特厚煤層分層開采立體多源瓦斯治理技術應用研究

劉 俊，黃光利，冉慶雷，陳鑫源

(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；3.河南省煤炭科學研究院有限公司，河南 鄭州 450001)

我國厚及特厚煤層資源儲量豐富，占探明儲量的 45%左右，是我國煤礦實現高產高效開采的主力煤層[1-2]。伴隨著我國煤炭開發戰略布局西移，陜西、內蒙、寧夏等區域特厚煤層經過相當一段時期的開采，逐漸進入深部區域，面臨的瓦斯災害問題日益凸顯。特厚煤層采用分層開采時，下伏分層卸壓瓦斯將大量涌入采動空間，容易造成瓦斯積聚和超限。徐寧武等[3]分析了近水平特厚煤層分層開采瓦斯含量立體分布規律；程建圣[4]提出了特厚煤層分6個分層開采回采瓦斯涌出量預測方法；王忠樂[5]考察了急傾斜特厚煤層水平分層開采綜放工作面瓦斯涌出特征；劉軍[6]建立了急傾斜特厚煤層開采工作面瓦斯涌出量預測方法；鄭三龍等[7]對急傾斜特厚煤層水平分層開采工作面瓦斯立體化抽采工藝技術進行了研究；劉軍等[8]對急傾斜特厚煤層分段開采卸壓瓦斯抽采技術進行了考察；馬智勇[9]對特厚煤層首分層開采瓦斯立體抽采技術進行了應用研究；高宏等[10]提出了超大直徑鉆孔采空區瓦斯抽采技術。針對白芨溝煤礦特厚煤層分層開采留設小煤柱工作面瓦斯治理難題，提出了基于小煤柱沿空留巷的大傾角、大孔徑鉆孔全程下套管治工藝，有效解決了特厚煤層分層開采瓦斯治理難題。

1 礦井及工作面概況

白芨溝煤礦位于寧夏回族自治區石嘴山市境內，井田南北長6.3 km，東西寬1.79 km，面積為11.27 km2。目前主采二3煤層，平均厚度20.84 m，平均傾角4°，煤層原始瓦斯含量4.77～23.59 m3/t。010203區段位于礦井南翼采區，開采二3煤層，傾角11°，厚度13.93 m，分層采高3 m，煤層原始瓦斯含量8.6 m3/t左右。0102103工作面為010203區段首分層工作面，設計走向長545 m，傾斜寬156 m，日產量5 000 t左右。工作面開采布置如圖1所示。

圖1 0102103工作面開采布置示意Fig.1 Schematic diagram of mining layout of 0102103 working face

2 工作面采前瓦斯抽采及達標情況

2.1 瓦斯抽采基本情況

根據010203區段瓦斯地質賦存規律及實測分析，010203區段煤層原始瓦斯含量在8.6 m3/t左右，瓦斯儲量1 238.4萬m3。為了有效降低010203區段煤層瓦斯含量，采取了定向長鉆孔和底板穿層鉆孔區域預抽措施。

(1)定向長鉆孔預抽。在1665邊界回風上山布置了1個鉆場，沿二3煤層走向布置了7個定向長鉆孔，鉆孔總進尺6 022.9 m。鉆孔布置在煤層頂板以下8 m位置，其中1號—5號孔均沿走向間距25 m進行布置，6號、7號孔沿走向間距28 m進行布置。定向長鉆孔平均瓦斯抽采濃度10%～30%，平均瓦斯抽采流量0.5～0.8 m3/min。

(2)底板穿層鉆孔抽采。利用1665回風巷，在工作面南部布置6個鉆場(6號—11號)，鉆孔呈扇形布置，每個鉆場12～15個鉆孔；利用010202回風聯絡巷下口布置一個5號鉆場，沿工作面偽斜布置14個鉆孔；在北部布置4個鉆場(1號—4號)，鉆孔均沿工作面偽斜布置，平均9～13個鉆孔。底板穿層鉆孔單孔平均瓦斯抽采濃度10%～30%，平均瓦斯抽采流量0.1～0.3 m3/min。

010203區段瓦斯預抽鉆孔布置如圖2所示。

圖2 010203區段瓦斯抽采鉆孔布置Fig.2 Layout of gas drainage boreholes in section 010203

2.2 瓦斯抽采達標情況

010203區段采前主要采取定向長鉆孔和底板穿層鉆孔區域預抽措施。定向長鉆孔覆蓋工作面大部分區域且預抽期長達91個月，其他區域有底板穿層鉆孔強化抽采，預抽期18～21個月，采前共抽出瓦斯量443.2萬m3。現場施工了7組鉆孔實測010203區段二3煤層殘余瓦斯含量最大值為6.43 m3/t(可解吸量3.61 m3/t)，首分層0102103工作面殘余瓦斯含量最大值為6.22 m3/t(可解吸量3.40 m3/t)，預抽率33.4%，滿足《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》第二十七條采煤工作面回采前煤的可解吸瓦斯量應達到的指標要求(日產量不超過5 000 t，煤層殘余可解吸瓦斯含量≤5.5 m3/t)。

