近水平中近距離煤層群煤與瓦斯協調開采技術研究*

黃振飛，李生舟，劉 軍

（1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037）

0 引言

量理論與實踐證明開采保護層是增大煤層透氣性、提高瓦斯抽放率、防治煤與瓦斯突出的一種安全高效措施，我國相關法規政策也要求“可保必備”[1～3]。

目前我國在保護層開采方面開展了大量的試驗工作，總結了不少保護層開采方面的成果及經驗。但我國幅員遼闊，具體到不同礦區煤層群賦存條件以及礦區大的構造應力環境下，保護層開采保護范圍參數及保護效果又有很大的差異[4～6]。

陜西陜煤韓城礦業有限公司下峪口煤礦開采中近距離煤層群2#和3#煤層，其中2#煤層屬于薄～極薄突出煤層，且發生過疑似沖擊的動力災害，但總體而言，其突出危險性較3#煤層小，因此礦井開采近距離薄煤層2#煤層作為嚴重突出3#煤層的上保護層。

2#煤層回采前從工作面順槽內施工下向穿層鉆孔預抽被保護層卸壓瓦斯。基本上能夠解決主采3#煤層的突出災害防治問題，但多年來未對具體的保護參數、抽采時空規律等研究，僅靠大概經驗進行相關“采、掘、抽”工作安排，因此未能充分利用保護層開采的保護效果。

1 試驗工作面概況

下峪口煤礦4216工作面長623.7m，可采長度503.9m，切眼寬169m。工作面煤層底板標高+355～+411.4m，距地表垂深 497～538m。4216工作面2#煤層距上覆2#上煤層5.0～6.5m，距下伏3#煤層7.6～13.2m。工作面煤層厚度0.5～2.2m，平均厚度0.97m。綜合柱狀如圖1所示。

4216工作面采用傾斜長壁采煤法，綜合機械化后退式仰斜采煤，全部垮落法管理頂板，工作面通風系統為Y型通風。21326工作面位于4216工作面的下部呈內錯布置。21326工作面進順內錯上覆4216工作面進順13m，回順內錯4216工作面運順11m，沿煤層頂板掘進。

圖1 試驗區保護層與被保護層相對位置圖

2 近距離上保護層開采卸壓角考察結果

保護層開采后圍巖應力重新分布和煤巖體變形是被保護層瓦斯動力參數變化的根本原因，被保護層變形和瓦斯動力參數存在因果關系，被保護層的有效保護特征是卸壓膨脹變形達到一定數量和殘余瓦斯壓力或含量等參數降低到安全值以下；《防治煤與瓦斯突出規定》等有關規范要求被保護層法向膨脹變形不小于3‰，殘余瓦斯壓力小于0.74MPa（或殘余瓦斯含量小于8m3/t）。4216工作面開采對3#煤層有效保護范圍通過考察被保護煤層在保護層開采膨脹變形來確定，采用BC-I型變形測定儀進行了卸壓角考察。考察結果如圖2所示。

圖2 上保護層開采對下伏3#煤層走向保護范圍剖面圖

韓城礦區存在6級淺源地震地壓背景，井田煤系地層層滑構造發育、煤層走向主應力顯著增大；2#煤層走向高側壓系數減小防突卸壓保護角。因此，下峪口煤礦2#煤層保護層工作面傾斜條帶開采后其走向卸壓角相對減小。

3 煤層群開采協調開采方案優選

基于保護層開采保護范圍考察結果及上保護2#煤層厚度薄、地應力主導動力危險的特點，提出了兩種可行的煤層群煤與瓦斯協調開采方案。

方案I：3#煤層工作面底板布置兩條底板巖巷，距3#煤層底板法向距離15m，一條底板巖巷相對于2#煤層工作面運順內錯20m，一條巖巷相對2#煤層工作面回順外錯20m，3#煤層兩順布置在2#煤層保護范圍內，2#煤層下一工作面采用留小煤柱(3m)沿空掘巷或充填留巷，巷道布置如圖3所示。

圖3 方案Ⅰ巷道布置平面示意圖

3#煤層底板巷穿層鉆孔預抽2#煤層煤巷條帶區域防突，順槽掘進后從兩順施工順層鉆孔預抽2#煤層工作面回采區域煤層瓦斯；3#煤層采取上保護層2#煤層開采結合底板巷穿層鉆孔卸壓瓦斯抽采進行區域防突。

圖4 方案I穿層鉆孔布置示意圖

方案II：2#煤層上保護層采掘工作面采取順層長鉆孔區域抽采等綜合防突措施，在其回采巷沿空充填留巷施工下向孔抽采被保護層卸壓瓦斯區域防突，并在回風巷施工高位鉆孔(若存在上鄰近層)、采空區埋管進行采空區埋管抽采預防保護層開采瓦斯超限；被保護層3#煤層采掘工作面順層鉆孔強化“抽采達標”實現放頂煤開采。3#回采巷道布置2#煤層保護范圍內，保層工作面采用沿空留巷，如圖5所示。

