近距離突出煤層群瓦斯治理技術優化的研究

劉雪莉，游繼軍

1. 安徽新華學院土木與環境工程學院，安徽 合肥 230031；2. 淮礦西部煤礦投資管理有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000

礦井瓦斯一直是制約煤礦安全生產的主要因素，隨著礦井開采深度的增加，煤層瓦斯壓力及瓦斯含量呈顯著上升趨勢，先前的許多低瓦斯礦井、高瓦斯礦井如今都成了煤與瓦斯突出礦井，隨之而來的是瓦斯隱患和事故的增加［1-2］。對于突出煤層，開采保護層是最經濟、有效的區域性防突措施［3-4］，保護層的合理選擇、技術參數的合理確定對保護范圍及保護效果的考察至關重要［5-6］，但在煤層間距不大于10 m 的近距離煤層群開采條件下，上保護層工作面在回采過程中，其底板下方15～25 m 深度范圍內的煤巖層受采動影響形成底鼓斷裂帶，煤巖層透氣性系數大幅度增加，此時大量的卸壓瓦斯通過穿層裂隙流至保護層回采空間，經過工作面回風隅角向工作面回風流中涌出，造成回風隅角及回風巷內甲烷傳感器頻繁報警甚至超限，給工作面的安全回采造成嚴重威脅［7-9］。當保護層工作面也具有突出危險時，需同時解決防治突出和瓦斯涌出導致超限兩大難題［10-12］。目前，對于近距離煤層群瓦斯的治理，常用的治理方案有開采保護層、施工底板巷進行煤層瓦斯預抽、施工高位鉆孔抽采采空區及鄰近層瓦斯、工作面采用“Y”型通風及應用無煤柱開采技術等處理回風隅角瓦斯等方案，但針對不同的治理方案其在技術方案的可行性、經濟性方面不盡相同，因此，探討一種綜合瓦斯治理方案來解決近距離突出煤層群的瓦斯問題具有極其重要的意義［13-15］。

1 礦井概況及瓦斯治理存在的問題

1.1 礦井概況

新莊孜煤礦位于安徽省淮南市八公山區，礦井開采的煤層均為突出煤層，煤層傾角25°～30°，各煤層之間間距9～40 m，為近距離煤層群，各可采煤層柱狀圖如圖1 所示，煤層原始瓦斯壓力及瓦斯含量如表1 所示。

圖1 煤層綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive column diagram of coal seams

1.2 瓦斯治理存在的問題

1）首采煤層（保護層）難以選取。從表1 可以看出，各煤層原始瓦斯壓力均大于0.74 MPa、原始瓦斯含量均大于8 m3/t，且都為突出煤層。因此，無論選取哪層煤作為首采煤層，均要進行區域瓦斯治理。

表1 煤層瓦斯基礎參數Tab.1 Basic parameters of coal seam gas

2）鄰近層瓦斯涌出量大。由圖1 可以看出，B6 與B7a 煤 層 間 距 僅9 m，B7a 與B8 煤 層 間 距12 m，當回采B8 煤層時，上覆的B10 煤層及下伏的B7a 與B6 煤層內的卸壓瓦斯通過采動裂隙大量涌入B8 煤層回采空間，當回采B6 煤層時上覆的B7a 與B8 煤層內的瓦斯通過采動裂隙也會涌入B6 煤層回采空間，導致本煤層工作面在回采過程中瓦斯頻發報警超限。

3）采煤、掘進、瓦斯抽采接替緊張。B6 與B7a煤層間距為9 m（＜10 m），且均為突出煤層，需分別進行預抽和保護層開采消突，但由于礦井生產接替緊張，抽采時間短，抽采量不足，不能滿足瓦斯治理的需要。

