復(fù)合采空區(qū)缷壓瓦斯抽采技術(shù)研究

劉文靜，楊 琛，賀斌雷，霍小泉，王新堂，趙玉桃，梁少劍，蔣上榮，李 剛

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710054；2.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，西安 710070;3.陜煤銅川礦業(yè)有限公司，陜西 銅川 727000)

隨著淺部煤炭資源集約化開(kāi)采，國(guó)內(nèi)外礦山相繼進(jìn)入深部階段，深部開(kāi)采成為煤炭資源開(kāi)發(fā)中的常態(tài)[1-2]，進(jìn)入深部開(kāi)采后，高瓦斯、突出危險(xiǎn)區(qū)域煤層瓦斯治理問(wèn)題仍然是困擾我國(guó)礦井安全、高效開(kāi)采的難題[3-5]，煤層群開(kāi)采條件下煤與瓦斯共采過(guò)程中，煤或巖層的采出使得覆巖結(jié)構(gòu)形成典型的“上三帶”結(jié)構(gòu)，即冒落帶、裂隙帶及彎曲下沉帶(后文中的“兩帶”指冒落帶和裂隙帶)。煤巖體裂隙是流體運(yùn)移、滲透的主要通道，影響著瓦斯氣體的聚集和運(yùn)移[5-6]，掌握覆巖裂隙演化規(guī)律和準(zhǔn)確地劃分覆巖“兩帶”是上、下鄰近層卸壓瓦斯治理及優(yōu)化抽采方法的基礎(chǔ)。因此，研究煤或巖層開(kāi)采引起覆巖“兩帶”發(fā)育高度，是確保煤層安全采煤的關(guān)鍵，在生產(chǎn)實(shí)踐中具有重要的意義[7-10]。

隨著開(kāi)采深度的增加，煤層賦存條件越來(lái)越復(fù)雜，煤層群、近距離煤層以及極近距離煤層越來(lái)越多，應(yīng)用傳統(tǒng)的單一煤層開(kāi)采及瓦斯治理理論很難解決瓦斯災(zāi)害問(wèn)題，需要對(duì)近距離煤層群及本文研究的在上煤層開(kāi)采條件下，近距離下煤層采動(dòng)覆巖缷壓瓦斯的高效治理；汪東生[11]采用Fluent軟件模擬得出瓦斯抽采鉆孔中的流動(dòng)特性；潘立友[12-13]建立了高瓦斯工作面巷道掘進(jìn)期間和工作面推采期間的瓦斯立體抽放巷模型；但是應(yīng)對(duì)近距離煤層，在上煤層開(kāi)采條件下，開(kāi)采下煤層時(shí)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行了二次缷壓，導(dǎo)致瓦斯涌出量偏大，缷壓瓦斯集聚，該方面瓦斯治理問(wèn)題方面研究甚少。因此本文針對(duì)煤礦開(kāi)采現(xiàn)實(shí)需求創(chuàng)新性地提出了缷壓瓦斯治理措施。

要高效徹底的治理缷壓瓦斯，需要研究采動(dòng)覆巖破斷、運(yùn)移規(guī)律。李樹(shù)清等[14]采用相似材料模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)二次卸壓的采動(dòng)覆巖變化形態(tài)進(jìn)行研究，得出趨于閉合的“壓實(shí)區(qū)”和趨于張開(kāi)的“裂隙區(qū)”；伍永平[15]等研究大傾角近距離煤層采場(chǎng)的覆巖運(yùn)移及頂板破壞特征。黃慶享[16]等得出煤層群下煤層采場(chǎng)上覆巖層裂隙二次擴(kuò)展；提出了研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于已采工作面的上覆巖層，無(wú)論是下行煤層開(kāi)采還是上行煤層開(kāi)采，都會(huì)對(duì)其缷壓，覆巖會(huì)進(jìn)行二次演化發(fā)育，會(huì)形成復(fù)合采空區(qū)。

