保護層開采條件下卸壓瓦斯治理技術實踐

白振華,高 品,姬 東

(陜西陜煤韓城礦業有限公司下峪口煤礦,陜西 渭南 715400)

0 引言

近年來,隨著我國淺部煤礦資源逐漸減少,全國煤炭開采正以每年10～20 m的速度向深部延深[1]。在深部開采中地應力高、瓦斯壓力大、構造應力場復雜,這些都將會增加煤與瓦斯突出事故發生的可能性,極易引發重大事故,影響煤礦安全生產[2-5]。

在眾多區域防突措施中,保護層開采是最有效的區域防突措施,通過提高煤層滲透率,從而大幅度提高保護層開采的效果。在開采過程中,被保護層發生破壞,進而破壞原巖應力平衡,使巖層產生大量裂隙,被保護層得到卸壓。秦汝祥、徐剛等[6-7]采用數值模擬和現場考察方法分析被保護層的應力和形變,確定了上保護層和下保護層的卸壓保護范圍。程詳等[8]運用數值試驗方法討論了將軟巖作為保護層開采的效果,并提出了卸壓瓦斯綜合治理方案。文虎等[9]采用現場試驗方法實測被保護層力學特征及瓦斯賦存特征,得出了保護層開采的卸壓范圍。FANG等[10]通過物理模擬研究了不同傾角下,保護層開采的保護范圍。郭懷廣[11]采用數值模擬和現場考察的方法,研究了保護層開采區域防突效果的時空分布特征。因此,保護層開采結合卸壓瓦斯治理對于解決工作面瓦斯超限具有重要意義[12]。

針對陜西陜煤韓城礦業有限公司下峪口煤礦地質條件,就保護層開采條件下卸壓瓦斯治理進行研究。通過對工作面瓦斯涌出預測及分析瓦斯來源,確定合理的瓦斯抽采方案,結合瓦斯治理現場考察,進而確定卸壓瓦斯抽采效果,以保障礦井安全高效生產。

1 工程概況

下峪口煤礦是煤與瓦斯突出礦井,礦井設計生產能力為1.5 Mt/a,礦井開拓方式采用平硐-暗斜井-立井多水平聯合開拓方式,原設計3個開采水平+437 m、+300 m、+160 m。目前該礦一水平已開采完畢,主要生產水平為+300 m水平。礦井主采煤層2號、3號煤層,以2號煤層作為3號煤層保護層開采。2號煤層賦存較為穩定,煤層平均厚度為0.3～1.7 m,2號煤層距離下伏3號煤層平均距離7.6～29.0 m。2號煤層傾角2°～5°,煤層平均傾角4°,屬于近水平煤層。

考察工作面為4216工作面,作為保護層,工作面柱狀圖如圖1所示。工作面長度623.7 m,可采長度503.9 m,切眼寬169 m,距離下部3號煤層7.6～13.2 m,平均煤厚0.97 m,采用傾斜長壁采煤法,采空區采用全部垮落法管理頂板,采用Y型通風方式,瓦斯含量8.00～11.00 m3/t,被保護層為21326工作面,平均煤厚6.2 m,瓦斯含量7.4～11.81 m3/t,被保護層工作面賦存穩定,煤體結構簡單。

圖1 4216工作面煤層柱狀圖Fig.1 Coal seam histogram of 4216 working face

2 上保護層瓦斯涌出量預測

回采工作面瓦斯涌出來源于煤壁、采落煤炭以及采空區,其中煤壁和采落煤炭瓦斯涌出屬于本煤層瓦斯涌出,采空區瓦斯主要來自于鄰近煤層和圍巖。本煤層(煤壁和采落煤炭)瓦斯涌出強度與煤的暴露時間呈負指數關系,即工作面瓦斯涌出強度隨時間呈現負指數衰減,對此選用何種采煤工藝是工作面瓦斯治理能否取得成效的關鍵。查閱相關資料可知,工作面瓦斯治理的關鍵是鄰近層瓦斯治理,具體來說是受鄰近層的賦存規律、原始瓦斯含量、巖石性質以及本煤層和鄰近層之間的相對位置關系等影響[13-14]。根據AQ1018—2006《礦井瓦斯涌出量預測方法》5.1.3及附錄B的規定[15],預測下峪口煤礦上保護層4216工作面瓦斯涌出量為

q采=q1+q2

(1)

(2)

(3)

式中,q1為開采層相對瓦斯涌出量,m3/t;q2為鄰近層相對瓦斯涌出量,m3/t;K1為圍巖瓦斯涌出系數,取值為1.3;K2為丟煤瓦斯涌出系數;K3為準備巷道預排的瓦斯對開采層瓦斯涌出影響系數;m為開采層厚度,m;M為采面高度,m;W0為原始瓦斯含量,m3/t;Wc為煤層殘余瓦斯含量,m3/t;ηi為鄰近層瓦斯排放率,%。

