超厚煤層開采瓦斯抽采工藝研究與實踐

李長杰?尹訓濤?李明鑫?李新秋

摘要：針對超厚單一煤層綜放工作面瓦斯治理難題，以陜西郴縣水簾洞煤礦為主要試驗基地，應用相似材料模擬試驗和數值模擬方法、“O”型圈、瓦斯運移[1–4]相關理論，研究了大采高綜放工作面單一煤層覆巖破斷的移動特性、煤體內應力分布規律及卸壓區瓦斯運移規律，探索出卸壓開采瓦斯抽采理論，優化了瓦斯抽采工藝，解決了單一超厚煤層煤與瓦斯共采工程技術難題，實現了安全高效開采。

關鍵詞：單一超厚煤層；卸壓開采；瓦斯；抽采

水簾洞煤礦礦井采煤工藝為綜采，主采4煤層，煤層平均厚度12.20m，屬單一煤層大采高開采。礦井瓦斯含量高，在開采過程中煤巖體裂隙發育，瓦斯運移通道暢通，工作面順槽回風流瓦斯經常超限，采用單一加大風量沖淡瓦斯濃度的方法已不可能實現，瓦斯治理問題是嚴重制約礦井安全高效生產的技術難題。因此，必須針對煤礦煤層及瓦斯特性，結合開采工藝，進行瓦斯抽采工藝的研究與優化，確定合理、經濟、高效的礦井瓦斯綜合治理方案。

一、大采高工作面卸壓開采[5–8]瓦斯抽采技術理論體系

（一）上覆巖層“三帶”[1]的形成

工作面采出后，其上覆巖層要發生破壞和位移，經長期現場觀測證實：覆巖破壞和位移具有明顯的分帶性，其特征與地質、采礦等條件有關，在采用長壁全部冒落法開采緩傾斜煤層開采條件下，當采深達到一定深度（100m左右），覆巖的破壞和移動出現“三帶”冒落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶。

（二）關鍵層破斷形式對巖層移動及瓦斯釋放的影響

由于煤系巖體的分層特性差異，各巖層在巖體活動中的作用是不同的。有些較為堅硬的厚巖層在活動中起控制作用，在采場覆巖層中存在著多層巖層時，對巖體活動中起控制作用的巖層稱之為關鍵層，它本身具有很強的抗擾動能力，工作面初采或開采厚度較小時不能使其破斷失穩，它一方面形成某種力學結構（板或簡化為梁，如砌體梁等）形式支撐其上覆巖體的載荷，另一方面又以這種結構保護著回采空間，阻止覆巖的垮落、斷裂及彎曲變形向上發展；當開采空間足夠大（如連續大面積開采及采厚加大）到一定臨界尺寸時，該堅硬厚巖層所形成結構將破斷失穩，由上述關鍵層力學分析可知，這種破斷失穩具有周期性。由此可知，關鍵層的斷裂導致全部或相當部分的上覆巖層產生整體運動，其斷裂步距即為上部巖體中部分或全部巖層的斷裂步距，從而引起明顯的巖層運動和礦壓顯現，它對處于上覆巖層中的被保護層瓦斯的釋放和卸壓起關鍵作用。

（三）水簾洞煤礦瓦斯抽采的可行性研究

1.本煤層瓦斯抽采可行性

開采層瓦斯抽采的可行性是指在原始透氣性條件下進行預抽的可能性。對水簾洞礦井4煤層透氣性系數為0.41m2/MPa2.d，鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.033d–1，因此此煤層屬于可以抽采煤層。

2.鄰近層抽采瓦斯可行性

礦井主采4煤層，屬單一煤層[12]開采，其上部有兩層局部可采的薄煤層，距離4號煤層平均41.99m，且均為薄煤層，瓦斯含量較低，所以不考慮對鄰近層瓦斯的抽采。

3.采空區瓦斯抽采可行性

采空區瓦斯抽采是屬于卸壓瓦斯抽采，礦井4煤層3801回采工作面，煤厚12.20m，綜采放頂煤回采工藝，全部垮落式管理頂板，由于煤層厚度大，加之采用綜放工藝，因此采空區丟煤較多，瓦斯涌出必然較大，采空區存在的大量瓦斯在風壓的作用下涌向回采工作面，是造成工作面回風隅角和回風巷道的瓦斯超限主要原因。因此進行采空區瓦斯抽采技術上是可行的，同時瓦斯抽采[10–11]能保證產量，所以經濟上也是合理的；因此，抽采空區瓦斯是可行的。

二、3801工作面開采上覆巖層應力及變形特性數值分析

根據對3801工作面地質特征、工程地質特征和開采技術條件分析的基礎上，進行了典型化相似材料模擬試驗研究[9]。模型原型按水簾洞煤礦煤巖柱狀，采厚和放煤高度，以及開采參數參照作業規程，相似材料鋪設總厚度105.21m，即模擬自煤層底板—煤層—頂板共四十八層，模擬煤層厚度11.5m，煤層及頂、底板分層厚依據水簾洞煤礦地層綜合柱狀圖確定，相應的巖石力學參數按類似覆巖巖性確定。通過相似材料模擬試驗，模擬3801工作面推采過程，上覆巖層位移變化規律，對開采過程中頂板垮落狀況、裂斷巖梁波及范圍及運動發展規律、覆巖垂直移動規律、煤體內應力分布規律進行研究，了解其變化規律及影響因素。經分析研究得出，綜放工作面覆巖冒落帶高度45m～55m，冒高采厚比3.91～4.78，裂隙帶高度93.0m～100.7m，裂高采厚比8.1～8.8。綜放采場超前支承壓力的峰值位置深入煤體距離約為10m～15m，其應力集中系數K為2.96左右，在工作面前方30m范圍內受超前支承壓力影響劇烈，而超前支承壓力影響范圍，可達工作面前方70m。

三、結論

本文采用理論分析、相似材料模擬實驗、數值模擬和現場效果考察等研究手段，對水簾洞煤業煤層與瓦斯賦存特點、抽采工藝進行了研究與實踐，瓦斯抽采是超厚單一煤層條件下治理瓦斯的探索與實踐的結果，解決了回采工作面推采過程中瓦斯超限問題，提高了回采效率，是實現高瓦斯礦井安全、高效、經濟開采的有效措施，同時進行瓦斯利用，響應國家政策，取得了顯著的經濟效益和社會效益。

參考文獻：

[1]錢鳴高，石平五.礦山壓力及其控制[M].北京：煤炭工業出版社，2003.

[2]謝和平.深部高地應力下資源開采與地下工程機遇與挑戰[R].北京：第175次香山科學會議報告，2002：179–191.