應(yīng)對(duì)近距離煤層群保護(hù)層開(kāi)采的研究已有相當(dāng)多的研究理論成果，但是應(yīng)對(duì)在上煤層開(kāi)采條件下，近距離下煤層開(kāi)采時(shí)缷壓瓦斯治理方面研究甚少，本文考慮到在上煤層開(kāi)采后大幅度缷壓，對(duì)下煤層缷壓充分，煤層游離瓦斯充分解析，這樣就造成工作面瓦斯大量涌出，上隅角瓦斯極易瓦斯超限，嚴(yán)重影響工作面正常的安全高效回采。本文提出了一種應(yīng)對(duì)此問(wèn)題的解決方法。

1 現(xiàn)場(chǎng)情況

1.1 工作面概況

下石節(jié)煤礦歷年鑒定為高瓦斯礦井，222工作面井下位于+950 m水平下階段，暗井筒西部，淺部距220工作面運(yùn)順約75 m，深部為4-2#煤層未準(zhǔn)備區(qū)。222工作面垂直上方為2301工作面采空區(qū)，煤層間距(3.7～38.4)m，222工作面煤厚(7.4～13.1)m，平均厚度10.5 m；工作面兩側(cè)巷道內(nèi)錯(cuò)與2301已采面，在回風(fēng)順槽有70 m煤柱，運(yùn)輸順槽側(cè)煤柱寬度30 m.

1.2 瓦斯含量測(cè)定

為了準(zhǔn)確測(cè)定工作面瓦斯賦存狀態(tài)，在剩余段回采工作面回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷內(nèi)，每隔一定距離分別鉆孔取樣測(cè)定瓦斯含量，共計(jì)取樣28個(gè)。其中回風(fēng)巷取樣21個(gè)，取樣鉆孔之間的間距為20 m；運(yùn)輸巷取樣7個(gè)，取樣鉆孔之間間距為50 m，取樣鉆孔參數(shù)如表1所示。

表1 工作面取樣鉆孔施工參數(shù)表

通過(guò)瓦斯測(cè)定，準(zhǔn)確掌握了工作面瓦斯賦存情況：煤層最大瓦斯含量5.4 m3/t，最小含量3 m3/t，平均值4.2 m3/t，最大瓦斯解吸量2.7 m3/t，最小量 0.69 m3/t，平均值 1.695 m3/t，有關(guān)測(cè)定數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 工作面沿走向瓦斯含量分布情況Fig.1 Distribution of gas content along strike of working face

2 上煤層開(kāi)采條件下近距離下煤層采動(dòng)覆巖裂隙演化

2.1 裂隙帶演化高度理論計(jì)算

(1)垮落帶高度計(jì)算

222面煤層頂板多為深灰-灰黑色粉砂巖，薄層狀，含植物化石，偶夾煤線及炭質(zhì)泥巖薄層，局部為砂質(zhì)泥巖及泥巖，巖石抗壓強(qiáng)度小于40 MPa.且上覆巖層已經(jīng)歷過(guò)缷壓，所裂隙帶和冒落帶高度Hm和Hc計(jì)算如下

計(jì)算結(jié)果為垮落帶高度為60.8 m.

(2)裂隙帶高度計(jì)算

式中：h為采高，m；km為冒落頂煤碎脹系數(shù)，取1.25，M為累計(jì)采高，m；α為煤層平均傾角，取值5.由上公式可以計(jì)算出222工作面采空區(qū)冒落帶高度為60.8 m左右；裂隙帶高度為：(148.34～169.21)m.通過(guò)以上公式計(jì)算，根據(jù)工作面頂板垮落“O”型圈原理，考慮鉆孔投影平距的影響，鉆孔平面投影距離內(nèi)錯(cuò)工作面風(fēng)巷(15～45)m，由采動(dòng)裂隙場(chǎng)瓦斯運(yùn)移規(guī)律確定的瓦斯富集區(qū)，以及根據(jù)鉆機(jī)爬升高度和施工能力，鉆孔終孔位置在距離煤層頂板垂高(采高的7～8倍范圍內(nèi))106～120范圍內(nèi)時(shí)抽采效率高，濃度高。