利用式(1)(2)(3)對4216工作面進行瓦斯涌出量預測,結果見表1。可以看出,保護層工作面瓦斯相對涌出量為55.35 m3/t,按照工作面每天生產煤炭600 t,絕對瓦斯涌出量為23.07 m3/min,其中本煤層瓦斯涌出量5.51 m3/t,占總涌出量的24%,下伏3號煤層瓦斯涌出量占總瓦斯涌出量的60%。因此,要實現保護層的高效安全回采,同時在被保護層回采期間解決瓦斯治理難題,就必須在保護層回采過程中對下伏3號煤層瓦斯進行卸壓瓦斯治理。

表1 4216工作面瓦斯涌出量預測計算表Table 1 Gas emission prediction calculation of 4216 working face

3 被保護層卸壓瓦斯治理方案設計

3.1 上保護層卸壓瓦斯抽采設計

下峪口煤礦目前主要開采2號、3號煤層,為解決被保護層工作面開采過程中工作面、上隅角等瓦斯濃度超限的難題,實現3號煤層安全高效開采。根據煤層賦存,下峪口煤礦設計采用在2號煤層采煤工作面回采巷道利用沿空充填留巷施工下向鉆孔抽采3號煤層卸壓瓦斯方案[16]。鑒于試驗區2號、3號煤層間距較小(一般7.6～25 m),2號煤層采用沿空充填留巷開采,3號煤層底板未布置底板巖巷;開采保護層2號煤層的同時,為提高被保護層的保護效果,利用保護層沿空留巷施工下向穿層鉆孔抽采3號煤層卸壓瓦斯和采空區埋管抽采上隅角高濃度瓦斯,防止卸壓瓦斯涌入2號煤層采煤工作面采空區造成瓦斯超限。另外,由于保護層工作面沿空留巷采空區底板變形較嚴重,下向穿層鉆孔封孔變形破壞較嚴重,造成穿層鉆孔有效抽采卸壓瓦斯時間較短,抽采效果很差,故被保護層保護區內3號煤層設計采用順層鉆孔預抽及邊采邊抽的瓦斯綜合防治措施,即被保護3號煤層采取穿層及順層鉆孔綜合抽采方法。

下峪口煤礦4216工作面底板卸壓瓦斯抽采鉆孔設計在4216進風順槽施工,距工作面切眼5 m開始布置第1組,每組5個鉆孔,組內各孔之間開孔點間距1 m,鉆孔穿3號煤層底板,設計終孔間距為30 m,4216進風順槽共設計底板卸壓鉆孔27組,每組間距15 m,共設計135個鉆孔。鉆孔首次聯孔抽采為4組(即抽采60 m范圍的底板卸壓瓦斯)。為了提高封孔成功率,底板卸壓鉆孔采用水泥砂漿結合U型膨脹劑進行封堵,每組鉆孔封孔的深度不小于10 m。4216工作面底板卸壓抽采鉆孔設計示意如圖2、圖3所示,鉆孔設計參數見表2。

表2 4216工作面底板卸壓抽采鉆孔參數Table 2 Drilling parameters of floor pressure relief extraction on 4216 working face

圖2 4216進順穿層卸壓鉆孔布置平面Fig.2 Layout plan of 4216 air-inlet roadway through layer pressure relief boreholes

圖3 鉆孔布置剖面示意Fig.3 Profile diagram of borehole layout

3.2 被保護層瓦斯涌出治理設計

通過保護層2號煤層開采同時結合穿層鉆孔卸壓抽采后,3號煤層瓦斯含量一般能降低至低瓦斯狀態。由于2號煤層底板穿層預抽鉆孔可能因采煤工作面開采破壞煤巖體造成封孔段漏氣、煤孔段塌實,對卸壓抽采效果有一定影響,但鉆孔施工、封孔、抽采等管理到位,3號煤層被保護層掘進工作面瓦斯涌出通風基本能解決問題;3號煤層工作面回采過程中,預計主要為本煤層瓦斯涌出,工作面回采過程中瓦斯涌出有可能仍較大。

通過上保護層開采結合穿層鉆孔抽采卸壓瓦斯達到消除3號煤層突出危險性和抽采達標的目標。為了進一步降低被保護層工作面回采過程中的瓦斯涌出,回采工作面采用順層鉆孔邊采邊抽,以防3號煤層回采時工作面后方采空區積聚瓦斯致使隅角瓦斯超限。

針對采空區瓦斯抽采問題,通過采用采空區鋪設埋管的方式進行抽放,具體步驟是在采空區密封墻間隔20 m鋪設一根200 mm的埋管,將埋管口外漏在采空區,當上隅角瓦斯濃度未超限時,對埋管進行封閉;當上隅角瓦斯濃度超限時,埋管接入抽放管對瓦斯進行抽放。4216工作面回采過程中,工作面推進至埋管口處時,并且埋管口埋在采空區3～5 m時,接入下一循環埋管口閥門,如此循環,當工作面回采結束時,封閉巷道,與此同時繼續利用抽采系統對采空區進行抽采,直到采區回采完畢,4216工作面回采過程中,采空區埋管設計如圖4所示。

