高瓦斯被保護層煤與瓦斯分源共采技術研究及應用

鄧明明 陳 虎

(1. 淮南礦業(集團)有限責任公司煤業分公司朱集東煤礦，安徽省淮南市，232087；2.淮南礦業(集團)有限責任公司煤業分公司安全監察部，安徽省淮南市，232095)

根據2018年度淮南礦業集團礦井瓦斯涌出量測定結果,最大采深在-826 m以下的礦井，絕對瓦斯涌出量均在89.9 m3/min以上，采煤工作面的最大瓦斯涌出量達到54.8 m3/min，淮南礦區的瓦斯涌出量隨著開采深度的加大和產量的增加而急劇增加[1-2]。淮南礦區在遠程開采下保護層時，被保護層開采邊界內在巖層運動作用下膨脹變形，增加了透氣性，在“O”型圈和裂隙發育區內形成瓦斯富集區，采用立體式卸壓瓦斯抽采技術可實現煤與瓦斯共采[3-6]。在工作面高位鉆場施工頂板走向鉆孔，可以高效地抽采煤層頂板裂隙瓦斯，改變采空區瓦斯的流場，減少采空區瓦斯向工作面的涌出量[7-8]。

在被保護層開采過程中，回風巷高位鉆場在回采過程中容易受到破壞，鉆孔容易失效，無法有效保證鉆孔連續抽采，未得到抽采卸壓的瓦斯涌入采空區，使工作面的實際瓦斯涌出量比預計值增大，容易造成被保護工作面上隅角和回風流瓦斯超限，嚴重制約被保護工作面高效開采[9-10]，給瓦斯治理工程設計帶來了困難。

針對被保護層開采中存在的問題，在朱集東煤礦東一采區第3個被保護層1122(3)工作面開展瓦斯治理技術創新及實踐，通過碳同位素分析法準確分析瓦斯涌出來源，優化設計頂板走向鉆孔，超前攔截和分源分層次抽采卸壓瓦斯，實現煤與瓦斯綠色安全高效共采。

1 工作面概況

朱集東煤礦一水平標高為-906 m，主采13-1煤層，開采11-2煤層作為13-1煤層下保護層，11-2煤層輔助水平標高為-970 m，是近千米埋深礦井。

1122(3)工作面是東一采區第3個13-1煤層被保護層工作面，工作面標高為-848.3～-887.1 m，平均煤厚4 m，傾角為0°～8°，平均傾角3°。工作面設計可采走向長1858～1870 m，傾斜長度235 m，可采儲量240.1萬t。13-1煤層頂板15～25 m賦存平均厚度為0.5 m不可采的15#煤層，原始瓦斯含量平均為3.6 m3/t。采用U型通風，供風量為2000～2400 m3/min。

1122(3)被保護層工作面走向卸壓保護角為90°，傾向卸壓保護角為90°，位于2個下保護層中部有效保護范圍內。瓦斯預抽率達到78.9%，最大瓦斯壓力由3.7 MPa 下降為0.40 MPa。最大瓦斯含量由保護前10.58 m3/t下降為4.29 m3/t。采用分源法預測瓦斯涌出量為30 m3/min。

2 瓦斯來源分析

通過收集分析東一采區首個被保護層1111(3)工作面和第2個被保護層1121(3)工作面絕對瓦斯涌出量基礎數據得出，實際瓦斯涌出量在35～45 m3/min，是采用傳統的分源預測法計算結果的1.4～1.8倍，明顯大于預計值。

