（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 大同 037003）

0 引言

有效防治瓦斯災(zāi)害是保障煤礦企業(yè)安全、高效生產(chǎn)的關(guān)鍵[1-2]。國(guó)內(nèi)對(duì)“卸壓開采”技術(shù)廣泛而深入的研究與應(yīng)用，使低透氣性煤層群瓦斯災(zāi)害的防治技術(shù)取得重大突破[3-5]。大同礦區(qū)侏羅系煤層已近枯竭，煤炭開采轉(zhuǎn)向深部的石炭二疊系煤層[6]。塔山礦是大同礦區(qū)第一個(gè)大規(guī)模開采石炭二疊系煤層的千萬(wàn)噸級(jí)礦井，在工作面開采過(guò)程中取得的瓦斯抽放技術(shù)成果，對(duì)后續(xù)開采石炭二疊系煤層礦井的綜放工作面瓦斯治理具有重要的指導(dǎo)與借鑒作用。塔山井田位于大同煤田中東緣地帶，為單斜構(gòu)造，地層傾角一般在5°以內(nèi)。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力15.0 Mt/a，主采石炭系3-5#煤層，煤層厚度11.36 m～25.52 m，平均15.79 m，埋深360 m～580 m，采用綜采放頂煤一次采全高開采[7]，工作面單產(chǎn)達(dá)10.0 Mt/a。正?；夭善陂g工作面絕對(duì)瓦斯涌出量保持在15 m3/min～40 m3/min之間，來(lái)壓期間可達(dá)35 m3/min～50 m3/min，最大達(dá)到67.69 m3/min。高強(qiáng)度開采和堅(jiān)硬頂板復(fù)合作用使得特厚煤層綜放工作面瓦斯涌出量大的問(wèn)題難以通過(guò)傳統(tǒng)瓦斯治理方法進(jìn)行有效解決。

1 塔山礦煤層瓦斯抽采的必要性和可行性分析

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，高瓦斯礦井必須建立地面固定抽采瓦斯系統(tǒng)；3-5#煤層綜放工作面瓦斯涌出量已經(jīng)大到無(wú)法單靠通風(fēng)稀釋方法解決，瓦斯抽采是必須且必要的。重慶煤科院、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、煤礦瓦斯治理國(guó)家工程研究中心先后于2006、2012、2014年，完成了對(duì)3-5#煤層瓦斯基本參數(shù)的測(cè)定：瓦斯壓力0.09 MPa～0.245 MPa，瓦斯流量衰減系數(shù)0.572 d-1～0.743 d-1，一盤區(qū)瓦斯含量1.78 m3/t，透氣性系數(shù)171.71 m2/(MPa2?d)～428.80 m2/(MPa2?d)，二盤區(qū)瓦斯含量 2.64 m3/t，透氣性系數(shù)1.108×10-4m2/(MPa2?d)～1.328×10-4m2/(MPa2?d)。按照《煤礦瓦斯抽采工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的煤層瓦斯抽采難易程度分類（見表1），3-5#煤層屬于較難抽采煤層。3-5#煤層原始煤體透氣性差，瓦斯衰減快，直接預(yù)抽煤層瓦斯效果不佳，不可行。

表1 開采層預(yù)抽瓦斯難易程度分類

2 綜放工作面概況

選取兩個(gè)綜放工作面8212和8204進(jìn)行考察分析。二盤區(qū)8212工作面煤層，厚度7.25 m～20.19 m，平均11.17 m，上部由于煌斑巖侵入的穿插破壞，煤層受熱變質(zhì)或硅化，結(jié)構(gòu)疏松易碎，與上部山4#煤平均間距20.30 m，至下部8#煤平均間距34.82 m。工作面走向長(zhǎng)度2 614 m，傾斜長(zhǎng)度230.5 m，機(jī)采高度3.5 m，放煤厚度7.67 m，頂煤回收率85%，直接頂平均厚度11.39 m，為巖漿巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖，老頂平均厚度23.41 m，為粉砂巖、細(xì)砂巖。煤層上方6 m～15 m存在厚度20 m左右的厚層狀堅(jiān)硬砂巖頂板，采后易形成大面積懸頂。工作面采用“U”型通風(fēng)，頂抽巷抽放瓦斯。二盤區(qū)8204綜放工作面，走向長(zhǎng)度1 020 m，傾斜長(zhǎng)度207 m，煤層平均厚度14.35 m，煤層傾角3°～5°，采用“U”型通風(fēng)，工作面日產(chǎn)煤量3.2萬(wàn)t。