2.2 采動(dòng)覆巖破壞特征相似模擬實(shí)驗(yàn)研究

在上煤層開(kāi)采后，下煤煤層工作面切眼布置在內(nèi)錯(cuò)于上煤層切眼，開(kāi)挖5 m作為開(kāi)切眼。試驗(yàn)過(guò)程中下煤層工作面按恒定的開(kāi)挖速度向前推進(jìn)。圖3給出了近距離下煤層開(kāi)采過(guò)程中覆巖運(yùn)移及裂隙發(fā)育情況。

圖2 近距離煤層層位分布Fig.2 Distribution of coal seams in close range

圖3 近距離下煤層開(kāi)采覆巖破壞特征Fig.3 Overlying rock failure characteristics of coal seam mining at close range

工作面回采11 m時(shí)，直接頂上覆巖層出現(xiàn)離層，并在頂板第一巖層有豎向微裂隙。上覆巖層裂隙間隙擴(kuò)大；回采至25 m時(shí)，直接頂初次垮落。工作面推進(jìn)到29 m過(guò)程中，基本頂下沉值增大，豎向破斷裂隙發(fā)育，基巖層出現(xiàn)離層；回采至29 m后，基本頂破斷，基本頂?shù)某醮蝸?lái)壓，基巖離層明顯增大?；夭芍?4 m時(shí)，兩層煤夾層間距平均為21.76 m，受采動(dòng)影響，裂隙演化發(fā)育至上煤層底板，將下煤層與上煤層相互貫通，上層煤與下煤之間的巖層支撐著上覆巖層的全部重量，隨著下工作面回采，在上覆巖層的壓力及自身重力的作用下，中間巖層逐漸彎曲下沉最終出現(xiàn)斷裂，引起上部采空區(qū)的巖層整體移動(dòng)，上煤層開(kāi)采后，下層煤層實(shí)行重復(fù)采動(dòng)，對(duì)整個(gè)采場(chǎng)覆巖進(jìn)行二次卸壓。

上覆巖層已導(dǎo)致各巖層的原始狀態(tài)遭到破壞，巖層強(qiáng)度減弱，上煤層開(kāi)采后整個(gè)巖層變“軟”了，上煤層開(kāi)采后，裂隙發(fā)育高度為66 m.下煤層放頂煤開(kāi)采時(shí)，當(dāng)上下兩層煤中間的巖層斷裂后，采高增加，采出空間增大，上層煤開(kāi)采時(shí)的直接頂再次垮落后，碎脹系數(shù)較小，難以充滿(mǎn)采出空間，導(dǎo)致冒落帶高度增加，采場(chǎng)整個(gè)覆巖裂隙發(fā)育高度為148 m，增加了82 m.與理論計(jì)算基本吻合，最終形成復(fù)合采空區(qū)，因此隨著下煤層的采動(dòng)，夾層巖層出現(xiàn)破斷，與上采空區(qū)之間裂隙貫通，在礦井中，由于上煤層開(kāi)采后要封閉采場(chǎng)，采空區(qū)遺煤會(huì)解析大量游離瓦斯，游離瓦斯集聚形成高濃瓦斯，在下煤層裂隙貫通后，會(huì)由于濃度差，使瓦斯?jié)B流到下煤層正采工作面，造成工作面瓦斯超限。

3 上煤層開(kāi)采條件下近距離下煤層缷壓瓦斯抽采技術(shù)

