煤層群開采井上下聯合瓦斯抽采實踐

王志元 陳建鵬 王海鋒

摘要：袁店一礦煤礦地質構造復雜，主采煤層瓦斯含量高，為了保證礦井井下的安全生產，必須采取必要的瓦斯防治措施，來減少甚至消除煤礦瓦斯的突出危險性。針對袁店一礦的煤層開采條件，開發一種煤層群瓦斯井上下聯合抽采方法。根據各煤礦的實際生產情況，以10煤層作為首采層，分別對礦井的10煤層以及中組煤分成三個抽采層次進行瓦斯抽采，實現了煤層群消除突出危險性和安全生產的目的。

關鍵詞：煤層群;煤與瓦斯突出危險性;聯合抽采;鉆孔

0引言

煤礦瓦斯是井下有害氣體的總稱，其中主要來源于煤層中的賦存瓦斯。煤層中瓦斯一般以甲烷為主，是煤礦生產中的重大危險源。[1，2]瓦斯災害是我國煤礦安全生產中最大的災害。采空區的瓦斯涌出量占礦井瓦斯源很大比例，這是因為在煤炭開采過程中，未采分層、臨近煤層、煤柱、圍巖和工作面丟煤都會向采空區涌出瓦斯，尤其是開采煤層群和厚煤層條件下，瓦斯不僅在工作面開采過程中涌出，并且在工作面采完密閉后也仍會繼續涌出。現在提出的這種聯合瓦斯抽采方法的目的就是為了確保各工作面的開采安全并提高礦井瓦斯抽放率。[3，4]

1 袁店一礦概況

1.1 礦井概況

袁店一井煤礦地處安徽淮北，東西長6.9～13.6km，南北寬1.2～3.4km，井田面積約37.22km2。地層傾角相對平緩。構造復雜程度中等。[5]

袁店煤礦10煤的的破壞類型屬于Ⅲ～Ⅳ類。10煤的最大相對瓦斯壓力為1.35MPa，大于0.74MPa;煤樣的堅固性系數為0.24，小于0.5;瓦斯放散初速度的最大值為13mmHg，大于10mmHg。袁店煤礦10煤層為煤與瓦斯突出危險煤層，礦井為煤與瓦斯突出礦井。

1.2煤層賦存

該井含煤地層為石炭-二疊系。含煤地層包含九個煤層，含煤超過20層，煤層總厚14.38m。32、51、63、72、81、82、10等7層為可采煤層，可采煤層總厚13.51m，;其中32、72、82、10為主采煤層，總厚10.10m。該井可采煤層自上而下為32、51、63、72、81、82、10等7層。其中本煤層及臨近層的煤層性質見表1所示，煤層綜合柱狀圖如圖1所示。

1.3 試驗工作面概況

現該工作面布置在10煤層，上覆中組煤有72、81、82這三個煤層，與10煤層間距81.2～106 m。1015工作面煤層賦存穩定，平均厚度4.8m，為101采區最后一個塊段;煤層結構簡單，煤層平均傾角11°。由于地質原因，工作面分里外兩段開采，里段走向長80 m，傾向長115 m;外段走向長276m，傾向長225m，開采標高-742.1～-658.1m。

中組煤72、81和82煤層主要依靠地面鉆井和上向攔截鉆孔進行抽采，該區域中組煤瓦數含量13～14m3/t。1015工作面底抽巷最大瓦斯壓力4MPa，10煤層車場最大瓦斯含量8.9974 m3/t，該工作面有突出危險。

2 井上下聯合瓦斯抽采方法

煤礦瓦斯災害的防治是一項系統工程，為了確保煤礦的安全生產，單一的抽采措施已經不能滿足礦井的安全需要，往往需要多種抽采方法的配合使用。[6-9]基于應抽盡抽的理念，采用井上下聯合瓦斯治理措施抽采煤層群瓦斯，1015工作面為保護層工作面，在保護層開采的過程中，還需要抽采中組煤瓦斯。

現將該工作面的瓦斯抽采分為三個目標層次。第一為1015保護層工作面的煤層預抽，其目的是消除煤層的突出危險性;第二為對中組煤（被保護層）進行卸壓瓦斯抽采，消除中組煤的突出危險性;第三為1015工作面開采過程中的瓦斯抽采，確保保護層工作面的安全開采。抽采方法包括穿層鉆孔、順層鉆孔、斜交鉆孔、攔截鉆孔、地面鉆井和埋管抽采等。井上下聯合瓦斯抽采方法見表2所示。

