突出礦井煤層群開采瓦斯聯合抽采技術研究

鄧成均(貴州省桐梓縣經濟貿易局,貴州 桐梓563200)

1 前言

我國煤層賦存范圍廣、煤層結構及地質條件復雜,造成單一的瓦斯治理模式難以滿足礦井安全生產需要,眾多礦井采用多種瓦斯抽采方式相結合實現了礦井瓦斯的高效治理[1-4]。貴州地區多為煤層群開采,絕大多數礦井為突出礦井,具有瓦斯含量高、壓力大、煤層透氣性差等特點,是我國瓦斯災害的重災區[5-8]。貴州某礦批準開采煤層5 層,5、7、8、9 煤層為突出煤層,本文就以該礦為工程背景,對近距離煤層群瓦斯聯合抽采技術進行分析,以期能為其他礦井瓦斯治理提供一定借鑒。

2 工程概況

礦井設計產能為90 萬t/a,區內賦存煤層分別為2、5、7、8、9 號煤,厚度分別為1.7m、3.2m、2.4m、0.7m 以及5.3m,煤層層間距分別為40m、34m、42m、15m,除去淺部的2 號煤層無突出危險性以外,其余開采煤均有突出危險性。實測礦井主采的2、5、7、9 煤層瓦斯含量分別為6.5m3/t、8.6m3/t、10.2m3/t、13.8m3/t,瓦斯壓力分別為0.56MPa、0.78MPa、1.12MPa、1.56MPa。礦井采用綜采方式開采,U 型通風方式,主采的煤層頂底板巖性主要以泥巖、砂質泥巖、粉砂巖等為主,區域內地質構造較為復雜,小型斷層、褶曲等廣泛分布,未探測有陷落柱。在一采區范圍內,2、5、7、9 號煤層可采,8 號煤層不可采,現階段制約礦井生產安全的不利因素主要為瓦斯突出以及瓦斯涌出量過大。

3 瓦斯聯合抽采技術

3.1 瓦斯立體抽采

由于礦井開采的一采區范圍內2 號煤層無突出危險性,因此,礦井將2 號煤層作為首采保護層進行開采。在2 號煤層回采工作面回風巷布置高位瓦斯抽采鉆孔抽采采空區瓦斯、鄰近不可采煤層卸壓瓦斯,從而降低采空區瓦斯涌出以及上隅角瓦斯濃度;5 號煤層處于2 號煤層保護范圍內,7號煤層瓦斯治理以底板巷布置穿層鉆孔抽采卸壓瓦斯進行區域防突,在7 號煤層回采工作面進、回風巷內布置本煤層鉆場對瓦斯進行預抽從而降低本煤層瓦斯涌出;9 號煤層處于上覆5 號、7 號煤層多重保護之下,采用底板巷布置穿層瓦斯抽采孔進行區域瓦斯消除,穿層鉆孔、本煤層瓦斯鉆孔降低9 號煤層瓦斯涌出,在工作面回風巷布置高位瓦斯抽采鉆場減少上覆不可采的8 號煤層瓦斯涌出,在底板巷內布置反井鉆孔治理9 號煤層采空區瓦斯。因此,礦井在一采區內形成立體聯合瓦斯抽采體系:保護層開采增加被保護層透氣性,底板巷布置穿層鉆孔進行區域消突,回采巷道布置本煤層鉆孔、底板巷布置反井鉆孔對采空區瓦斯治理、回風巷布置高位瓦斯抽采鉆孔對采空區瓦斯以及鄰近層瓦斯進行治理。具體一采區9 號煤層1195 工作面瓦斯聯合抽采布置如圖1所示。

圖1 1195 工作面瓦斯聯合抽采鉆孔布置

3.2 區域瓦斯防突效果

在1195 工作面采取保護層開采、底板巷穿層鉆孔方式進行區域消突,底板穿層鉆孔終孔按照5.5m×5.5m 網格進行布置,鉆孔預抽時間均控制在180d 以上,瓦斯抽采率控制在40%以上,抽采后殘余瓦斯含量降低至6.5m3/t 以內,瓦斯壓力降低至0.60MPa 以內。在1195 工作面回采區域內在回采巷道內布置本煤層順層鉆孔、穿層鉆孔對開采范圍內煤層進行抽采,本煤層順層鉆孔間距5m、鉆孔間壓茬10m,對于順層鉆孔未能控制的空白帶區域按照8m×8m 網格布置穿層鉆孔進行瓦斯抽采,布置的本煤層瓦斯抽采鉆孔孔徑為90mm,本煤層抽采鉆孔整個瓦斯預抽時間控制在180d 以上,瓦斯預抽率在50%以上,抽采后煤層殘余瓦斯含量控制在6.3m3/t 以內,瓦斯壓力降低至0.60MPa 以內。