3.1 下煤層采動(dòng)過(guò)程中底板應(yīng)力變化規(guī)律

由圖4可看出，在中間巖層未斷裂之前，變現(xiàn)出一下規(guī)律：1)在底板應(yīng)力有3個(gè)應(yīng)力集中點(diǎn)，分別位于兩側(cè)煤柱和工作面前方；2)隨工作面回采采空區(qū)應(yīng)力逐漸降低；3)隨工作面回采兩側(cè)應(yīng)力逐漸升高。從開(kāi)采后應(yīng)力分布情況可知，雙重卸壓開(kāi)采導(dǎo)致采空區(qū)上、下方煤巖體應(yīng)力進(jìn)一步降低；常規(guī)情況下，采空區(qū)四周煤巖體應(yīng)力會(huì)進(jìn)一步升高，兩側(cè)煤柱為應(yīng)力影響區(qū)，但是該222面回風(fēng)順槽側(cè)煤柱寬度大約為70 m，運(yùn)輸順槽側(cè)煤柱寬度大約為30 m.圖4a所示，兩側(cè)煤柱應(yīng)力峰值位置在煤柱10 m以?xún)?nèi)，由于回風(fēng)順槽側(cè)煤柱寬度足夠?qū)?，而且由于上覆煤?301工作面已采，因此222工作面及兩條順槽均位于上方3-2#煤層開(kāi)采后形成的卸壓區(qū)內(nèi)，整個(gè)工作面的應(yīng)力環(huán)境均處于應(yīng)力降低區(qū)，其動(dòng)壓危險(xiǎn)程度也大幅降低，受應(yīng)力影響較小。

圖4 不同狀態(tài)下底板應(yīng)力分布規(guī)律Fig.4 The stress distribution law of the bottom plate under different conditions

且雙重卸壓開(kāi)采促使煤巖體進(jìn)一步卸壓，覆巖在采動(dòng)影響下，冒落帶覆巖破斷、運(yùn)移破壞嚴(yán)重，裂隙帶覆巖裂隙充分發(fā)育，豎向破斷裂隙和層間裂隙相互貫通，于此同時(shí)，煤體缷壓，大量游離瓦斯解析、升浮，在回采之后，覆巖相當(dāng)于高度發(fā)育的裂隙體，這些游離瓦斯就會(huì)集聚到裂隙體中，最終形成高濃瓦斯富集區(qū)，嚴(yán)重威脅礦工生命安全，阻止工作面正?；夭?。因此，本文提出的在煤柱里面開(kāi)設(shè)鉆場(chǎng)，施工缷壓瓦斯抽采定向鉆孔時(shí)可行的。

應(yīng)對(duì)上行煤層已采對(duì)下行煤層缷壓，且兩者之間夾層平均厚度為30 m，最低處為3 m.如果在治理瓦斯方面仍采用頂板走向孔抽采瓦斯抽采缷壓瓦斯和采用埋管管理上隅角瓦斯是解決不了工作面在采動(dòng)過(guò)程中瓦斯超限問(wèn)題的。因此，本論文創(chuàng)新性的提出近距離下煤層開(kāi)采缷壓瓦斯一次性綜合治理措施，即利用定向鉆孔在222工作面順槽的70 m煤柱內(nèi)施工鉆場(chǎng)，將定向鉆布置缷壓瓦斯富集區(qū)高濃瓦斯區(qū)，其次在兩煤層夾層中采用2個(gè)定向鉆孔攔截由于2301采空區(qū)高濃瓦斯與222面低濃瓦斯?jié)舛炔钤斐蓾舛忍荻炔睿沟猛咚瓜聺B到222工作面影響生產(chǎn)；并在為了治理上隅角瓦斯，埋兩趟大直徑抽采管從而進(jìn)行瓦斯高效抽采。

3.2 復(fù)合采空區(qū)缷壓瓦斯高位抽采鉆孔

222工作面1#定向鉆場(chǎng)布置在回風(fēng)巷停采線前50 m位置，2#鉆場(chǎng)布置在停采線前800 m位置；鉆場(chǎng)均為矩形，長(zhǎng)度6 m，寬度12 m，高度4.2 m，如圖5、圖6所示。

圖5 高位定向鉆孔傾向剖面圖Fig.5 Sectional view of drilling design

圖6 高位定向鉆孔走向俯視圖Fig.6 Vertical view of orientation of high-position directional drilling

鉆場(chǎng)布置6個(gè)鉆孔，鉆孔孔徑均為203 mm，孔深800 m，鉆孔內(nèi)錯(cuò)回風(fēng)巷(15～45)m，鉆孔距煤層頂板垂高(106～120)m范圍內(nèi)(根據(jù)理論計(jì)算和數(shù)值模擬得為采高的7～8倍范圍內(nèi))，上隅角瓦斯治理定向鉆孔距煤層頂板垂高為(12～15)m范圍內(nèi)，定向鉆機(jī)隨著煤層走向趨勢(shì)鉆進(jìn)，終孔層位保持高于煤層頂板5 m，如圖5、圖6所示。

