上保護(hù)層開采卸壓瓦斯抽采問題分析

申晉豪　李潤求　王剛

摘 要：上保護(hù)層開采后鄰近煤層瓦斯涌入工作面后造成工作面瓦斯超限，通過對瓦斯來源以及瓦斯運(yùn)移分析提出了相關(guān)的降低保護(hù)層瓦斯超限的方法；提出不同層間距對被保護(hù)層和保護(hù)層的抽采鉆孔的鉆孔布置時(shí)機(jī)的影響分析和相應(yīng)的解決方法。

關(guān)鍵詞：上保護(hù)層；瓦斯抽采；瓦斯超限；鉆孔布置；抽采鉆孔

中圖分類號：TD712 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）03-0060-03

Abstract： The overrun of gas in the working face is caused by the influx of gas from the adjacent coal seam after the upper protective layer is mined. Through the analysis of the gas source and gas migration， the related methods for reducing the overrun of the gas in the protective layer are put forward. The analysis of the influence of different interval spacing on the drilling time of the protected layer and the extraction borehole of the protective layer， and the corresponding solving methods.

Keywords： upper protective layer； gas drainage； gas overrun； borehole layout； drainage borehole

引言

我國是世界上煤與瓦斯突出災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，自上世紀(jì)五十年代年吉林省遼源礦務(wù)局富國西二坑發(fā)生第一次有記錄突出以來，我國礦井不斷發(fā)現(xiàn)煤與瓦斯突出事故，雖然近年來國家加強(qiáng)煤礦安全投入，但煤與瓦斯突出事故還是時(shí)有發(fā)生。一方面是由于煤礦對安全問題的疏忽，另一方面也是因?yàn)榻?jīng)過多年來的開采我國大部分礦井已經(jīng)進(jìn)入深部開采，深部開采時(shí)代的到來造成很多低瓦斯煤礦變?yōu)楦咄咚沟V井，高瓦斯礦井的煤與瓦斯突出問題更加嚴(yán)重。根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》在開采具有突出危險(xiǎn)性煤層群時(shí)應(yīng)首選保護(hù)層開采作為區(qū)域防突措施[1]。

保護(hù)層開采技術(shù)最早用于防治煤與瓦斯突出是在法國，之后在各個(gè)主要采煤國得到廣泛運(yùn)用和改進(jìn)。我國自上世紀(jì)中后期以來進(jìn)行了大量保護(hù)層開采的試驗(yàn)研究，先后在北票、天府、中梁山等礦區(qū)開展了實(shí)驗(yàn)性研究，取得了一系列成果。我國煤炭賦存多以煤層群賦存，這就為保護(hù)層開采提供了條件。

國家要求強(qiáng)制開采保護(hù)層，做到可保盡保、并抽采瓦斯降低瓦斯壓力。可見保護(hù)層開采結(jié)合被保護(hù)層卸壓瓦斯抽采已成為我國煤礦優(yōu)先使用的一種區(qū)域性瓦斯災(zāi)害治理技術(shù)。本文重點(diǎn)闡述了當(dāng)前上保護(hù)層開采中的兩大問題并對其問題的原因進(jìn)行了分析并提出了應(yīng)該重視的現(xiàn)場施工問題以及相應(yīng)的處理辦法。

1 被保護(hù)層瓦斯運(yùn)移原因和影響因素

為消除鄰近煤層的突出危險(xiǎn)而先開采的煤層稱為保護(hù)層。位于被保護(hù)的煤層上方稱為上保護(hù)層。煤層開采后煤層周圍因?yàn)槭懿蓜?dòng)影響導(dǎo)致煤層卸壓，彈性潛能釋放，產(chǎn)生大量裂隙，煤巖層透氣性增大，這就為瓦斯的解析和運(yùn)移提供了通道和瓦斯?jié)舛炔睿偻ㄟ^人工手段進(jìn)行強(qiáng)化抽采進(jìn)而消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)。

保護(hù)層開采后，由于改變了保護(hù)層下方的平衡狀態(tài)，采空區(qū)底板一定范圍內(nèi)的煤巖層發(fā)生了底鼓變形和破壞，底板下方由于受煤巖層性質(zhì)以及到采空區(qū)距離影響，出現(xiàn)了兩個(gè)分帶即底鼓裂隙帶和底鼓變形帶[2]。底鼓裂隙帶內(nèi)的裂隙主要是由于煤巖層離層后產(chǎn)生的順層裂隙和由于煤巖層斷裂而產(chǎn)生的垂直、斜交的穿層裂隙，底鼓裂隙帶中的順層裂隙和穿層裂隙都為瓦斯運(yùn)移和濃度差的產(chǎn)生提供了條件，穿層裂隙的產(chǎn)生為煤巖層瓦斯向采空區(qū)的運(yùn)移提供了通道。底鼓變形帶內(nèi)的裂隙主要以沿煤巖層層理形成的順層裂隙為主。