1）底板穿層鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯

從底抽巷向煤巷布置穿層鉆孔，底抽巷距離10煤底板20m，鉆場間距30m，每個鉆場施工6列穿過10煤頂板1m的鉆孔，每列7個鉆孔，終孔間距5×5m，見圖2。直至煤層突出危險性消除以后方可進行采掘工作。

2）底板穿層鉆孔預抽回采工作面煤體瓦斯

底抽巷實測的最大瓦斯壓力為4MP，不符合工作面回采期間施工順層鉆孔的安全要求，因此，為了下一階段的順層鉆孔布置，需要在底抽巷向10煤層施工終孔穿過頂板1m穿層鉆孔，鉆場間距30～50m，鉆孔終孔間距6×6m。

3）順層鉆孔預抽回采工作面煤體瓦斯

經過一段時間穿層孔瓦斯抽采后，待煤層瓦斯壓力降至3MP以下后，開始在1015機巷使用ZDY6500LP鉆機施工順層鉆孔對作面內煤體瓦斯預抽。由于工作面布置較為復雜，分里段和外段兩部分，在里段布置25個100m孔深的鉆孔，外段布置80個210m孔深的鉆孔，鉆孔間距3m，累計施工量為20000m。

2.2 被保護層開采瓦斯治理措施

1）地面井抽采

1015工作面設計施工3口地面瓦斯井，用于抽采中組煤卸壓瓦斯。地面鉆井重點抽采中組煤72、81和82這三個煤層，其中72煤層厚度約2.0m，81煤層厚度約2.5m，82煤層厚度約2.7m。該區域中組煤瓦數含量13～14m3/t。地面井抽采效果見圖7所示。累計抽采半年，瓦斯抽采濃度穩定在80%以上，前兩個月抽采量偏低為10～20m3/min，后四個月瓦斯抽采量提高至40～55 m3/min，累計抽采量為697.88萬m3。

2）定向上向攔截鉆孔抽采

在1015風巷布置一個攔截鉆場和一個高位鉆場，利用大功率ZDY6500LP鉆機施工57個定性上向攔截鉆孔，抽采中組煤卸壓瓦斯，終孔間距30×30m，定向攔截鉆孔后期可作為高位鉆孔利用，大幅提高鉆孔利用率，定向上向攔截鉆孔瓦斯抽采濃度為40～80%，抽采純量穩定在30～60m3/min，累計抽采瓦斯285.32萬m3。

2.3 1015工作面回采期間瓦斯治理

在1015工作面回采過程中，為了確保工作面的安全開采，在繼續采用第一層次中的抽采方法以外，還需要配合其他的瓦斯抽采方法（采空區埋管、斜交鉆孔和定向高位鉆孔）進行瓦斯抽采。其中，主要用于第二層次中抽采中組煤卸壓瓦斯布置的地面鉆井，也能夠抽采保護層工作面瓦斯。

1）采空區埋管抽采

沿工作面的風巷頂板向采空區敷設瓦斯抽采管路，壓茬8m左右埋管，管端距煤層底板至少1m，并對管路采取保護措施。由于工作面布置的復雜性，考慮到工作面里外段的對接，需要鋪設兩趟8吋管路抽采里段工作面采空區瓦斯，第一趟埋設在里段切眼，第二趟埋設在里段工作面距外段切眼20m處。

老塘埋管瓦斯抽采濃度變化較大，主要以低濃度為主，抽采濃度長期穩定在3%～15%之間，抽采純量在5m3/min以下;濃度最高可達20%～40%，此時的抽采純量達10～20m3/min，瓦斯抽采總量為116.36萬m3。

2）斜交鉆孔抽采

在1015工作面風巷布置5組斜交鉆孔，鉆孔間距50m，鉆孔終孔點穿過頂板至少15m，封孔工藝采用“兩堵一注”，用于抽采工作面采空區瓦斯。瓦斯抽采濃度25%～60%，抽采純量10～35 m3/min，瓦斯抽采總量為214.08萬m3/min以下。

3）定向高位鉆孔抽采

利用ZDY6500LP鉆機向1015工作面外段切眼方向施工4個長距離定向高位鉆孔抽采工作面采空區瓦斯，終孔點穿過10煤頂板至少20 m，鉆孔較深，大約300m左右。瓦斯抽采穩定，抽采濃度長期穩定在20%～65%，抽采純量10～40 m3/min，累計抽采瓦斯量184.38萬m3/min。