上述瓦斯治理措施設(shè)計(jì)的瓦斯抽采能力為，設(shè)計(jì)6個(gè)定向鉆孔抽采瓦斯混合流量(48～60)m3/min，單孔抽采混合流量20 m3/min，單孔抽采濃度為(40～50)%；設(shè)計(jì)的瓦斯抽采富裕系數(shù)較高，這樣足夠工作面安全高效回采，鉆孔參數(shù)見(jiàn)表2.

表2 鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

4 缷壓瓦斯抽采效果考察

在回采工作面進(jìn)行缷壓瓦斯治理措施方案后，進(jìn)一步跟進(jìn)考察工作面缷壓瓦斯治理效果，瓦斯涌出總量等于風(fēng)排瓦斯量與瓦斯抽采總量之和，從圖7可知，222工作面初采期間，回采工作面瓦斯最大涌出量為60.22 m3/min，風(fēng)排瓦斯量平均4.92 m3/min，抽采瓦斯量平均為40.43 m3/min，包括缷壓瓦斯定向鉆孔及上隅角埋管抽采瓦斯量，隨著工作面的推進(jìn)，抽采總量逐漸增加，工作面瓦斯抽采率逐漸增大。

圖7 總瓦斯涌出量隨時(shí)間變化Fig.7 Change of total gas emission with time

正?；夭善陂g，開(kāi)始抽采裂隙帶卸壓瓦斯，抽采瓦斯量逐漸增大，工作面瓦斯綜合治理逐漸以抽采為主，其中回風(fēng)巷管路占抽采瓦斯量最大，此時(shí)工作面瓦斯抽釆率提高，為49.70%～77.46%，平均62.26%，如圖8所示。

圖8 工作面瓦斯抽采率隨時(shí)間變化Fig.8 Change of gas drainage rate in working face with time

222工作面回風(fēng)巷中部安設(shè)甲烷傳感器，在回風(fēng)斜巷距風(fēng)流匯合點(diǎn)安設(shè)混合探頭，進(jìn)行工作面瓦斯?jié)舛劝踩O(jiān)測(cè)，在回采工作開(kāi)始后，利用高位裂隙帶定向長(zhǎng)鉆孔抽采富集區(qū)瓦斯，使得回風(fēng)巷的濃度一般在0.3%以下變化，符合煤礦安全回采的標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)工作面瓦斯含量的精準(zhǔn)測(cè)定得出，222工作面在測(cè)定范圍內(nèi)煤層瓦斯最大含量為5.4 m3/t，最小含量為3.0 m3/t，最大瓦斯解析量為2.7 m3/t.最小解析量為0.69 m3/t；

(2)在上煤層開(kāi)采條件下，上覆巖層已經(jīng)歷過(guò)下沉、離層、彎曲，隨著下煤層采動(dòng)，上覆巖層經(jīng)歷二次缷壓，各巖層間出現(xiàn)明顯離層，覆巖各巖層間離層裂隙和豎向破斷裂隙充分演化發(fā)育，形成穩(wěn)定的裂隙體，復(fù)合采空區(qū)裂隙帶高度為148 m；

(3)本文針對(duì)上煤層開(kāi)采條件下，被保護(hù)層開(kāi)采時(shí)，采動(dòng)覆巖經(jīng)歷二次缷壓后瓦斯涌出量大、上煤層采空區(qū)高濃瓦斯下滲等關(guān)鍵問(wèn)題，創(chuàng)新性地提出了在近距離上煤層開(kāi)采條件下，提出治理近距離下煤層上隅角瓦斯采用定向長(zhǎng)鉆孔+埋管抽采的新思路。

整個(gè)工作面回采期間，工作面回風(fēng)流及支架間瓦斯?jié)舛染?.3%以下，保證了工作面的安全高效回采。