圖5 方案Ⅱ巷道布置示意圖

2#煤層突出危險性相對較小同時具有弱沖出傾向性，采用順鉆孔卸壓為主預抽為輔進行區域防治，即順層鉆孔預抽回采區域、煤巷條帶區域煤層瓦斯；3#煤層保護區采用在沿空留巷的兩幫施工下向穿層鉆孔進行強化抽采卸壓瓦斯，在保護層工作面兩順超前施工下向穿層鉆孔預測未保護區煤巷條帶、回采區域煤層瓦斯，如圖6所示。

圖6 方案Ⅱ鉆孔布置示意圖

對于上述三種方案，從下峪口煤礦突出煤層瓦斯治理方案瓦斯治理工程、投資對比分析見表1，安全可靠性等方面的對比分析見表2。

上保護層2#煤層為極薄～薄煤層，具有突出危險，主要表現為應力主導型動力災害，2#煤層動力災害防治措施以卸壓為主，瓦斯抽采為輔，綜合考慮安全及技術經濟效益，采用方案III沿空留巷下向穿層鉆孔卸壓瓦斯抽采。

表1 防突工程及投資對比分析

表2 方案優缺點比較分析表

4 卸壓瓦斯抽采與工作面的時空關系

為掌握被保護3#煤層鉆孔瓦斯抽采量與保護層工作面動態時空關系，對下向穿層鉆孔卸壓瓦斯抽采隨工作面推進情況進行了考察。

4.1 保護層開采卸壓效果考察

4215采面切眼附近測壓鉆孔隨工作面開采的瓦斯壓力變化曲線如圖7所示，3#煤層瓦斯壓力(未抽采)由1.68MPa逐漸變化為0.78MPa，2#煤層開采后的2個月左右內為3#煤層瓦斯移動的活躍期，以后瓦斯緩慢釋放。測壓區域2＃煤距下部3＃煤18～23m，雖2#煤層的開采使3#煤層瓦斯壓力明顯下降，但若不結合卸壓瓦斯抽采，3#煤層仍具有一定的突出危險性。

圖7 3#煤層瓦斯壓力隨2#煤層開采的變化曲線

4.2 下向鉆孔卸壓瓦斯抽采效果考察

下峪口煤礦對2#煤層保護層4216回采工作面兩順設計施工下向鉆孔抽采3#煤層被保護層卸壓瓦斯，距采面切眼5m開始布置第一組，每組6個鉆孔，開孔間距1m，3#煤層底板終孔間距25m，設計施工鉆孔36組，每組間距15m，共216個鉆孔。

為掌握被保護3#煤層鉆孔瓦斯抽采量與保護層工作面動態時空關系，選擇第12組鉆場對抽放瓦斯流量、濃度進行跟蹤考察，鉆孔卸壓瓦斯抽采效果與保護層工作面動態時空關系如圖8所示；不同鉆孔抽采濃度隨抽放時間的變化關系曲線如圖9所示。

圖8 卸壓瓦斯抽采與保護層工作面動態關系曲線

圖9 鉆孔抽采濃度隨抽放時間的關系曲線

1）根據工作面與鉆孔位置關系分析，在保護層工作面采過后，第12組鉆孔接入抽采系統，在距工作面迎頭23m范圍內，卸壓瓦斯抽采濃度2%～16%，流量0.13～0.21m3/min；在滯后工作面24～42m范圍內，受采動影響，下伏3#煤層裂隙發育擴展，煤層透氣性顯著提高，抽采濃度和抽采流量明顯增加，為之前的1.9～25倍，卸壓瓦斯抽采濃度30%～50%，抽采流量0.85～1.13m3/min；隨著3#煤層瓦斯的抽采，在滯后工作面43m后，由于采動裂隙閉合及煤層瓦斯的消耗，瓦斯抽采濃度開始波動下降，考察的第12組鉆孔瓦斯抽采濃度降低至3%～17%。

從卸壓瓦斯抽采效果分析得上覆2#回采后，采空區后方24～42m范圍內對應的下伏3#煤抽采瓦斯濃度和純流量為最佳區域，說明滯后工作面24～42m為卸壓瓦斯最活躍區域。

2）卸壓瓦斯抽采一定時間后，瓦斯抽采濃度及流量均會出現一定的衰減，因而保護層4216工作面回采期間底板穿層鉆孔卸壓瓦斯抽采量、濃度總體較小，抽采瓦斯濃度6.8%～16.5%，抽采瓦斯流量 3.8～9.4m3/min。

3）根據圖9可知，卸壓瓦斯抽采濃度隨著抽采時間增長而逐步衰減，鉆孔瓦斯抽采濃度大于10%的時間可維持約2個月。

5 結論

針對下峪口煤礦中近距離煤層群開采條件，通過現場考察得出保護層保護卸壓角，分析對比選擇密集順層長鉆孔預抽2#煤層采掘工作面，回采巷沿空充填留巷施工下向孔抽采下伏被保護層卸壓瓦斯區域防突的開采方案最適合礦井災害治理實際。中近距離上保護層開采期間，采動影響能夠有效卸壓，提高被保護層的透氣性，滯后保護層工作面24～42m為卸壓瓦斯最活躍區域，卸壓瓦斯抽采濃度大于10%時間可維持2個月左右。

下峪口煤礦近水平中近距離煤層群煤與瓦斯協調開采技術研究成果能夠指導礦井其他區域相似條件上保護層開采瓦斯治理相關工作，取得較好的經濟、技術價值。