2 區域瓦斯治理優化方案及可行性分析

2.1 區域瓦斯治理優化方案

根據《防治煤與瓦斯突出細則》，保護層的選擇應優先選擇無突出危險的煤層作為保護層，接著選擇突出危險程度較小的煤層作為保護層，并且優先選擇上保護層。根據上述保護層選取原則，確定將B10 煤層做為保護層，這是因為：首先，B10 煤層瓦斯壓力及原始瓦斯含量較其他煤層小；其次，B10 煤層最薄，發生突出的可能性較其他幾層厚煤層小；最后，開采B10 煤層可同時保護上部的B11b 煤層及下部的B8 煤層。

保護層選取后，在開采保護層前需先對本煤層采取預抽煤層瓦斯的區域防突措施，具體實施方案為在B10 煤層底板巷內施工穿層鉆孔對B10煤層運輸巷、回風巷進行保護，鉆孔控制范圍為B10 煤層運輸巷、回風巷上幫輪廓線外至少20 m，下幫至少10 m；B10 煤層運輸巷、回風巷掘進結束后立即在兩巷施工上、下順層鉆孔來預抽工作面煤層瓦斯，同時利用B10 煤層底板巷向工作面施工穿層鉆孔預抽工作面煤層瓦斯，工作面瓦斯治理示意圖如圖2 所示。被保護的開采順序為B11b煤層→B8 煤層→B7a 煤層→B6 煤層。

圖2 保護層工作面瓦斯治理示意圖Fig.2 Schematic diagram of gas control in protective seam working face

在開采保護層期間對于被保護層的瓦斯治理有3 種不同方案：

方案1：采取各煤層分層治理，具體實施方案為開采B10 煤層時利用C13 煤層底板施工的B11b煤穿層鉆孔及B10 煤層底板巷施工的B8 煤穿層鉆孔分別抽采B11b、B8煤層的卸壓瓦斯，如圖3（a）所示；開采B8 煤層時利用B6 煤層底板巷施工的B6、B7a 煤穿層鉆孔抽采B6、B7a 煤層卸壓瓦斯，如圖3（b）所示。

方案2：采取煤層群聯合治理，具體實施方案為提前在C13 煤層底板巷施工B11b 煤穿層鉆孔、B10 煤層底板巷施工B8 煤穿層鉆孔及B6 煤層底板巷施工B6、B7a 煤穿層鉆孔，開采B10 煤層時利用各底板巷內施工的穿層鉆孔抽采各煤層受采動影響涌出的卸壓瓦斯，如圖3（c）所示。

方案3：將整個煤層群做為一個瓦斯治理單元，統籌考慮，具體實施方案和方案2 類似，與方案2 的不同之處有2 點：一是在B10 煤層回采前，在其頂板施工一條巖巷，該巖巷位于B10 煤層回風巷上方20 m，同時內錯回風巷25 m，在該巷道內施工穿層鉆孔抽采B11b 煤層瓦斯，在B10 煤層開采時對該巷道進行封閉抽采［16-17］；二是在B10 煤層回采結束后在B6 煤層底板巷內再次施工上向穿層鉆孔，鉆孔終孔位置位于B8 煤層內，抽采B6、B7a及B8 煤層的卸壓瓦斯，如圖3（d）所示。

2.2 可行性分析

圖3 被保護層工作面瓦斯治理示意圖：（a）C13、B10 煤層底板巷，（b）B6 煤層底板巷，（c）C13、B10、B6 煤層底板巷，（d）C13、B10、B6 煤層底板巷及B10 煤層高抽巷Fig.3 Schematic diagrams of gas control in protected seam working faces：（a）C13 and B10 coal seam floor roadway，（b）B6 coal seam floor roadway，（c）C13，B10 and B6 coal seam floor roadway，（d）C13，B10，B6 coal seam floor roadway and B10 coal seam high drainage roadway

