其突出危險性降低后，作為下保護層開采，4#煤層作為被保護層滯后開采。

3、抽采設計

3.1 卸壓瓦斯抽采巷層位的選擇

為保證鉆孔位置達到適宜抽采區間，且較長時間處于高濃度瓦斯區，攔截由被保護層涌向保護層6#煤層回采工作面的瓦斯，保證瓦斯不超限；同時為減少開采對鉆孔的采動影響，增加鉆孔壽命，根據煤系巖層性質及層間距，在4#和6#煤層之間有一層10m厚的硅質石灰巖，該巖層穩定性較高，能抵抗住由于保護層開采引起的變形及移動。因此，卸壓瓦斯抽采巷布置在與-50m―-100m區段保護層工作面運輸巷同一水平標高的4#、6#煤層間的高強度硅質石灰巖中，距離被保護層4#煤層14～16m。

3.2 卸壓瓦斯抽采鉆孔布置

（1）鉆孔有效抽采半徑及終孔間距

卸壓瓦斯抽采鉆孔有效抽放半徑可通過分析被保護層的瓦斯涌出規律得出。當保護層工作面推過被保護層考察鉆孔32m時，鉆孔瓦斯流量顯著增加；在工作面推過被保護層考察鉆孔50m時達到最大值。此后，直到保護層工作面后方67m時，瓦斯流量才下降到接近于原始值。由此可知，該試驗區內被保護層卸壓瓦斯流量從初始值增加到最大值的距離為18m，則該試驗區域的卸壓瓦斯抽采鉆孔的有效抽采半徑為9m。

鉆孔終孔間距的大小與層間巖性、層間距、煤層傾角、卸壓瓦斯抽采影響半徑等參數有關。為了有效地抽采卸壓瓦斯，抽采鉆孔的間距不應超過瓦斯活化帶的寬度。如抽采鉆孔的間距為瓦活化帶的50%時，由于相鄰鉆孔瓦斯活化帶的疊加，可獲得比較高且穩定的瓦斯抽采量。因此，在當前這種開采條件下，卸壓瓦斯抽采鉆孔的間距取20～25m是比較適宜的。但考慮到當工作面的回采速度增大以后，采區瓦斯涌出量將有所增加，避免4#煤層的卸壓瓦斯大量地涌入6#煤層的采空區及回采工作面造成6#煤層回采工作面的瓦斯超限，被4#煤層卸壓瓦斯抽采鉆孔的間距應該減少為15～20m的范圍。

同時，為了對比分析不同依據所確定的鉆孔間距差異性，采用經驗公式（1）計算：

（1）

式中，lx—鉆孔間距，m；qx—鉆孔平均總抽采量，m3；Ak—鉆孔平均抽采面積，m2；Wx—被保護層單位面積卸壓瓦斯儲量，m3/m2；η—被保護層卸壓瓦斯抽采率，該礦井為40%。計算得到該區域的卸壓瓦斯抽采鉆孔間距為19.6m。

由于鉆孔空間位置不同，抽采效果差別很大，適當縮小鉆孔間距也可以提高抽采率。因此，綜合考慮將鉆孔間距確定為15～20m。

（2）鉆孔仰角

6#煤層工作面采空區下邊界以上垂高2m左右至垂高38m左右的被保護層4#煤層卸壓較充分；同時，抽采資料表明，鉆孔角度對鉆孔的抽采總量影響不大，但是隨著鉆孔仰角的增大，抽采瓦斯的濃度有所降低。因此，從急傾斜煤層的特點出發，沿傾斜方向布孔主要是將鉆孔布置在鄰近4#煤層的裂隙和微隙區內，即在6#煤層的工作面運輸巷以上垂高2～38m所對應的4#煤層卸壓較充分的范圍內。因此，從抽采瓦斯和鉆孔施工這兩方面來考慮，卸壓瓦斯抽采鉆孔的仰角一般為10°～62°是比較經濟和合理的。

3.3 卸壓瓦斯抽采鉆場設計

為了減少抽采鉆場的維護費用，必須合理地選擇鉆場間距。由被保護層4#煤層的卸壓瓦斯動力參數的考察結果可知，該區域的瓦斯活躍帶為50m，且卸壓瓦斯抽采鉆孔間距確定為15～20m。為了保證鉆場內的鉆孔都處于瓦斯活躍帶內，并考慮抽采鉆場的維護時間，將鉆場間距確定為30～40m。同時，由于該礦井采用MYZ-150型鉆機，并考慮到實際瓦斯抽采巷的寬度，鉆場尺寸為3.0×2.5×2.5m。為保證瓦斯抽采量大且穩定，在瓦斯活躍帶內保持2個鉆場抽采為佳。

3.4 抽采時間

為了有效地抽采卸壓瓦斯，避免抽采負壓浪費，應合理地確定抽采鉆孔的抽采時間，保證抽采鉆孔能基本上抽到4#煤層的卸壓瓦斯。由現場考察結果可知，從保護層工作面前方40m到工作面后20m范圍，被保護煤層內的瓦斯逐漸開始解吸，瓦斯流量開始上升；而被保護層的瓦斯活躍帶為保護層工作面后方15m到65m，此帶為抽采卸壓瓦斯的最佳時機；同時，由于被保護層出現了二次流量上升的過程，隨后從位于保護層工作面后135m開始逐漸衰減。因此，針對急傾斜多煤層俯偽斜上保護層開采的卸壓瓦斯抽采，其抽采時間應為從保護層工作面前方40m到工作面后方135m這一時間段。當保護層工作面推過鉆孔135m以后，被保護層的卸壓瓦斯也基本上沒有很大的抽采價值，此時可以結束鉆孔的抽采工作。

4、效果考察

通過分析和設計，得到東林煤礦卸壓瓦斯抽采鉆孔參數，見表1。通過對東林煤礦各抽采鉆場監測結果表明：每次平均抽采率達50%；在工作面回采推過此區域過程中，6#工作面回風巷瓦斯濃度均未超限；同時，被保護層4#煤層，平均鉆場抽采純量達0.3m3/min，平均瓦斯抽采濃度達到40%。

5、結論

（1）卸壓瓦斯抽采巷布置在4#、6#煤層間的高強度硅質石灰巖中合理；

（2）鉆孔間距確定為15～20m，鉆場尺寸為3.0×2.5×2.5m合理；

（3）應用結果表明參數設計合理，鉆場瓦斯抽采濃度達40%、抽采純量達0.3m3/min，瓦斯抽采率達到50%以上。

作者簡介

李棟（1986—），男，碩士，2012年畢業于重慶大學采礦工程專業，主要從事地下工程研究工作。