3 綜放工作面瓦斯涌出規(guī)律與周期來(lái)壓關(guān)系

統(tǒng)計(jì)8212工作面生產(chǎn)期間瓦斯涌出與頂板周期來(lái)壓情況，得出工作面生產(chǎn)過(guò)程中，隨工作面推進(jìn)瓦斯涌出量與頂板周期來(lái)壓成較好對(duì)應(yīng)關(guān)系，來(lái)壓時(shí)瓦斯涌出量急劇增大，峰值均在頂板周期來(lái)壓之后到達(dá)，瓦斯涌出增大量超過(guò)50%。見圖1。上隅角和回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)范圍較小，頂抽巷中瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)變化較大，表明頂抽巷瓦斯抽放效果較好。頂板周期來(lái)壓時(shí)頂抽巷瓦斯?jié)舛扔烧；夭善陂g的1.7%急劇增大到2.4%，最大值達(dá)到2.58%。頂抽巷中瓦斯?jié)舛瓤梢苑从晨迓鋷е型咚節(jié)舛龋瑏?lái)壓時(shí)采空區(qū)大量高濃度瓦斯被擠壓涌向工作面。

采場(chǎng)中一切礦壓顯現(xiàn)的根源是采動(dòng)引起的上覆巖層的運(yùn)動(dòng)，采空區(qū)頂板巖層活動(dòng)規(guī)律直接影響著采空區(qū)瓦斯賦存及運(yùn)移規(guī)律，以及工作面瓦斯的涌出特征。根據(jù)直接頂分類方案，塔山礦3-5#煤層屬于3類（穩(wěn)定頂板）和4類（非常穩(wěn)定頂板）頂板，根據(jù)老頂初次來(lái)壓步距和直接頂厚度及充填參數(shù)等計(jì)算，老頂來(lái)壓屬于Ⅳb類非常強(qiáng)烈。工作面的周期來(lái)壓會(huì)對(duì)工作面煤層產(chǎn)生同樣的周期性作用，隨著煤壁前方減壓區(qū)范圍擴(kuò)大，煤體破碎垮落，煤中原有裂隙擴(kuò)張，產(chǎn)生新的裂隙，加速了瓦斯解吸運(yùn)移的過(guò)程，增大了工作面瓦斯涌出量。當(dāng)回采工作面開采層及其鄰近煤層瓦斯含量、開采和通風(fēng)技術(shù)因素一定時(shí)，工作面瓦斯涌出主要受控于工作面開采強(qiáng)度。綜放工作面產(chǎn)量大，采動(dòng)影響范圍大，絕對(duì)瓦斯涌出強(qiáng)度大；支架上方存在數(shù)倍于采高的裂隙，支架后部有頂煤放出后的放空區(qū)，風(fēng)流無(wú)法到達(dá)并稀釋該區(qū)域的高濃度瓦斯，工作面來(lái)壓時(shí)頂板垮落是瓦斯涌出增大產(chǎn)生峰值的根本原因。

4 工作面前方煤體瓦斯?jié)B流特征分析

工作面回采破壞了原巖應(yīng)力的平衡狀態(tài)，引起煤巖體內(nèi)部應(yīng)力重新分布，形成卸壓帶和應(yīng)力集中帶。工作面的周期性應(yīng)力變化導(dǎo)致了煤體裂隙逐漸發(fā)育、擴(kuò)展，形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，瓦斯流動(dòng)通道增加，滲透率逐漸增加，工作面前方煤巖體呈現(xiàn)出“卸壓增流”現(xiàn)象。數(shù)值模擬計(jì)算工作面前方底板支承壓力隨工作面推進(jìn)距離的變化值，并生成變化曲線如圖2。得出工作面煤壁前方120 m以內(nèi)為受工作面采動(dòng)影響區(qū)，18 m～58 m為采動(dòng)影響劇烈區(qū)，煤壁前方18 m為卸壓區(qū)。

圖2 沿煤層走向底板支承壓力變化

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)論在工作面推進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行的順槽巷道頂板結(jié)構(gòu)變化觀察中得到驗(yàn)證。在回風(fēng)順槽內(nèi)距工作面推進(jìn)距離分別為20 m、60 m和100 m處，向頂板上鉆25 m深窺視孔，用KDVJ-400礦用鉆孔電子窺視儀，深入間隔為5 m進(jìn)行孔內(nèi)觀察，結(jié)果見3頁(yè)圖3。

圖3 回風(fēng)順槽頂板巖層結(jié)構(gòu)鉆孔觀測(cè)

隨著工作面不斷推進(jìn)，工作面前方煤體的水平應(yīng)力表現(xiàn)為卸載過(guò)程，而在垂直方向上煤體則依次經(jīng)歷了原巖應(yīng)力階段、超前支承壓力加載階段及超前支承壓力峰值后的卸載階段。卸載階段煤體滲透率逐漸增大，尤其當(dāng)煤壁附近的煤體因水平應(yīng)力降低而產(chǎn)生破壞，煤體滲透率可增加2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，表現(xiàn)為“卸壓增流”和“卸壓增透”效應(yīng)。在回采工作面前方卸壓區(qū)進(jìn)行煤層鉆孔瓦斯抽放，可顯著提高本煤層瓦斯抽放率。