當(dāng)前保護(hù)層瓦斯的抽采效果除了受抽采方法和瓦斯賦存狀況影響外，主要是受被保護(hù)層透氣性、保護(hù)層和被保護(hù)層之間的煤巖層透氣性的影響。透氣性增加倍數(shù)的變化大小直接影響了后期的瓦斯抽采效果。受保護(hù)層采動(dòng)影響范圍內(nèi)的煤巖層性質(zhì)、被保護(hù)層和保護(hù)層的層間距以及被保護(hù)層的煤層傾角都直接影響著透氣性增加倍數(shù)。

根據(jù)多年的生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，上保護(hù)層開采造成的底板裂隙帶的高度為18-20倍采高[2]。當(dāng)保護(hù)層處于被保護(hù)層底板中的底鼓裂隙帶中下部時(shí)，被保護(hù)層的的裂隙雖然發(fā)育，透氣性增加，但未完全形成溝通的通道，卸壓瓦斯只有一部分能自然排放，大部分瓦斯還需要進(jìn)行瓦斯抽采，才能消除突出危險(xiǎn)。當(dāng)被保護(hù)層處于底鼓彎曲帶時(shí)，煤巖層中形成了大量的順層裂隙，而穿層裂隙很少，這樣被保護(hù)層中的瓦斯很難做到自然排放。

2 被保護(hù)層瓦斯涌向保護(hù)層工作面造成瓦斯超限

在上保護(hù)層開采及卸壓瓦斯抽采的過程中存在最大的問題就是當(dāng)保護(hù)層開采后處于底鼓裂隙帶中的被保護(hù)層由于順層裂隙和穿層裂隙發(fā)育，造成大量的吸附瓦斯轉(zhuǎn)化為游離瓦斯，從底板遠(yuǎn)端到保護(hù)層工作面產(chǎn)生了瓦斯?jié)舛葔毫Σ睿严兜陌l(fā)育又為瓦斯的運(yùn)移提供了大量的通道，造成被保護(hù)層的卸壓瓦斯大量向保護(hù)層工作面涌來如圖1，這就造成了保護(hù)層工作面瓦斯超限，為保護(hù)層的正常開采帶了巨大的安全隱患。以青東煤礦上保護(hù)層開采為例，保護(hù)層回采工作面的瓦斯涌出量69%來源于被保護(hù)層的卸壓瓦斯[1]，如果這些瓦斯不及時(shí)采取辦法處理將會造成很大的安全事故。

當(dāng)前處理被保護(hù)層瓦斯向保護(hù)層工作面涌出的問題，主要是通過攔截瓦斯和降低被保護(hù)層瓦斯含量。攔截瓦斯可在保護(hù)層與被保護(hù)層中間的巖層中開鑿抽采巷道或在保護(hù)層底板開鑿巖巷通過穿層鉆孔進(jìn)行抽采攔截，穿層鉆孔可以同時(shí)抽采保護(hù)層瓦斯，抽采成本將會降低。如果保護(hù)層和被保護(hù)層層間距較小不能在之間開鑿巷道或其他條件不滿足，也可從保護(hù)層向被保護(hù)層打鉆孔、在被保護(hù)層底板開鑿底板巖巷向被保護(hù)層打穿層鉆孔抽采進(jìn)而降低被保護(hù)層的瓦斯含量。

對于被保護(hù)層涌出的瓦斯造成工作面或采空區(qū)瓦斯超限的問題時(shí)，應(yīng)在保護(hù)層瓦斯治理的時(shí)候進(jìn)行綜合治理。由于工作面瓦斯不僅僅只有被保護(hù)層瓦斯，還有部分本煤層瓦斯，在進(jìn)行保護(hù)層工作面瓦斯超限進(jìn)行治理時(shí)多使用采空區(qū)埋管抽采、采空區(qū)長立管抽采、上隅角插管抽采、底板巖巷上向網(wǎng)格式穿層鉆孔等方法綜合運(yùn)用進(jìn)行治理。大部分礦井在采取以上方法進(jìn)行綜合治理后都取得了很好的效果。

如汪家寨煤礦在應(yīng)對11號被保護(hù)層瓦斯向8號上保護(hù)層的X40806工作面涌出，造成保護(hù)層工作面瓦斯超限的瓦斯涌出問題時(shí)，通過在工作面的運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷布置底板穿層鉆孔對鄰近煤層的卸壓瓦斯進(jìn)行攔截抽采，同時(shí)結(jié)合回風(fēng)巷留管抽采采空區(qū)瓦斯，有效的解決了X40806工作面的瓦斯突出危險(xiǎn)，抽采率達(dá)到了84.6%，杜絕了瓦斯超限[3]。