為了研究分析預測瓦斯涌出量和實際瓦斯涌出量相差較大的原因，對保護層開采時采取的瓦斯治理措施進行了綜合分析。地面鉆井布置的層位具有抽采11-2煤層采空區的瓦斯和上部受采動影響的13-1煤層卸壓瓦斯的雙重作用[11-15]，但篩管布置在13-1煤層頂板15 m至11-2煤層頂板5 m范圍內，受鉆井結構及遠程穿13-1煤層鉆孔的抽采保護范圍和效果的限制，部分13-1煤層卸壓瓦斯通過圍巖裂隙進入到被保護層上覆裂隙帶以外的有效抽采區域外，該部分賦存在圍巖裂隙中的瓦斯未得到有效治理，在被保護層工作面回采期間，圍巖被二次破壞，上覆圍巖再次卸壓，圍巖殘留的卸壓瓦斯再次涌入到被保護層工作面，這是實際瓦斯涌出量比預計值大的主要原因。

為準確分析瓦斯涌出來源，對1111(3)和1121(3)被保護層工作面回風巷頂板走向鉆孔采取碳同位素原理對抽采氣樣進行氣源分析得出：位于13-1煤層頂板法距25～35 m的頂板走向鉆孔抽采的50.1%的瓦斯來源于13-1煤層殘余瓦斯以及二次采動圍巖卸壓中的13-1煤層瓦斯；49.9%瓦斯來源于上鄰近層15#煤層及圍巖二次采動卸壓中的15#煤層和13-1煤層瓦斯。

綜合采用分源預測法、統計法、碳同位素分析法分析得出1122(3)被保護層回采期間瓦斯來源于上覆圍巖裂隙中賦存的13-1煤層和15#煤層首次卸壓游離瓦斯、上鄰近層15#煤層采動卸壓瓦斯、13-1煤層本煤層殘余瓦斯。

3 煤與瓦斯分源共采技術

依據準確的瓦斯來源，合理優化鉆孔設計，超前攔截和分層位強化對圍巖二次采動后的裂隙充分發育區內的瓦斯抽采，加強采空區深部瓦斯的抽采，實現煤與瓦斯分源協調共采。

3.1 頂板走向鉆孔優化抽采技術

根據“三帶”理論計算，冒落帶高度為12～20 m，裂隙帶最大高度為44 m，現場實際應使高位鉆孔高度小于裂隙帶高度計算結果而大于冒落帶高度計算結果，鉆孔處于裂隙帶內瓦斯抽采效果最好。回風巷鉆孔層位控制在13-1煤層頂板2.7～8.3倍采高，傾斜向下0～30 m為裂隙充分發育區，此范圍是布置頂板抽采瓦斯鉆孔的理想區域[2,17]。

根據1122(3)工作面頂板巖性和有關頂板鉆孔抽采資料和瓦斯來源，在進風巷采取高層位鉆孔超前攔截工作面裂隙帶中上部的卸壓瓦斯；將回風巷高位鉆孔改在平鉆場內施工頂板走向鉆孔。優化鉆孔設計剖面布置如圖1所示。

圖1 頂板走向鉆孔優化設計剖面布置圖

3.1.1 回風巷平鉆場頂板走向鉆孔立體抽采

在回風巷煤層中無構造異常區域設計18個規格為5 m×4 m×3.5 m(長×寬×高)平鉆場，相鄰鉆場間距為80～110 m。綜合考慮鉆孔實際施工情況及鉆孔測斜資料，每個鉆場布置12個?113 mm的鉆孔，孔深為110～130 m，鉆孔有效壓茬距離不小于20 m。每個鉆場內設計3組鉆孔，每組4個孔的終孔點沿工作面傾向方向分別布置在距離回風巷的水平距離為15 m、30 m、45 m、60 m；3組鉆孔距離13-1煤層頂板的垂直距離分別為30 m、25 m、20 m，穿透15#煤層，分層位立體連續抽采“O”型圍巖裂隙圈的高濃度瓦斯。

工作面推過鉆場時，該鉆場內的抽采管路無法保留，同時鉆場內的鉆孔也被破壞，造成鉆孔失效。因此在過鉆場期間，在距離前一鉆場30～50 m巷幫施工4個邊孔，邊孔終孔點位于鉆場頂部，距離13-1煤層頂板垂直距離不小于10 m，填補前一報廢鉆場造成的抽采空白區，進行輔助抽采。

