高瓦斯近距离煤层开采“四位一体”瓦斯联抽治理体系研究

时间：2024-07-28

文建东张建江

（甘肃靖远煤电集团魏家地煤矿）

关于近距离保护层开采瓦斯涌出规律与高效抽采，国内外学者对采场围岩力学特征［1-2］、采动裂隙演化特征［3］、含瓦斯煤渗透特性及卸压瓦斯抽采技术［4-5］等方面进行了大量的研究工作，并取得了有益的研究成果。近年来又有学者结合煤矿开采的实际情况，对工作面采动工程中含裂隙岩体的气固耦合方面进行了研究，该方向作为多学科交叉的方向已经成为发展趋势。虽然有些学者［6-7］对采动应力、覆岩裂隙与瓦斯的关系进行了研究，并取得了较有影响的成果，如“O”形圈、“椭剖带”等，然而近距离煤层群开采条件下采动应力场、裂隙场以及瓦斯渗流场“三场”之间的相互作用关系尚未形成统一认识。

随着煤炭资源的获取逐渐进入深部环境，高瓦斯煤层群开采的工况逐渐增多，而当煤层间的间距小于10 m 时，一般称之为近距离煤层。此类煤层的首采层在开采过程中面临的主要问题是受临近层卸压瓦斯释放造成的采掘防突、瓦斯浓度超限等安全隐患较大。解决此类瓦斯问题行之有效的措施是改善供风和高效的瓦斯抽采，改善通风属于瓦斯治理中的“疏”，而想从根本上解决近距离煤层开采造成瓦斯治理问题，掌握卸压煤层瓦斯涌出规律与建立高效科学的瓦斯抽采技术体系是关键。

本文以甘肃靖远煤电集团魏家地煤矿为工程背景，对近距离煤层瓦斯治理方式进行了系统探索，提出了高瓦斯近距离煤层开采“四位一体”瓦斯联抽治理体系，旨在从根本上解决近距离煤层开采造成的多煤层瓦斯治理难题。

1 工程背景及治理思路

1.1 工程背景及难点

图1为魏家地煤矿地理位置及局部钻孔柱状图，魏家地煤矿北一采区一煤层与二煤层平均间距为11.7 m，一煤层（北1103工作面）的开采自动充当了二煤层的保护层。并且，二煤层完全位于一煤层开采形成的底臌裂隙带（15～25 m）范围内［8-9］，该范围内的煤岩层受到保护层采动影响较大，裂隙发育充分，主要为岩层破断后垂直、斜交层理形成的穿层裂隙。因此，一煤层回采期间，由于采动卸压作用二煤层的卸压瓦斯大量涌入一煤层回采工作面及其采空区，极大地增大了回采工作面瓦斯治理的难度，同时也是工作面回采过程中最大的安全隐患。

1.2 “四位一体”时空协调瓦斯高效抽采技术思路

根据上述魏家地煤矿北1103 工作面现状及存在的问题，有针对性地提出“四位一体”时空协调瓦斯高效抽采技术，共包含4 个主要部分。其一，通过在一煤层通防巷布设钻场，向二煤层布置下行倾斜钻孔全面抽采位于工作面后方二煤层高效卸压区内瓦斯，该措施的优点在于施工快、见效快，成本低。其二，在一煤层回风巷、通防巷施工定向拦截钻孔，并全面覆盖二煤层有效卸压范围，该措施的优点在于可以全面抽采二煤层的卸压瓦斯，从根本上解决有临近层卸压瓦斯造成的瓦斯治理问题。其三，于一煤层回风巷设置高位定向钻孔，旨在抽采上述2项抽采未到位从而涌入一煤层采空区的瓦斯、一煤层工作面漏风带入瓦斯以及采空区遗煤解吸释放瓦斯。其四，在魏家地煤矿现有地面瓦斯抽采设施、设备的基础上，通过上述研究结果对其进行针对性优化，旨在解决抽采采空区残余和辅助抽采一煤层、二煤层瓦斯。

2 布孔原理及方案

2.1 通防巷下行钻孔布设方案

实施通防巷下行钻孔周期短，可较快发挥治理作用。整个煤层倾角为12°，一、二煤层间距5～13 m，平均11.7 m，现工作面开采至310 m 处，于380 m 处布置钻场进行通防巷钻孔施工，后续钻场依次间距10 m布置。整体布设方案如图2、图3所示。