3 被保護(hù)層抽采鉆孔布置時(shí)機(jī)及位置把控

在煤層走向方向由于保護(hù)層工作面的推進(jìn)改變了煤巖層的原有應(yīng)力分布情況，采空區(qū)底板巖層發(fā)生移動(dòng)變形，圍巖應(yīng)力重新分布。在走向方向形成了原始應(yīng)力區(qū)、支撐應(yīng)力區(qū)、卸壓區(qū)和應(yīng)力逐漸恢復(fù)區(qū)如圖2所示。四個(gè)應(yīng)力區(qū)的被保護(hù)層透氣性大小為：卸壓區(qū)>應(yīng)力逐漸恢復(fù)區(qū)>原始應(yīng)力區(qū)>支撐應(yīng)力區(qū)。

卸壓區(qū)是由于受保護(hù)層開采產(chǎn)生應(yīng)力轉(zhuǎn)移，在采空區(qū)頂板或底板一定范圍的煤巖層內(nèi)形成的應(yīng)力降低區(qū)，最大卸壓點(diǎn)在保護(hù)層工作面后方20-130m處[2]，它的位置是隨著工作面的推進(jìn)而改變的，此區(qū)域的被保護(hù)層的煤體發(fā)生膨脹變形，原生裂隙張開，隨著煤巖體的移動(dòng)形成次生裂隙，被保護(hù)層透氣性呈幾何級倍數(shù)增大，為被保護(hù)層的卸壓瓦斯抽采提供了有利條件。卸壓區(qū)的范圍主要受層間巖性、層間距的影響，它是隨工作面的移動(dòng)而移動(dòng)的。所以在抽采被保護(hù)層瓦斯時(shí)由于卸壓區(qū)的透氣性成幾何倍增加，這就為被保護(hù)層的卸壓瓦斯抽采提供了有利條件，只有這樣才能實(shí)現(xiàn)保護(hù)層開采技術(shù)的應(yīng)用效果的最大化。

因此在保護(hù)層卸壓瓦斯抽采過程中對卸壓區(qū)的位置的確定將會很重要，以祁東煤礦上保護(hù)層開采為例，由于未發(fā)現(xiàn)被保護(hù)層卸壓區(qū)滯后20-25m，在鉆孔施工時(shí)出現(xiàn)了噴孔、夾鉆、鉆孔突出、并出現(xiàn)保護(hù)層回采動(dòng)壓破壞封孔段漏氣、煤孔段塌孔等重大安全隱患[4]。因此卸壓區(qū)的位置確定在保護(hù)層開采卸壓瓦斯的應(yīng)用中非常重要。

目前被保護(hù)層底板穿層抽采鉆孔普遍都是超前保護(hù)層工作面施工的，如果不能合理把控鉆孔的打孔時(shí)機(jī)和鉆孔位置，那么在突出嚴(yán)重的煤層中施工鉆孔不僅會造成噴孔、卡鉆等問題，還會由于保護(hù)層的開采引起前方應(yīng)力集中，容易造成鉆孔切斷或鉆孔變形進(jìn)而對后面的瓦斯抽采造成影響，嚴(yán)重的將不能達(dá)到消除突出的目的。因此對鉆孔位置和時(shí)機(jī)的把握在保護(hù)層及卸壓瓦斯抽采中是至關(guān)重要的。

經(jīng)過多年來的現(xiàn)場研究表明，在近距離上保護(hù)層開采過程中，由于保護(hù)層和被保護(hù)層之間層間距較小，被保護(hù)層受集中應(yīng)力影響較大，也為了防止鄰近層卸壓瓦斯大量涌向保護(hù)層工作面和采空區(qū)，可以超前上保護(hù)層工作面施工穿層鉆孔；在中遠(yuǎn)距離上保護(hù)層開采過程中，為保障底板穿層鉆孔的安全施工和瓦斯的高效抽采，可以滯后上保護(hù)層工作面15-20m施工抽采鉆孔；再遠(yuǎn)距離上保護(hù)層開采過程中如果被保護(hù)層的突出危險(xiǎn)性較大，鉆孔施工則需要滯后上保護(hù)層采煤工作面20-30m，如果被保護(hù)層突出危險(xiǎn)性較小，則可以超前上保護(hù)層工作面施工鉆孔[5]。

4 結(jié)論

（1）上保護(hù)層開采造成被保護(hù)層瓦斯涌向保護(hù)層工作面造成瓦斯超限，可采用采空區(qū)埋管抽采、采空區(qū)長立管抽采、上隅角插管抽采、底板巖巷上向網(wǎng)格式穿層鉆孔等方法綜合運(yùn)用進(jìn)行治理，治理后可使工作面瓦斯超限問題得到解決。

（2）對被保護(hù)層瓦斯抽采鉆孔布置時(shí)機(jī)和位置的把控不當(dāng)將會造成的問題進(jìn)行了分析，得出了保護(hù)層和被保護(hù)層的層間距為近距離時(shí)可以超前上保護(hù)層工作面施工穿層鉆孔，中遠(yuǎn)距離可以滯后上保護(hù)層工作面15-20m施工抽采鉆，遠(yuǎn)距離時(shí)需要滯后上保護(hù)層采煤工作面20-30m施工抽采鉆孔。

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