依蘭第三煤礦煤與煤層氣協調開發模式

黃 鶴

(1. 中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 113122； 2. 煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 113122)

1 依蘭三礦煤層賦存情況

依蘭第三煤礦位于黑龍江省依蘭縣達連河鎮境內，本井田含煤地層為古近系達連河組地層，煤層集中分布于含煤段。煤層群厚約10～30m，含煤5層(上1、上1～上2、上2、中和下煤層)，純煤最大厚度36.85m，最小4.57m，平均為10.04m，其中主力煤層為上2煤層和中煤層。依蘭三礦上2煤層和中煤層瓦斯壓力均超過0.74MPa。依蘭第三煤礦煤層氣豐度為0.9億m3/km3,礦區深部預測區煤層氣資源豐度為0.95億m3/km3，整個依蘭井田煤層氣資源豐度為0.26m3/km3。

2 瓦斯治理模式

結合依蘭三礦煤層賦存及地質條件，首先在上2煤層底板砂巖內超前開掘底板開拓巷道與瓦斯抽采巷道并安裝煤層氣抽采管路，為煤層氣超前抽采提供時間、空間條件，以此實現底板巷道開拓超前于煤層氣抽采工程，其次在底板巷道內向保護層掘進條帶與石門揭煤區域實施穿層鉆孔水力化增透措施，之后施工穿層鉆孔進行煤層氣抽采，消除保護層掘進條帶與石門揭煤區域突出危險后進行保護層工作面順槽掘進與開切眼布置，保護層準備工作面形成后在順槽內向工作面區域實施順層鉆孔水力壓裂增透措施，之后施工順層鉆孔進行煤層氣抽采，待工作面達到消突條件后進行回采，因此煤層氣抽采工程超前于保護層開采。

保護層回采造成被保護層卸壓增透，利用穿層網格鉆孔抽采被保護層卸壓煤層氣，同時利用采空區抽采技術抽采保護層采空區煤層氣，進而實現保護層安全回采及消除被保護層突出危險性。在保護層范圍內布置被保護層回采工作面進行回采，因此，保護層開采超前于被保護層開采，這樣形成了依蘭第三煤礦近距離松軟低滲突出煤層群條件下的“井下三區配套三超前增透抽采煤層氣”瓦斯治理模式。

2.1 開拓區

礦井開拓區的功能任務主要是為煤層氣抽采準備條件。依蘭第三煤礦開拓區主要是底板大巷以及底板煤層氣抽采巷道的掘進，底板主要巷道超前于瓦斯抽采巷道開拓掘進，超前距離至少1個工作面條帶距離，確保專用瓦斯抽采巷道的施工，同時布置煤層氣抽采管路系統。

2.2 準備區

礦井準備區的功能主要是布置出滿足安全開采條件的工作面。主要任務包括：石門揭煤水力壓裂、煤層氣預抽鉆孔的施工、煤層氣預抽；在底板瓦斯抽采巷向保護層掘進條帶區域打壓裂鉆孔并進行水力壓裂，以及施工穿層鉆孔進行掘進條帶預抽。

當條帶預抽達到安全標準后進行保護層順槽的掘進以及開切眼的布置，形成準工作面，在保護層準備工作面施工順層鉆孔進行回采區域水力壓裂增透，之后在兩個順槽施工本層平行抽采鉆孔，進行本煤層預抽。依蘭第三煤礦在保護層預抽的同時，通過底板瓦斯抽采巷向被保護層施工穿層網格鉆孔進行被保護層的煤層氣預抽，以降低被保護層煤層氣含量與壓力。

2.3 回采區

在保證保護層準備工作預抽達標后，進行保護層煤炭開采。當被保護層瓦斯預抽區域達到安全標準后進行被保護層的回采，這樣就形成了一個保護層和被保護層的循環開采。由于依蘭第三煤礦保護層和被保護層間距較小，保護層開采后，被保護層大量的卸壓瓦斯會涌入保護層工作面采空區，為保證保護層安全開采，同時實現最大化開發煤層氣資源，也進行采空區煤層氣抽采，保護層采空區抽采方式采用采空區密閉插管抽采和回風順槽高位鉆孔抽采方式。

3 煤層氣開發技術體系

基于礦區進行煤層氣開發與煤炭開采活動時所選擇的煤層氣抽采技術與煤炭開采技術必須與地質條件相適應的原則，根據依蘭第三煤礦地質條件的特點，在認真分析煤炭開采與煤層氣抽采面臨難題的基礎上，提出了礦區應以堅持超前開采保護層并結合煤層賦存條件變化選擇適宜的煤炭開采技術進行煤炭開采，堅持以原始煤層增透技術與保護層開采卸壓增透技術并舉的方式進行煤層增透，堅持以提前預抽、采前預抽、采中抽采、采后抽采技術相結合的方式進行煤層氣綜合立體式抽采作為復雜地質條件煤礦區煤層氣與煤炭協調開發技術選擇的總體思路原則。

3.1 精確瓦斯來源、優化高位鉆孔參數

采集各煤層瓦斯氣體和相關煤層煤樣，利用同位素質譜儀查明煤礦中不同煤層中瓦斯的主要碳氫同位素成分特征，建立多元瓦斯氣體混合數學模型，并定量分析所采樣品中不同煤層的瓦斯來源比例及構成，最終確定本煤層的瓦斯來源。通過計算各煤層裂隙帶高度及各煤層層間距，確定高位鉆場鉆孔的終孔層位布置在25m～35m，這樣就能抽出更多的裂隙帶瓦斯，通過優化高位鉆孔，依蘭第三煤礦瓦斯抽采效率平均提高了60%。