3 工作面回采瓦斯涌出分析及治理方案

3.1 瓦斯涌出來源分析

010203區段工作面分4個分層開采，根據010203區段工作面煤層賦存及鄰近煤層開采情況，010203區段首分層0102103工作面回采期間，瓦斯涌出來源主要包括以下2個方面。

(1)開采層瓦斯涌出。包括0102103工作面本分層瓦斯以及下伏二、三、四分層煤體卸壓瓦斯涌出，為工作面回采期間主要瓦斯涌出來源。

(2)采空區瓦斯涌出。主要為上覆二1煤層采空區(1511、1611等)瓦斯涌出以及鄰近010202區段工作面采空區瓦斯涌出。

根據瓦斯涌出量預測，0102103工作面回采期間，工作面最大日產量按照5 000 t計算時，絕對瓦斯涌出量最大值將達到29.57 m3/min(本分層及下伏分層瓦斯涌出量22.18 m3/min，其他采空區瓦斯涌出量7.39 m3/min)。

3.2 回采期間瓦斯治理存在的主要難題

(1)0102103工作面為010203區段首分層開采工作面，受本分層及下伏分層卸壓瓦斯涌出影響，工作面回采期間本煤層及下伏分層瓦斯大量解吸，將涌入工作面，容易造成瓦斯積聚和超限。

(2)0102103工作面與鄰近區段0102402工作面回風巷之間僅留設6 m小煤柱，難以按照以往慣例布置瓦斯治理巷。根據以往經驗，采用回風巷埋管抽采無法完全解決采空區瓦斯涌出問題。

(3)由于工作面上覆及鄰近區段存在采空區，采空區漏風影響，可能導致回風巷埋管抽采效果不佳，給采空區瓦斯抽采帶來一定難度。

3.3 工作面回采瓦斯總體治理方案

針對白芨溝煤礦0102103工作面特厚煤層分層開采留設小煤柱回采工作面的瓦斯治理難題，工作面回采期間采取如下主要對策。

(1)下伏分層卸壓瓦斯攔截抽采。一方面，利用已有定向長鉆孔、底板穿層鉆孔進行卸壓瓦斯攔截抽采；另一方面，利用鄰近區段0102402工作面回風巷進行沿空留巷，向下伏分層施工順層鉆孔進行卸壓瓦斯攔截抽采。

(2)本分層瓦斯強化抽采。通過0102103工作面回風巷施工順層鉆孔，進行本分層瓦斯強化抽采，解決本分層瓦斯涌出問題。

(3)采空區瓦斯抽采。重點利用鄰近區段0102402工作面回風巷進行沿空留巷，向0102103工作面回風巷施工大孔徑鉆孔并結合護孔套管，抽采采空區瓦斯，解決上隅角埋管抽采效果不理想問題；同時，在010203區段回順施工通路、回風三川等聯絡巷埋管抽采采空區瓦斯。

按照上述瓦斯治理總體方案，在時空上形成定向長鉆孔、底板穿層鉆孔、順層鉆孔多通道卸壓攔截抽采以及回采期間本分層順層鉆孔邊采邊抽、沿空留巷大孔徑鉆孔、回風巷埋管采空區瓦斯抽采格局，構建時空立體多源瓦斯抽采，有效解決0102103工作面瓦斯涌出難題。總體布置如圖3所示。

4 回采期間瓦斯治理措施的實施

4.1 卸壓瓦斯攔截抽采治理措施

工作面回采期間，繼續利用已有的定向長鉆孔、底板穿層鉆孔進行了下伏分層卸壓瓦斯攔截抽采，瓦斯抽采濃度8%～15%。

在此基礎上，通過0102402工作面回風巷沿空留巷，向0102103工作面下伏分層施工順層卸壓鉆孔攔截抽采下伏分層卸壓瓦斯。鉆孔間距12 m，孔徑113 mm，終孔位置位于010203區段工作面三分層頂部，在垂直方向上內錯運輸巷10 m，共施工44個鉆孔，瓦斯抽采濃度12%～18%。

4.2 本分層順層鉆孔強化抽采治理措施

在0102103工作面回風巷施工本分層順層鉆孔進行強化抽采。鉆孔垂直于0102103工作面回風巷布置，控制傾向范圍145 m，與工作面運輸巷內錯10 m，終孔間距6 m，孔徑113 mm，傾角9°～16°，共布置88個鉆孔，根據工作面推進情況，邊采邊抽，抽采濃度3%～8%。

4.3 大孔徑鉆孔采空區瓦斯抽采治理措施

在工作面回采期間，除利用0102103工作面回順施工通路、010202回風聯絡巷埋管抽采采空區瓦斯以外，為了有效治理0102103工作面回采期間采空區瓦斯，提出在0102402工作面回風巷向0102103工作面回風巷施工大傾角、大孔徑鉆孔并全程下入抽采管護孔，進行采空區瓦斯抽采。