3 瓦斯抽采效果

3.11015工作面預抽瓦斯治理效果

通過各種瓦斯抽采方法對煤層瓦斯進行預抽，累計抽采1015工作面煤巷條帶瓦斯158.17萬m3，工作面煤體瓦斯114.33萬m3，抽采效果顯著。

通過強化采空區預抽，解決了里外段工作對接期間瓦斯問題。利用提前預埋在里段采空區的2趟8吋管路抽采采空區瓦斯，至工作面對接時，2趟老塘埋管的抽采濃度全部接近于0，實現采空區瓦斯徹底抽干抽凈，保證了工作面安全對接。

區域消突評價通常采用的指標是煤層殘余瓦斯含量和殘余瓦斯壓力。煤巷條帶經抽采后，實測的最大殘余瓦斯含量4.92m3/t，遠小于8m3/t，最大殘余瓦斯壓力0.42MPa，遠小于0.74MPa;工作面煤體經過抽采后，實測的最大殘余瓦斯含量4.21m3/t，遠小于8m3/t，最大殘余瓦斯壓力0.40MPa，遠小于0.74MPa。說明經過瓦斯抽采后，條帶鉆孔控制區域和工作面開采區域已消除突出危險性，可以進行安全作業。

3.2 1015工作面回采期間瓦斯治理效果

1015工作面回風流瓦斯濃度0.3%以下，風排瓦斯控制在5m3/min之下。回采期間未發生瓦斯涌出異常現象。

3.3 中組煤卸壓瓦斯抽采效果分析

被保護層中組煤（72、81和82煤層）主要依靠地面鉆井和上向攔截鉆孔進行抽采，72煤厚度約2.0m，81煤厚度約2.2m，82煤厚度約2.7m，該區域中組煤瓦數含量13～14m3/t。地面井抽采瓦斯697.88萬m3，占總抽采量50%，上向攔截鉆孔抽采瓦斯285.32萬m3，兩者累計抽采瓦斯量為983.2萬m3。根據測定，地面鉆井和上向攔截鉆孔抽采對中組煤抽采效果好，瓦斯抽采量占總抽采量70%，中組煤瓦斯抽采總量為687.9萬m3。根據中組煤卸壓范圍及瓦斯儲量，可反算出通過卸壓抽采，中組煤瓦斯含量可在原來基礎上下降9.5m3/t，得出中組煤殘余瓦斯含量為3.5～4.5m3/t，遠低于8m3/t。說明通過對中組煤的卸壓瓦斯抽采，有效的降低了中組煤的瓦斯含量，消除其突出危險性。

4 結論

1）針對煤層群開采過程中的瓦斯涌出問題，提出了系統性的煤層群開采井上下聯合瓦斯抽采方法，分三個目標抽采層次，從首采層到保護層再到首采層，從下組煤到中組煤再到下組煤，逐步抽采煤層瓦斯。

2）采用井上下聯合瓦斯抽采方法，累計抽采瓦斯超過2200萬m3，煤層殘余瓦斯含量和殘余瓦斯壓力均下降至允許值以下，有效的抽采了本煤層、臨近層和采空區的瓦斯，工作面的瓦斯濃度明顯降低，工作面環境改善，回風流瓦斯濃度在0.3%以下，實現了首采層10煤層和中組煤的安全開采和消除突出危險性的目的。

參考文獻

[1]俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州：中國礦業大學出版社，2012.

[2]于不凡.煤礦瓦斯災害防治及利用技術手冊[M].北京：煤炭工業出版社，2005.

[3]程遠平，付建華，俞啟香.中國煤礦瓦斯抽采技術的發展[J].徐州：采礦與安全工程學報，2009，26（2）：127-139.

[4]程遠平，俞啟香.中國煤礦瓦斯抽采技術的發展[J].徐州：采礦與安全工程學報，2007，24（4）：383-390.

[5]陳偉，王來斌.袁店一礦10煤底板破壞特征分析[J].山東工業技術，2016（21）：122-123.

[6]袁亮.松軟低透煤層群瓦斯抽采理論與技術[M].北京：煤炭工業出版社，2005.

[7]周德昶.地面鉆井抽采瓦斯技術的發展方向[J].中國煤層氣.1995.2.

[8]梁運培.淮南礦區地面鉆井抽采瓦斯技術實踐[J].徐州：采礦與安全工程學報，2007.1.

[9]俞啟香，王凱，楊勝強.中國采煤工作面瓦斯涌出規律及其控制研究[J].徐州：中國礦業大學學報，2000，29（1）：9-14.