特厚煤層高強度綜放開采地面鉆孔抽采瓦斯技術研究

1 項目背景

該項目于2019 年12 月通過了中國煤炭工業協會組織的科技成果鑒定，研究成果為國際先進水平。

近年來，隨著礦井開采深度增加，大同礦區部分礦井向石炭二疊系煤層轉移，瓦斯問題逐漸凸顯，特別是綜放工作面開采強度大，雖然煤層瓦斯含量較低，但瓦斯絕對涌出量卻較大。塔山礦是同煤集團第一個大規模開采石炭系煤層的千萬噸級礦井，是典型的低瓦斯賦存高強度開采高瓦斯涌出開采條件，現主要開采石炭二疊系3-5#煤層，平均厚度為15.72 m，煤層瓦斯含量低、瓦斯壓力小，但在高強度綜放開采條件下，綜采落煤、放煤瓦斯涌出以及采空區瓦斯涌出疊加，造成其工作面瓦斯涌出量較大，正常回采期間工作面瓦斯涌出量在20 m3/min～40 m3/min之間，瓦斯異常涌出時可以達到50 m3/min。針對同煤集團塔山礦特厚煤層高強度綜放開采條件，大同煤礦集團有限責任公司與平安煤礦瓦斯治理國家工程研究中心有限責任公司聯合開展了“特厚煤層高強度綜放開采地面鉆孔抽采瓦斯技術研究”，項目主要研究地面垂直鉆孔抽采瓦斯技術，以解決工作面瓦斯涌出量大的難題，保證礦井安全高效開采。

2 研究內容

塔山礦最早采用工作面布置頂抽巷抽放治理工作面瓦斯，同時配合上隅角插管抽采、上下隅角粉煤灰墻封堵減少漏風、懸掛風簾處理局部瓦斯積聚等綜合治理措施。礦井從2014 年開始研究地面抽放治理井下瓦斯新途徑，首先在地面“L”型鉆孔抽采瓦斯技術方面進行了工程實踐。為進一步提高瓦斯治理成效，解決采空區瓦斯涌出量大的難題，探索應用地面垂直鉆孔抽采瓦斯技術，但是在鉆孔布置位置、布置間距、抽采控制等方面需要針對性的理論研究和技術經驗支撐，開展相關研究內容有：

（1）塔山礦低瓦斯賦存高強度開采條件下瓦斯涌出規律分析：（1）收集塔山礦3-5#煤層瓦斯基礎參數，分析煤層瓦斯賦存規律；（2）統計分析工作面、上隅角、回風等瓦斯監控參數，研究回采落煤、放煤、周期來壓等條件對工作面瓦斯涌出的影響，分析上述開采條件下的瓦斯涌出特征。

（2）基于工作面開采應力場、裂隙場、瓦斯場“三場”耦合規律的地面鉆孔最佳終孔位置及“一孔多用”方案研究：（1）以塔山礦8203綜放工作面為研究對象，通過理論分析、相似材料模擬等手段研究采場圍巖運動、應力場和裂隙場的演化、滲透率分布、覆巖裂隙“O”形圈特征以及瓦斯運移富集規律等，綜合分析掌握綜放開采工作面“三場耦合”規律；（2）研究有利于地面垂直鉆孔瓦斯抽采的鉆孔最佳終孔位置，實現鉆孔抽采效率最大化；（3）根據采場覆巖運動和應力分布特征研究地面鉆孔“一孔多用”方案，實現鉆孔利用最大化。

（3）地面垂直鉆孔布置參數優化研究及瓦斯治理效果考察：（1）研究地面垂直鉆孔在不同布置間距、內錯回風巷距離、孔徑等抽采條件下對采空區瓦斯濃度場的影響，優化地面垂直鉆孔布置參數；（2）考察分析地面垂直鉆孔抽采期間抽采濃度、抽采量變化特征，以及地面鉆孔抽采對工作面上隅角、回風流瓦斯濃度和工作面瓦斯涌出的影響。

（4）地面垂直鉆孔抽采治理綜放工作面瓦斯技術綜合評價：根據地面垂直鉆孔抽采工業試驗考察結果，綜合評價其技術、經濟效果，指導礦井的瓦斯治理技術決策。

3 主要研究成果

（1）特厚煤層綜放開采頂板破斷運動特征：從切眼開始回采，工作面推進到35 m 時，部分頂煤及直接頂出現裂隙，當工作面推進到40 m時，直接頂初次垮落，到42 m時直接頂完全冒落；到80 m時老頂第一次周期來壓，頂板初次來壓后，頂板破壞形式基本上屬于梁破斷，呈周期性，模型實測的周期來壓步距平均為22m。見圖1、圖2。

圖1 相似模擬實驗模型整體圖

圖2 相似模擬實驗周期來壓

（2）采空區覆巖垮落下沉規律：開采尺寸由40 m推進到140 m時，垮落帶高度由4 m逐漸增加到65 m，當開采到180 m以后時，垮落帶高度趨于穩定，達到最大值70 m，約為采厚的4.6倍。

（3）超前支承壓力分布規律：煤體中超前支承壓力影響范圍54 m，峰值位置距工作面煤壁15 m，平均應力峰值系數1.7；直接頂中超前支承壓力影響范圍66 m，峰值位置為距工作面煤壁19 m，平均應力峰值系數1.5；老頂中超前支承壓力影響范圍78 m，峰值位置為距工作面煤壁24 m，平均應力峰值系數1.4。

（4）綜放開采工作面“三場耦合”規律及地面鉆孔最佳終孔位置：在垂直向劃分為導氣裂隙帶、卸壓解吸帶和不易解吸帶，在水平向劃分為側向裂隙區、“O”型圈裂隙區和重新壓實區，地面鉆孔最佳終孔位置應設置在豎向的導氣裂縫帶的上部且偏向回風方向一側的“O”形圈內。見圖3、圖4

圖3 不同回采距離采空區瓦斯濃度等值線圖

圖4 地面鉆孔抽采條件下工作面回采255m時采空區瓦斯濃度分布

（5）地面鉆孔“一孔多用”方案：在鉆孔超前工作面20～25 m 時，開始進行采動卸壓抽采；在工作面推過鉆孔0～180 m范圍主要進行采空區瓦斯抽采；在工作面推過鉆孔180 m 后可停止采空區抽采，利用地面立孔進行采空區自然發火監測和治理。

（6）地面鉆孔最佳布置參數：首個地面抽采鉆孔設置在距切眼30 m 以內，第2～N 個抽采鉆孔合理間距在50～60 m；與回風巷的內錯距離宜在15～25 m；抽采鉆孔孔徑設置宜在200～400 mm。見圖5

圖5 地面鉆孔“一孔多用”方案示意圖

4 應用效果

項目研究成果在塔山礦進行了現場應用，通過工作面回采期間的現場考察和數據分析得出，在地面垂直鉆孔超前工作面20 m左右開始，抽采濃度快速上升，鉆孔進入采空區0～120 m期間各鉆孔的平均抽采濃度在3.92～6.71%，120 m 后各鉆孔的平均抽采濃度在1.81～4.66%。抽采期間回風瓦斯濃度變化范圍一般在0.04%～0.58%，上隅角瓦斯濃度變化范圍一般在0.02%～0.78%，通過地面垂直鉆孔抽采措施，解決了正常回采條件下的上隅角和回風瓦斯濃度超限問題。