3.2 堅持采用適用的地質精細化探測技術

依蘭第三煤礦地質條件復雜，隱伏地質構造及其破壞帶一方面影響著采掘工程的合理布置與安全快速掘進，另一方面影響著礦區煤層氣抽采工程的抽采效果。基于此，依蘭第三煤礦在采掘工程及煤層氣抽采工程實施前，應采用的地質精細化探測技術對區內隱伏地質構造進行超前探測，以有效指導采掘工程及煤層氣抽采工程施工，為煤與煤層氣安全高效開采提供地質保障。

3.3 堅持采用適用的井下煤層增透技術

采用井下水力壓裂技術對石門揭煤區域、保護層掘進條帶區域、保護層準備工作面開采區域原始煤層進行增透，以提高原始煤層抽采效果，利用保護層超前開采的采動影響實現被保護層地應力有效釋放，進而提高煤層透氣性，使其達到高效抽采及改善開采條件的目的。

3.4 堅持采用綜合立體抽采煤層氣技術

根據依蘭第三煤礦煤炭開采階段的不同，采用石門揭煤預抽、底板穿層掘進條帶預抽、保護層工作面順層鉆孔預抽、邊掘邊抽、邊采邊抽、底板穿層網格鉆孔抽采、上鄰近層穿層鉆孔抽采、頂板高位鉆孔抽采、老空區密閉插管抽采等煤層氣抽采技術，以實現不同煤炭開采區域煤層氣的綜合立體抽采。

3.5 堅持采用高效的煤巖層鉆進技術

為保障井下煤層氣抽采鉆孔能夠按照設計嚴格施工，盡可能地減少煤層氣抽采工程投入，消除煤層氣抽采“空白帶”，提高鉆進效率以減少對采掘工程造成的影響，礦區應堅持采用適用于特定復雜地質條件的、高效的多巖性穿層鉆進技術與松軟突出煤層順層鉆進技術。

3.6 堅持因地制宜地選用合適的煤炭開采技術

根據煤層浮層條件不同，應選擇最為合適的煤炭開采方法，應首先選用機械化程度比較高的綜合機械化煤炭開采技術。應采用先進適宜的保護層無煤柱開采技術，以減少被保護層煤柱影響范圍及提高煤炭資源回采率。

4 煤與煤層氣開發協調關系

4.1 掘進超前空間距離

空間層面上實現掘進超前是為了給待接替煤層區域的采前預抽與工作面的準備提供施工空間條件，依蘭三礦空間層面上的掘進超前必須滿足的最低指標如圖1所示。

圖1 依蘭三礦空間層面掘進超前示意圖

煤層開拓巷道必須超前保護層準備工作面一個工作面條帶，確保下一個工作面的施工具備空間條件；底板開拓巷道必須超前瓦斯巷一個工作面條帶，確保下一個瓦斯巷的施工具備空間條件；瓦斯巷必須超前保護層準備工作面兩條瓦斯巷，確保下一個保護層準備工作面煤層巷道的掘進條帶抽采鉆孔的施工。

4.2 抽采超前空間距離

空間層面實現抽采超前是為了給接替煤層區域提供采前預抽空間條件，進而保障足夠充分的抽采時間使煤層消除突出危險性，保障煤炭安全高效開采。根據依蘭三礦掘進條帶預抽、回采工作面本層采前預抽、被被保護層網格預抽條件下各種預抽技術抽采達標時間的經驗值并結合掘進工作面的掘進速度、回采工作面的回采速度統計基礎上，計算出空間層面抽采超前必須滿足的最低指標見表1。

表1 空間煤層抽采超前距離最低控制指標

由于依蘭第三煤礦上1將煤層作為保護層然后自上至下依次開采下部各煤層，保護層穿層掘進條帶超前抽采、保護層采面本層超前抽采、被保護層穿層網格超前抽采空間距離最低控制距離示意圖分別如圖2、3、4所示。

圖2 保護層穿層掘進條帶抽采最小超前距離示意圖

圖3 保護層工作面本層抽采最小超前距離示意圖

圖4 被保護層穿層鋼哥抽采最小超前距離示意圖

4.3 煤層氣抽采超前時間

保護層、被保護層煤層開采之前必須采取綜合預抽措施，保證抽采達標。綜合考慮依蘭第三煤礦增透后煤層透氣性、煤層氣含量、抽采影響范圍、煤層增透抽采技術水平等因素，為了確保足夠的煤層氣預抽時間，實現煤層氣預抽和煤炭安全開采的銜接，準備區煤層氣抽采應超前回采區煤層開采 3～5年，本煤層預抽不少于12個月，順層鉆孔預抽時間不少于3個月。

4.4 保護層開采超前時間

保護層工作面的回采巷道采前形成時間不少于8個月，以滿足首采層工作面本層先抽后采的要求。接續首采面至少提前6個月具備生產條件；采煤工作面相鄰接替間隔時間不超過3個月；礦井保護煤量可采期不得少于24個月，可供布面的保護煤量可采期不得少于18個月。

4.5 抽采效果

為防止開采期間下鄰近煤層瓦斯向上1煤層工作面大量涌出瓦斯，可以在上1工作面運輸、回風順槽施工下向穿層鉆孔，提前預抽上2和中煤層瓦斯，預抽下鄰近層上2和中煤層回采區域瓦斯鉆孔布置圖見圖5。

從圖6可以看出，預抽下鄰近層回采區域煤層瓦斯時鉆孔濃度維持在8%～30%，抽采流量平均值為1.85m3/min，抽采純量平均值為0.25m3/min。同時S1101回采期間工作面上隅角瓦斯濃度維持在0.4%～0.7%，沒有出現瓦斯超限問題，說明抽采效果良好。

圖6 回采區域煤層瓦斯抽采鉆孔抽采情況