3.3 回采期間瓦斯涌出分析

在1195 工作面形成初期,工作面絕對瓦斯涌出量最大達到25m3/min,工作面瓦斯治理方式主要為底板穿層鉆孔+本煤層順層瓦斯抽采鉆孔對煤層瓦斯進行抽采,回風巷高位瓦斯抽采鉆孔對采空區、鄰近層瓦斯涌出進行治理,底板巷布置反井鉆對采空區瓦斯涌出進行治理,具體工作面回風巷高位瓦斯抽采鉆孔布置以及底板巷布置反井鉆布置形式如圖2、圖3所示。

圖2 回風巷高位瓦斯抽采鉆孔布置

圖3 底板巷布置反井鉆布置

在1195 工作面布置的瓦斯抽采鉆孔瓦斯抽采量可達到17～21m3/min,其中高位瓦斯抽采孔、底板穿層鉆孔+本煤層順層瓦斯抽采鉆孔、底板巷反井鉆孔瓦斯抽采量分別為11～14m3/min、4～6m3/min、1.5～2.5m3/min,工作面布置的抽采鉆孔瓦斯綜合抽采量可達60%以上,最大瓦斯抽采率達到90%以上。通過瓦斯綜合治理,1195 工作面抽采后煤層殘余瓦斯含量控制在5.8m3/t 以內,瓦斯壓力降低至0.48MPa 以內,絕對瓦斯涌出量最大為1.25m3/min。在工作面回采期間回風上隅角、回風巷內瓦斯濃度最大分別為0.56%、0.3%。通過在工作面采用瓦斯聯合抽采技術,有效解決了本煤層、鄰近層、采空區瓦斯涌出,為工作面安全生產創造了良好條件。

4 礦井瓦斯綜合治理效果

礦井從上到下依次開采2、5、7、9 號煤層,被保護層均處于保護層保護范圍內,取得顯著的卸壓效果。開采上保護層通過采用高位瓦斯抽采鉆孔+本煤層瓦斯鉆孔+底板巷穿層鉆孔方式實現立體瓦斯抽擦,被保護層工作面瓦斯綜合抽采率可達到50%以上;開采7 號煤層時由于未對被保護的9 號煤層進行卸壓瓦斯抽采,造成9 號煤層開采時瓦斯涌出量過大,極容易造成工作面瓦斯超限,因此,對于9號煤層工作面采用高位瓦斯抽采鉆孔+本煤層瓦斯鉆孔+底板巷穿層鉆孔+底板巷反井鉆孔方式,實現了對高突出煤層瓦斯有效治理。

5 結論

貴州區域礦井多為煤層群開采,層間距屬較小。本文以貴州某礦為工程背景,對礦井中近距離煤層群開采條件下瓦斯綜合聯合抽采技術展開研究,取得以下成果:

(1)當礦井開采的煤層具有保護層開采條件時,對于被保護層瓦斯治理選用底板巷穿層鉆孔+本煤層順層鉆孔+回風巷高位瓦斯抽采鉆孔+底板巷反井鉆孔方式實現礦井瓦斯聯合抽采,可取得顯著的瓦斯治理效果。

(2)當鄰近層未達到預期卸壓效果或者未進行瓦斯預抽時,為了降低鄰近層瓦斯涌出對工作面開采影響,可采用以回風巷高位瓦斯抽采孔為主,并結合底板穿層鉆孔、反井鉆孔、采空區密閉接抽方式實現采面安全生產。

(3)隨著瓦斯治理技術的不斷發展,在突出礦井煤層群開采時可進一步采用“地面煤層氣井預抽+保護層開采+底板巷穿層鉆孔”方式對瓦斯進行聯合治理。