張 為，李 兵，張永成

(1.煤與煤層氣共采國家重點實驗室,山西 晉城 048012；2.山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責任公司,山西 晉城 048006； 3.易安藍焰煤與煤層氣共采技術有限責任公司,山西 晉城 048012)

低瓦斯礦井高產高效工作面，具有綜合機械化程度高、采煤強度大、采煤速度快等特點，單位生產時間內瓦斯(甲烷)涌出量逐漸增大，工作面安全生產隱患逐漸增多。采面瓦斯涌出量激增和涌出不均衡，極易造成工作面和局部瓦斯超限，尤其是上隅角瓦斯超限，上隅角瓦斯超限是低瓦斯礦井高產高效工作面面對的共性問題。為了緩解通風壓力，降低瓦斯超限風險，一般工作面采用高抽巷等常規(guī)瓦斯治理方式，易造成工作面銜接方面困難，降低生產效率[1-3]。

塔山煤礦是大同礦區(qū)低瓦斯含量高涌出量礦井的典型代表。提出低瓦斯礦井高產高效工作面瓦斯地面抽采技術，期望解決的問題：獲取一種地面鉆孔抽采回采工作面瓦斯的新方式，解決礦井抽采掘銜接壓力大的問題；本著地面抽一方，井下少一方的原則，降低風排量、回風巷瓦斯?jié)舛龋唤档蜕嫌缃堑染植客咚節(jié)舛确逯?；降低采空區(qū)瓦斯?jié)舛取?/p>

1 工作面概況

1.1 8204工作面

8204工作面是塔山礦3～5號煤層第1個留設小煤柱的工作面，工作面走向長度為983m、可采走向長度719m、傾向長度為161.5m；煤層厚度9.72～17.76m，平均14.2m。該工作面位于二盤區(qū)8202工作面與8206工作面之間，8206工作面于2010年8月底回采結束，8204巷與8206工作面采空區(qū)相鄰，留設煤柱僅為6m。

8204工作面于2015年6月16日正式回采，截止到2015年9月18日已回采561m，經(jīng)歷了2次見方來壓。

1.2 工作面瓦斯來源及涌出特點分析

根據(jù)礦井瓦斯涌出量分源預測法定義，工作面回采時瓦斯涌出由煤壁瓦斯涌出、落煤瓦斯涌出和采空區(qū)瓦斯涌出3部分組成[4]。

以往塔山礦8105，8106，8107，8210，8212工作面瓦斯實測資料研究分析表明：塔山煤礦為典型的高強度開采條件下瓦斯涌出，受工作面采動超前礦壓影響，工作面煤層在超前工作面一定范圍內形成卸壓區(qū)域，該區(qū)域煤層裂隙增加，透氣性提高，煤體解析瓦斯量增大，工作面絕對瓦斯涌出量隨產量的增加而增加，呈初期線性后期曲線關系[5]；同時受到8206工作面采空區(qū)瓦斯等有害氣體的影響，特別是回采期間對上隅角的影響，通過增加配風也無法解決。

1.3 礦壓規(guī)律

根據(jù)塔山礦礦壓監(jiān)測資料，基本已掌握了首采面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。頂煤的初次垮落步距為12m；直接頂初次來壓距離為34～36m，周期來壓步距工作面正常推進時為16～18m；推進不正常，速度緩慢時，周期來壓步距縮短為10～14m；基本頂初次折斷距離為50m，由于工作面傾斜長度大，頂煤厚度大，因此每次來壓時工作面壓力較大，達到10000kN以上，由于工作面傾斜長度較大中部壓力顯現(xiàn)比較明顯。

2 采動井組設計

2.1 鉆井平面位置確定

錢鳴高等[6]通過實驗模擬、實踐分析，對工作面采動區(qū)上覆巖層運動規(guī)律及裂隙分布特征進行研究，揭示“O”形圈分布特征，并應用于卸壓瓦斯抽放鉆孔布置，效果顯著；李宗翔等[7]提出形成采空區(qū)周邊采動裂隙分布的“O”形圈是由于采空區(qū)上方的離層裂隙基本分布在采空區(qū)邊界(圖1)。

圖1 “O”形圈裂隙分布特征平面

2.1.1 “O”形圈裂隙區(qū)

“O”形圈寬度(或范圍)的確定可按照以下經(jīng)驗公式[8]：

D(M)=0.011M3-0.64M2+10.22M+13.514

(1)

式中，D(M)為“O”形圈寬度,m；M為采高，取3.8m。

由公式(1)計算可得“O”形圈寬度為43.71m，亦由該式可知采高和“O”形圈寬度呈正比，即采高越大“O”形圈寬度亦越大，反之亦然。

2.1.2 重新壓實區(qū)