上帮1 号钻场于390 m 进行施工，钻孔水平方向靠近回风侧偏斜，偏斜角度为35.8°，竖直方向上，钻孔向上偏斜，偏斜角度为3.4°，原理如图2 所示。钻孔端头位于采空区内部远离工作面30 m 处，累计钻进距离127 m；由于二煤层倾向存在角度，为使钻孔有效抽采区域更广，施工2 号钻场时，水平方向偏斜角度减小1.8°，调整为34°，钻孔向上偏斜角度减小0.4°，调整为3°，原理如图3所示。累计钻进距离减小1 m，调整为126 m；同理，布置后续钻孔时均在前钻孔偏斜角度基础上进行微调，水平方向减小1.8°，竖直方向减小0.4°，钻进距离减小1 m，钻孔端头处间距为5 m，钻孔数量随现场实际抽采情况进行调整，数量越多，拦截效果越好。

2.2 定向钻孔布设方案

为了更好地布设定向拦截钻孔，首先结合魏家地煤矿地质资料，利用FLAC3D建立如图4所示数值模型，得出北1103 工作面开采对其下伏二煤层的卸压范围以及卸压角，如图5、图6和表1所示。

图7 为定向拦截钻孔布设示意图，分别于北1103工作面回风巷、通防巷上帮和通防巷下帮设置3个钻场，钻场设计距工作面停采线75 m，具体可根据现场施工情况调整。其中1 号钻场位于北1103 工作面回风巷，共设置3个钻孔，钻孔整体内错30 m，钻孔间距10 m。2号钻场位于北1103工作面通防巷上帮，共设置3个钻孔，钻孔整体内错30 m，钻孔间距10 m。3 号钻场位于北1103 工作面通防巷下帮，共设置10个钻孔，钻孔间距10 m。钻孔于二煤层整体运动轨迹设计如图7（b）所示，为充分抽采二煤层卸压瓦斯，钻孔轨迹垂向位于二煤层顶板下方2 m处。

2.3 高位定向布设方案

经过布设上述下行钻孔和定向拦截钻孔后，下伏被煤层瓦斯以及采空区内瓦斯已得到有效治理，邻近层瓦斯涌出问题基本解决70%～80%，考虑到工作面瓦斯涌出另一源项为采空区遗煤瓦斯，若采取上述治理措施后，受瓦斯升浮作用影响，还有采空区瓦斯聚积于采空区上部。为解决该处瓦斯隐患，采取布设高位定向钻孔抽采方案，精准抽采采空区上部堆积瓦斯。通过经验公式［10-11］计算得出北1103 工作面开采过后上覆岩层垮落“两带”范围：垮落带高度为40.8～50.22 m，裂隙带高度为118.67～139.51 m。

根据高位钻场的布设原则，钻孔须有效地布设于工作面采空区上覆岩层裂隙带内，因此，设计高位定向钻孔距离一煤层顶板垂距为60 m。整体钻孔布设如图8 所示。共计布设6 个高位钻场，钻场间距设置为100 m，其中1号钻场位于工作面后方50 m，每个钻场内共布设5个钻孔，钻孔间距设为6 m，钻孔垂向距离距一煤层顶板60 m，保证钻孔位于采空区上覆岩层裂隙带内。

2.4 地面钻井布设方案

依据图4模型计算可知，采空区靠近回风巷一侧32 m 范围为高效卸压区，有效卸压区于工作面走向范围为63 m，该范围内煤岩体压力得到有效释放，地面钻井终孔位置应位于该区域内，地面钻井靠近采空区回风巷一侧距离应为25～30 m。

3 效果验证

为了验证魏家地煤矿北1103 工作面采取上述“四位一体”卸压瓦斯抽采关键技术的应用效果，选取低位定向拦截钻孔、高位定向钻孔、地面抽采钻孔的抽采瓦斯纯量以及治理前后风排瓦斯量占比，作为治理效果考核依据，结果如图9所示。

由具体数据可知：①低位定向拦截钻孔抽采瓦斯纯量在7.43～8.63 m3/min，平均8.13 m3/min，说明低位定向拦截钻孔能有效全面地抽采二煤层的卸压瓦斯；②高位定向钻孔和地面钻孔瓦斯纯量分别在0.73～1.24 m3/min 和1.03～1.26 m3/min，说明其起到了很好的辅助抽采采空区瓦斯的作用；③风排瓦斯占比由治理前的平均41%下降到了26%，风排瓦斯占比明显减小。综合说明了“四位一体”瓦斯抽采关键技术的科学性与实用性。