3.1.2 進風巷頂板走向邊孔超前攔截抽采

受進風巷移動設備限制，在進風巷巷幫距離頂板不大于1 m位置施工13-1煤層頂板走向邊孔，每間隔10～15 m設計1組2個?113 mm的鉆孔，終孔點距13-1煤層頂板垂距30～40 m，每組鉆孔沿工作面走向方向的水平距離為50～60 m，控制進風巷傾向方向距離為100～120 m。為保證鉆孔 有效接茬施工和進度，超前工作面的距離不小于60 m。當距離工作面小于60 m時，鉆孔孔深以打透采空區為準，以保證鉆孔可以立即得到有效抽采。

工作面進風巷和回風巷壓差在1020～1250 Pa，鉆孔的抽采負壓不低于20 kPa，是進回風壓差的16倍以上，通過進風巷的頂板走向邊孔高負壓、高流量抽采，改變工作面進風巷至中部卸壓瓦斯向回風巷的流場，超前攔截工作面中部范圍卸壓瓦斯及圍巖裂隙瓦斯，強化對被保護層中上部卸壓瓦斯的抽采，減少向上隅角的流動。

采用全孔深大孔徑插接花管瓦斯抽采技術[18]，使套管可以下到孔深的90%以上，保持全孔深高流量連續抽采圍巖裂隙中的卸壓瓦斯。

3.2 采空區留管深部連續抽采技術

在工作面上隅角安設抽采管路，距離巷道底板高度為2.5 m，每間隔20 m安設1個“凸”型垂直向上的抽采三通，三通上安設篦子，采用編織袋裝碎煤對上隅角進行充填。當工作面向前推進時，抽采管路及三通被埋進采空區內，開始連續抽采上隅角和采空區瓦斯。

回風側采空區內瓦斯沿工作面走向方向，采空區瓦斯濃度隨著距工作面距離的增加而增大[7]，根據瓦斯治理和利用需要，當抽采濃度降低時，采用等徑偏心圓形擋板合理調控采空區深部的瓦斯抽采，實現瓦斯高效抽采。

3.3 獨立的抽采管網系統

為保證工作面抽采系統穩定可靠，消除其他因素對頂板走向鉆孔抽采負壓的影響，工作面設計了1套獨立的管網系統抽采，保證工作面抽采的瓦斯全部實現利用，做到抽采最大化，實現高效采煤的同時高效利用抽采的瓦斯。

地面永久瓦斯抽采泵站采用2臺2BEY-87型水環式節能真空泵單獨抽采該工作面各管路內的瓦斯，管路抽采負壓穩定控制在50～60 kPa，額定流量不小于800 m3/min。

在進風巷安設一路?325 mm抽采管路，用于抽采頂板鉆孔高濃度瓦斯，抽采負壓不低于20 kPa，抽采混合量不低于80 m3/min。

在回風巷安設2路管路，其中一路?426 mm抽采管路，用于抽采頂板鉆孔高濃度瓦斯，抽采負壓不低于20 kPa，抽采混合量不低于100 m3/min；另一路?325 mm抽采管路，用于抽采采空區深部及上隅角瓦斯，抽采負壓不低于13 kPa，抽采混合量不低于70 m3/min。

4 煤與瓦斯綠色共采效果分析

在地質條件確定的情況下，頂板走向鉆孔的抽采效果與工作面的推進距離有關，因此分析頂板走向鉆孔的抽采效果時，以工作面距離切眼的距離為參考。頂板走向鉆孔瓦斯抽采純量及瓦斯涌出量隨工作面推進距離變化情況如圖2所示。