方案1 與方案2 比較，所施工的鉆孔量相同，不同之處在于B6 煤層底板巷穿層鉆孔施工時間。方案1 是開采B8 煤層時才開始施工，而方案2 則是在開采B10 煤層前就施工，從采掘接替及瓦斯治理安全角度看方案2 更加合理：因為采用方案1，B7a、B6 煤層的卸壓瓦斯抽采時間過短，抽采量不足；其次，在開采B10、B11b 煤層時B7a、B6 煤層的卸壓瓦斯無法進行抽采，方案2 可以彌補這一不足。但方案1 和方案2 都存在一個共性的問題，即B10 煤層開采時上覆的B11b 煤層涌出的大量卸壓瓦斯僅靠C13 煤層底板巷內施工的下半部穿層鉆孔抽采是無法滿足的，B11b 煤層上半部的大量卸壓瓦斯由于未進行抽采，隨底板產生的采動裂隙全部涌入正在開采的B10 煤層采空區中，同時B10煤層自身涌出的瓦斯全部積聚在回風隅角，造成回風隅角處瓦斯濃度超過傳感器報警值，甚至超限；此外，回風隅角的高濃度瓦斯隨著風流進入回風巷，導致工作面回風流中瓦斯濃度也高于正常值，嚴重影響了B10 煤的開采速度，因此，方案2 也非最優治理方案。

方案2 與方案3 比較，在鉆孔工程量上，方案3在B6 煤層底板巷內多施工了一輪穿層鉆孔，且鉆孔終孔位于B8 煤層中；在巷道工程量上，方案3 多施工了一條巖巷，從經濟上看方案3 劣于方案2，但從保護層安全開采、瓦斯治理效果及瓦斯抽采利用方面綜合考慮，方案3 卻優于方案2，這是因為：首先，B10 煤層開采過程中本煤層涌出的大量卸壓瓦斯積聚在回風隅角，造成回風隅角的高濃度瓦斯無法治理；其次，B11b 煤層的原始瓦斯壓力2.8 MPa，原始瓦斯含量12.31 m3/t，與保護層B10煤層的層間距32 m，B8 煤層的原始瓦斯壓力2.8 MPa，原始瓦斯含量13 m3/t，與保護層B10 煤層的層間距40 m，僅靠開采B10 煤保護層、C13 煤層及B10 煤層底板巷施工的穿層鉆孔無法滿足瓦斯治理的需要，B11b 及B8 煤層內大量卸壓瓦斯將會對B10 煤層及后續的B11b、B8 煤層回采造成嚴重的安全威脅，但通過對B10 煤層高抽巷進行封閉巷抽，既能解決B10 煤層工作面回風隅角的高濃度瓦斯，又能抽采B11b 煤層涌出的卸壓瓦斯；其次，開采B10 煤層時，對上覆的B11b 及下伏的B8、B7a 及B6 煤層進行了初次卸壓，此時B8 煤層的卸壓瓦斯可以通過B10 煤層底板巷內施工的穿層鉆孔抽采，當B10 煤層開采結束后，B8、B7a 及B6 煤層的頂底板產生的裂隙將會大量增加，此時在B6 煤層底板巷內重新施工穿層鉆孔至B8 煤層中，既可以最大限度的抽采B8、B7a 及B6 煤層的卸壓瓦斯，又可以在開采B11b 煤層過程中對下伏煤層受采動影響而產生的二次卸壓所涌出的瓦斯進行抽采；從表2 可以看出，B6 煤層底板巷內二次施工的穿層鉆孔對B8、B7a 及B6 煤層的卸壓瓦斯抽采效果顯著。最后，利用抽采的瓦斯進行發電及民用，實現了瓦斯綜合利用，既創造了良好的經濟效益，又降低了瓦斯排放對大氣造成的環境污染，實現了節能環保。綜上所述，方案3是最優的瓦斯治理方案。