5 綜放工作面瓦斯抽放技術(shù)

5.1 頂抽巷瓦斯抽放技術(shù)

在采空區(qū)內(nèi)，瓦斯?jié)舛确植汲尸F(xiàn)水平方向上向深部濃度逐漸增大，和由進(jìn)風(fēng)側(cè)向回風(fēng)側(cè)方向濃度逐漸增大的變化趨勢(shì)；由于瓦斯密度相對(duì)較小會(huì)向上升浮到上部空間，縱向上瓦斯?jié)舛葟南孪蛏现饾u增大。8212工作面頂抽巷沿2#煤底板布置，垂距3-5#煤層頂板相距20 m，水平上內(nèi)錯(cuò)回風(fēng)巷20 m，巷口密閉埋管與抽放系統(tǒng)連通。見圖4。頂抽巷的抽放量根據(jù)瓦斯涌出量大小調(diào)控在750 m3/min～1500 m3/min之間，等同于工作面通風(fēng)方式由“U”型變成“U+I”型，改變了采空區(qū)內(nèi)瓦斯流場(chǎng)，大量高濃度瓦斯在通風(fēng)負(fù)壓作用下，流向頂抽巷被排出，同時(shí)切斷了上隅角瓦斯涌出源，減少了工作面回風(fēng)流的瓦斯涌出量，降低了上隅角和回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛?，上隅角瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.46%以內(nèi)，回風(fēng)瓦斯?jié)舛仍?.37%以下。

圖4 8212工作面巷道布置示意

5.2 地面垂直鉆井瓦斯抽放技術(shù)

工作面采空區(qū)頂板由于上下巖層下沉量的不同導(dǎo)致了離層的產(chǎn)生，采空區(qū)的邊界上方分布有離層裂隙，形成采動(dòng)裂隙“O”形圈。當(dāng)采空區(qū)面積達(dá)到一定值后，裂隙的分布也同樣呈“O”形圈特征，即在采空區(qū)四周的裂隙較采空區(qū)中部發(fā)育。地面鉆井打到離層裂隙“O”形圈內(nèi)[6]，抽放負(fù)壓使采空區(qū)周圍煤巖體中的瓦斯通過(guò)滲流不斷地匯集到“O”形圈內(nèi)。在整個(gè)抽放過(guò)程中，采動(dòng)裂隙“O”形圈是卸壓瓦斯流動(dòng)的通道和儲(chǔ)存空間[8]，采空區(qū)未垮落頂板下的積聚瓦斯也經(jīng)此通道流向地面鉆井。

8204工作面地面垂直鉆井沿工作面走向方向布置，從切眼向前32 m開始，按間距50 m共布置7個(gè)，鉆井內(nèi)錯(cuò)回風(fēng)巷15 m～40 m（見圖5），深約500 m，井底距3-5#煤層底板10 m。鉆井在地表下120 m內(nèi)加裝Φ 355 mm的護(hù)壁鋼管，再向下為Φ311 mm的裸孔。當(dāng)鉆井位于超前工作面煤壁15 m處時(shí)，開始抽放瓦斯，額定抽放流量1 275 m3/min，隨工作面推進(jìn)瓦斯?jié)舛扔?%開始快速上升，當(dāng)鉆井位于工作面煤壁時(shí)，瓦斯?jié)舛冗_(dá)到28.7%，之后逐漸降低，鉆井進(jìn)入采空區(qū)距工作面煤壁40 m時(shí)，濃度為5%，此時(shí)，下一個(gè)鉆井已經(jīng)開始接替抽放。工作面上隅角瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.4%～0.8%之間，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.2%～0.4%之間[9]。

圖5 8204工作面地面垂直鉆井布置平面示意

6 結(jié)論

（1）塔山礦頂抽巷直接大流量抽放工作面尾部采空區(qū)垮落帶瓦斯，改變了采空區(qū)瓦斯流場(chǎng)，截流了上隅角瓦斯涌出源，解決了特厚煤層綜放工作面高強(qiáng)度開采和堅(jiān)硬頂板復(fù)合作用下瓦斯大量涌出的技術(shù)難題。

（2）地面垂直鉆井瓦斯抽放施工作業(yè)與井下生產(chǎn)互不影響，具有較好的安全性；由于鉆井施工受山區(qū)地形限制，位置調(diào)整后對(duì)抽放效果有影響，有時(shí)需輔以工作面上隅角埋管抽放方可有效控制瓦斯超限。

（3）塔山礦頂抽巷瓦斯抽放率超過(guò)80%，地面垂直鉆井約為60%；地面鉆井需進(jìn)一步提升參數(shù)優(yōu)化和煤體致裂技術(shù)水平，以獲得穩(wěn)定長(zhǎng)效的瓦斯抽放效果。