圖2 頂板走向鉆孔瓦斯抽采純量及瓦斯涌出量隨工作面的推進變化

從圖2可以看出，工作面正常回采期間，最大涌出量為64.7 m3/min，平均涌出量為38.6 m3/min。通過對瓦斯涌出量進行分析，被保護層開采過程中平均瓦斯涌出量比預計的最大瓦斯涌出量還大，最大達到1.7倍，驗證了保護層開采過程中部分未被完全抽采的卸壓游離瓦斯重新賦存在圍巖裂隙中，在被保護層開采時再次涌入工作面，使實際瓦斯涌出量比預計值要大。因此，在被保護層開采時，通過兩巷頂板走向鉆孔連續抽采保護層開采期間殘留在圍巖裂隙中未得到有效抽采的卸壓瓦斯和鄰近層卸壓后的增透瓦斯是實現被保護層煤與瓦斯分源協調共采的關鍵。

頂板走向鉆孔抽采總純量平均為35.0 m3/min。進風巷頂板走向鉆孔保持8個，平均抽采純量24.8 m3/min，單孔平均抽采純量3.1 m3/min。回風巷頂板走向鉆孔保持16個，平均抽采純量10.2 m3/min，單孔平均純量0.63 m3/min。進風巷頂板鉆孔抽采純量占總抽采純量的66.8%，為主要抽采部分。采空區平均抽采純量為2.8 m3/min，最大抽采純量為9.6 m3/min；采空區深部平均抽采濃度為8.2%，最大達到23.8%。

工作面于2017年5月21日開始回采到2018年10月24日，共計采煤281.6萬t，回風瓦斯濃度0.03%～0.26%，平均瓦斯濃度0.16 %，保證了工作面平均產量達6600 t/d以上，最大產量為14531 t/d。平均抽采率達到了91.1%，最大抽采率達到了98.3%，共計抽采瓦斯純量2467.7萬m3，噸煤平均瓦斯抽采量為10.2 m3/t。工作面瓦斯涌出量峰值與日產量呈現出對應關系，因此當提高日產量時，需要增加頂板鉆孔數量和提高鉆孔抽采效果，以保證煤與瓦斯協調共采。

地面瓦斯利用中心15臺型號700GFZ-PWWD額定功率700 kW卡特發電機組，用于濃度在8%以上的低濃度瓦斯發電。1 Nm3純瓦斯可發電2.0～2.2 kW·h。回采期間，工作面平均抽采濃度為15%～20%，抽采純量為16.6～58.9 m3/min，共計發電量7090萬kW·h，實現銷售收入2276萬元。瓦斯利用量共計2031萬m3，相當于節約標準煤9.5萬t/a、減排CO2量84.3萬t/a，實現了煤與瓦斯綠色共采和利用。

5 結論

(1)隨著深井被保護層的開采，被保護層工作面瓦斯涌出量預測要綜合考慮圍巖一次破壞形成的裂隙中賦存的游離瓦斯，在被保護層回采期間瓦斯涌出量可通過類比已回采的被保護層工作面的實際涌出量進行預測。同時采取瓦斯綜合治理措施強化該部分的瓦斯抽采，提高抽采率。

(2)頂板走向鉆孔設計位置須綜合考慮瓦斯來源和工作面實際瓦斯涌出量，準確判斷瓦斯賦存層位，并在考察分析后，合理優化布置抽采鉆孔。

(3)獨立的抽采管網系統，便于系統的分配調控和管理，保障抽采的瓦斯全部得以利用，實現抽采最大化和綠色環保開采。

(4)進風巷頂板走向鉆孔抽采效果較佳，抽采負壓可以達到20 kPa以上，單孔連續抽采純量可達到3.0 m3/min，較好地改變了瓦斯流場，超前攔截的卸壓瓦斯，為有效解決上隅角和回風瓦斯超限問題提供了一種新的治理途徑。

(5)工作面過高位鉆場和平鉆場頂板走向鉆孔，無法保證鉆孔連續有效地抽采，因此在回風巷可以用邊孔代替鉆場。