(1)大直徑鉆孔的布置。設計沿0102402工作面回風巷靠0102103回風巷一側巷幫每隔34 m施工一組大孔徑鉆孔(每組2個鉆孔，間距2 m)。每組鉆孔數量為3個，共布置13組39個鉆孔。鉆孔開孔點位于0102402工作面回風巷上幫距巷道底板2.6～2.8 m位置，終孔點位于0102103工作面回風巷下幫距巷道底板0.2～0.5 m位置。鉆孔傾角45°～47°，長度13.3～13.6 m。

(2)大直徑鉆孔孔徑的選擇。根據預測，大孔徑鉆孔抽采純量需要達到4.2 m3/min，大孔徑鉆孔瓦斯抽采平均濃度按照5%計算，同時進行抽采的大孔徑鉆孔按照2組共6個鉆孔計算，單孔抽采量應達到0.7 m3/min。根據瓦斯抽采管路管徑計算公式，結合其他工作面埋管抽采經驗，大孔徑鉆孔護孔套管選取φ300 mm的管徑(內徑)，考慮管壁厚度及護孔管下入難度，大孔徑鉆孔施工裸孔孔徑至少為φ350 mm(根據前期現場試驗，考慮到護孔管下入難度，逐級擴孔至φ500 mm)。

(3)大直徑鉆孔施工工藝。鉆孔施工采用ZDY-6000型礦用全液壓鉆機施工，鉆桿采用φ73 mm×800 mm規格鉆桿，使用φ94 mm鉆頭配合φ94 mm×800 mm導向鉆桿開口施工，首先采用φ94 mm的鉆頭施工小孔，到位后再逐級采用φ153、φ193、φ250、φ30、φ350、φ500 mm的鉆頭進行擴孔。

大孔徑鉆孔裸孔施工完成以后，必須及時對大孔徑鉆孔下入φ300 mm的套管，以防鉆孔垮孔影響套管下放。由于井下空間受限，并考慮到工作面與鄰近區段僅留設6 m小煤柱，為了避開應力集中影響巷道變形等，套管選材為長度1 m的鋼管，在地面進行加工，將鋼管切割為φ300 mm×1 000 mm一段，使用氣焊沿管壁均布切割4個φ26 mm圓洞，將φ20 mm螺帽焊接在圓洞內，便于和下一根扁鐵延接。套管采用φ20 mm×30 mm螺栓上緊連接，使用氣焊沿扁鐵延接套管均布切割4個φ20 mm圓洞，使用40T型刮板輸送機單鏈環在套管內壁，焊接一個套管起吊、下放連接環。大孔徑鉆孔護孔套管主體結構及配套下放裝置如圖4所示。

圖4 大孔徑鉆孔護孔套管主體結構及配套下放裝置Fig.4 Main structure and matching device of large aperture drilling and hole protecting casing

5 瓦斯綜合治理效果分析

010203區段首分層0102103工作面采取基于小煤柱沿空留巷的大孔徑采空區瓦斯抽采工藝并結合順層鉆孔卸壓攔截抽采為主的立體多源瓦斯治理方式，取得了較好的效果。在已有定向長鉆孔、底板穿層鉆孔抽采基礎上，采取本分層順層鉆孔強化抽采、下伏分層順層鉆孔卸壓攔截抽采等措施，解決了本分層及下伏分層卸壓瓦斯涌出問題。利用上區段沿空留巷施工大孔徑鉆孔，以孔代巷抽采采空區瓦斯，平均抽采濃度為6%～10%，抽采混合量為50～60 m3/min，解決了采空區瓦斯治理難題。各種瓦斯治理方式的抽采量統計見表1。

表1 0102103工作面瓦斯綜合治理效果統計Tab.1 Comprehensive gas control effect statistics of working face 0102103

根據瓦斯監測報表，0102103工作面回采期間，工作面瓦斯濃度穩定在0.16%～0.26%，回風隅角瓦斯濃度穩定在0.28%～0.42%，回風流瓦斯濃度穩定在0.22%～0.34%，未發生過瓦斯積聚及瓦斯超限。

6 結論

(1)通過充分利用已有巷道及其位置關系，提出了基于小煤柱沿空留巷的大孔徑采空區瓦斯抽采并結合順層鉆孔卸壓攔截抽采為主的特厚煤層首分層開采瓦斯綜合治理方法。

(2)通過利用上區段沿空留巷施工大孔徑鉆孔，以孔代巷抽采采空區瓦斯，首創了基于小煤柱沿空留巷的大傾角、大孔徑鉆孔全程下套管施工工藝，有效解決了布置瓦斯治理巷施工難度大、支護及維護困難等問題，節約了瓦斯治理成本。