3 瓦斯治理效果

3.1 保護層工作面瓦斯治理效果

B10 煤層作為保護層，對于保護層采取底板巷施工穿層鉆孔、工作面運輸巷及回風巷施工煤層順層鉆孔的方式來預抽煤層瓦斯的區域防突措施，成功消除了B10 煤層的突出危險性，對工作面采取的防突措施效果進行檢驗，工作面殘余瓦斯壓力0.1 MPa，小于0.74 MPa，殘余瓦斯含量2.42 m3/t，小于8 m3/t，防突措施效果檢驗合格，工作面可以進行開采。工作面回采期間，通過對B10 煤層高抽巷進行封閉抽采，有效解決了回風隅角的高濃度瓦斯及本煤層和上覆B11b 煤層的卸壓瓦斯，B10 煤層回采期間工作面瓦斯抽采率在90%以上，回風隅角瓦斯濃度在0.6%以下，回風流中最大瓦斯濃度0.15%，月平均回采長度高達200 m，保障了采煤工作面的正常接替。

3.2 被保護層工作面瓦斯治理效果

B10 煤層回采結束后，上覆的B11b 煤層受采動影響充分卸壓，通過對保護層開采后的效果進行評價，B11b 煤層的殘余瓦斯壓力小于0.74 MPa、殘余瓦斯含量低于8 m3/t，均位于臨界值以下，防突措施效果檢驗合格，工作面可以進行回采，通過對卸壓鉆孔抽采的瓦斯濃度及瓦斯純量進行統計分析，結果如圖4（a）所示，B11b 煤層回采期間，回風隅角瓦斯濃度在0.4%以下。

B10 煤層回采結束后，通過對下伏的B8 煤層進行防突措施效果評價，B8 煤層的殘余瓦斯壓力大于0.74 MPa，殘余瓦斯含量大于8 m3/t，防突措施效果檢驗不合格，工作面不能進行回采，需繼續采取區域防突措施，由此可以看出方案2 不能有效治理被保護層B8 煤層的卸壓瓦斯。從表2 可以看出，B11b 煤層回采結束后B8 煤層的殘余瓦斯壓力小于0.74 MPa，殘余瓦斯含量小于8 m3/t，防突措施效果檢驗合格，工作面可以進行回采。這是由于B10 煤層回采結束后通過在B6 煤層底板巷內再次施工上向穿層鉆孔，鉆孔終孔位置位于B8 煤層內，當回采B11b 煤層時，B8 煤層受采動影響，進行二次卸壓，此時二次施工的鉆孔就能繼續抽采B6、B7a 及B8 煤層的卸壓瓦斯，通過在線計量統計，B10 煤層底板巷內施工的B8 煤卸壓抽采鉆孔平均抽采濃度32%，平均抽采純量14 m3/min，抽采率54.3%；B6 煤層底板巷內施工的穿層卸壓抽采鉆孔平均抽采濃度66.7%，平均抽采純量40 m3/min，抽采率88.7%；B10、B6 煤層底板巷內鉆孔抽采濃度、抽采純量與抽采時間的關系分別如圖4（b）和圖4（c）所示。

表2 各煤層殘余瓦斯壓力及含量Tab.2 Residual gas pressure and content in each coal seam

圖4 煤層底板巷鉆孔瓦斯抽采濃度和抽采純量隨時間變化關系圖：（a）C13，（b）B10，（c）B6Fig.4 Curves of gas drainage concentration and purity in relation to time through boreholes of floor roadway of coal seams：（a）C13，（b）B10，（c）B6

從表2 可以看出，開采保護層對被保護層的瓦斯治理效果顯著，同時，保護層的保護效果與煤層之間的距離有直接關系，開采保護層的同時預抽被保護層的卸壓瓦斯，是最有效的瓦斯治理方式。

4 結 論

近距離突出煤層群瓦斯治理，最優方案為開采保護層的同時重復抽采被保護層的卸壓瓦斯；施工的高抽巷徹底解決了保護層工作面開采過程中本煤層的卸壓瓦斯及回風隅角瓦斯超限難題；圍繞煤層群瓦斯治理所施工的巷道實現了一巷多用，最大程度地節約了煤炭的開采成本，體現了技術經濟一體化的基本要求，對于其它高瓦斯及突出礦井煤層群開采時的瓦斯治理具有借鑒意義。