圖4 采空區埋管布置平面示意Fig.4 Layout plan of buried pipe in goaf

4 瓦斯治理效果考察

4.1 4216工作面卸壓瓦斯治理考察

由表1可知,上保護層4216工作面回采過程中,瓦斯主要來源于下伏煤層。因此4216工作面在回采期間要實現安全高效的回采就必須對下伏3號煤層瓦斯進行治理,將本煤層鉆孔、卸壓鉆孔及采空區埋管結合共同抽采,通過考察4216工作面回風系統及工作面的瓦斯濃度是否超限來驗證4216工作面卸壓抽采效果,如圖5所示。通過收集4216工作面回采期間瓦斯濃度可知,工作面濃度始終維持在0.15%～0.43%之間,回風流瓦斯濃度始終維持在0.14%～0.65%之間,工作面回采期間未發生濃度超限現象,證明瓦斯治理方案有效且可行。

圖5 4216工作面回采期間瓦斯濃度變化曲線Fig.5 Change curve of gas concentration during mining of 4216 working face

4.2 21326工作面瓦斯治理考察

4.2.1 上保護層卸壓瓦斯時空考察

考察4216工作面進風巷穿層卸壓鉆孔隨工作面推進的情況時,選擇其中具有代表性的第16組鉆場進行卸壓效果時空觀測,當工作面推進至第16組、第8組鉆孔附近時分別對各組接入抽采計量裝置,開始觀察鉆孔瓦斯體積分數變化,如圖6、圖7所示。

圖6 第16組鉆孔卸壓瓦斯抽采效果與保護層工作面推進關系曲線Fig.6 Relations curve of pressure relief gas extraction effect of group 16 boreholes and advancing of protective layer working face

圖7 第8組鉆孔卸壓瓦斯抽采效果與保護層工作面推進關系曲線Fig.7 Relations curve of pressure relief gas extraction effect of group 8 boreholes and advancing of protective layer working face

可以看到當工作面推進至距離鉆孔15 m范圍時,瓦斯抽采體積分數始終維持在10%以下,瓦斯抽采量始終維持在0.2 m3/min以下,說明下伏煤層沒有經過充分卸壓,當工作面推進超過15～35 m時,瓦斯抽采體積分數與抽采量開始急劇上升,最大抽采體積分數達到47%,抽采量達到1.22 m3/min,抽采體積分數與抽采量都較之前提高了約10倍;瓦斯抽采曲線總體上符合3號煤層膨脹變形規律,即壓縮區-卸膨脹區-壓縮區的變化特點。

4.2.2 被保護層開采卸壓效果考察

對被保護層開采卸壓效果考察,通過將被保護3號煤層21326工作面運輸巷與工作面回風巷設置在卸壓保護范圍內,并且在工作面兩順槽內施工兩排順層鉆孔預抽煤層回采區域瓦斯,用來消除被保護層突出風險,順層鉆孔間排距為0.8 m,下排鉆孔距煤層底板0.8 m,鉆孔直徑φ86 mm,孔間距4 m,孔深75 m,順層抽采鉆孔封孔深度不小于8 m,如圖8所示。

圖8 21326工作面順層鉆孔布置Fig.8 Layout of along-the-layer boreholes on 21326 working face

根據《防治煤與瓦斯突出規定》,通過在21326工作面布置23組殘余瓦斯含量測試鉆孔,實測被保護層工作面3號煤層殘余瓦斯含量均小于8 m3/t,滿足《防治煤與瓦斯突出規定》的要求,且檢驗期間未發生噴孔、頂鉆等突出預兆。被保護層21326工作面回采巷道掘進局部預測,其中鉆屑瓦斯解吸指標最大值、鉆屑量最大值均小于《防治煤與瓦斯突出規定》參考臨界值,且掘進過程無異常突出預兆等動力現象,綜合分析說明通過該瓦斯治理方案保證了被保護層開采卸壓有效。

5 結論

(1)通過對上保護層4216瓦斯涌出量預測,得出下伏3號煤層瓦斯涌出量占總瓦斯涌出量的60%,因此有必要針對下伏3號煤層瓦斯進行卸壓瓦斯治理。

(2)由于2號煤層與3號煤層間距較小,為了提高保護層開采效果,采取底板卸壓鉆孔、本煤層鉆孔以及采空區瓦斯抽放鉆孔連管共同抽放瓦斯治理方案。

(3)對工作面推進后卸壓鉆孔抽采量進行觀測,得出卸壓開采保護層后卸壓的最佳范圍為15～35 m。

(4)通過上保護層卸壓瓦斯時空考察以及被保護層開采卸壓效果考察等綜合分析,得出穿層鉆孔抽放卸壓瓦斯、采用采空區埋管抽放瓦斯、順層鉆孔預抽、邊抽邊采等綜合瓦斯治理方案有效可行。