重新壓實區(qū)寬度(或范圍)的確定可按照以下經(jīng)驗公式[8]：

D′=0.033M3+1.057M2-24.412M+208.057

(2)

式中，D′為重新壓實區(qū)寬度，m。

通過計算可知，8204工作面重新壓實區(qū)范圍約為132m。

2.2 抽采層段的確定

2.2.1 采礦“上三帶”理論及其范圍

根據(jù)采礦理論，隨著工作面的推進，煤層頂?shù)装迨懿蓜佑绊懺诖瓜蛏蠒霈F(xiàn)典型的分帶特征，自上至下可分為彎曲下沉帶、裂縫帶和垮落帶。理論和實踐表明裂縫帶下部及垮落帶上部裂隙發(fā)育充分，瓦斯大量積聚，是抽采的理想?yún)^(qū)域[9]。

2.2.2 最大垮落帶高度

根據(jù)采礦經(jīng)驗公式：

(3)

式中，H為垮落帶最大高度，m；θ為煤層傾角，取2°；K為巖石的碎脹系數(shù)，取1.25。

經(jīng)計算，8204工作面最大垮落帶高度為36.19m。

2.2.3 最大卸壓裂縫帶高度

導水裂縫帶高度在一定程度可以表征導氣裂縫帶高度，實際上氣體分子比水分子小，因此導氣裂縫帶高度應大于導水裂縫帶高度，但二者差值不大。

根據(jù)塔山礦建井地質報告中導水裂縫帶高度修正公式計算：

(4)

式中，Hf為導水裂縫帶高度，m；ML為累計采厚，取18.05m；n為煤分層層數(shù)，取2。

根據(jù)以上計算，3～5號煤層開采后其導水裂縫帶高度取最大值，為233.56m。

2.3 采動井組設計原則與要求

采動區(qū)地面瓦斯抽采井組設計本著根據(jù)應用條件的需要、井位、井身結構、易受破壞位置防護、安全抽采等進行逐級優(yōu)化分析與設計的原則，以保障安全抽采與提升抽采效果[10]。

采動井在井下回采工作面上形成采動井組，井組隨著工作面采煤推進形成滾動式地面瓦斯抽采系統(tǒng)；采動井組與采煤形成的裂縫帶多點接觸、溝通，加速瓦斯抽采速度；采動井組負壓抽采工作面和上覆圍巖中的瓦斯；一井雙用，采動抽、采空抽；采空區(qū)瓦斯抽采，降低采空區(qū)瓦斯?jié)舛取?/p>

2.4 鉆井平面布置

采礦“O”形圈理論，“O”形圈域內離層裂隙和豎向破斷裂隙發(fā)育且彼此導通性、透氣性較好，同時是采空區(qū)卸壓瓦斯流動通道和貯存空間[11-12]，為了大面積、長時間地抽放卸壓瓦斯,抽放鉆孔應打到“O”形圈內[3]。

采動井平面設計首先應與井下抽、掘、采銜接情況相結合；其次“O”形圈理論以及塔山礦礦壓規(guī)律分析研究；最后遵循鉆孔難易度、鉆孔孔徑保護、合理井距及有利地面環(huán)境等原則來布置。采動井布置在采面回風側，在瓦斯抽采流量和濃度上效果較好[13]。再結合鉆孔抽采穩(wěn)定性和實際生產需要，距離切眼20m，距離回風巷15～30m處，孔距50m。

第1個地面鉆孔布置在距工作面切眼20m處，內錯回風巷30m；第2個孔布置在距工作面切眼70m，內錯回風巷15m；依次類推，沿工作面走向方向每隔50m布置1個，第奇數(shù)個孔內錯回風巷30m，第偶數(shù)個孔內錯回風巷15m(如圖2，3所示)。

圖2 地面垂直采動井組平面布置示意

圖3 地面垂直采動井組剖面示意

2.5 井身結構

根據(jù)采礦理論分析和實際生產需要，簡化施工工藝，降低瓦斯治理成本，在保證抽采效果的情況下，采動區(qū)鉆井整體結構為兩次鉆井設計。完井井身結構見圖4。

(1)一開采用φ425mm牙輪鉆頭，鉆穿基巖風化帶10m后，下φ377.7mm×10mm鋼級J55表層套管，封固地表疏松層，注水泥全封固。

(2)二開采用φ311.1mm鉆頭進行鉆進，鉆至煤層完鉆，裸眼完井。

圖4 采動井井身結構示意

2.6 抽采工程設計簡述

(1)完成鉆井后，隨著工作面采煤推進，采煤形成的裂縫帶與地面采動井溝通時，采用地面移動泵站開始負壓抽采。

(2)采煤后形成采空區(qū)，通過地面管匯連接新鉆孔，兩孔或多孔同時抽采瓦斯(圖5)。

圖5 采動井聯(lián)合抽采示意

3 抽采效果

3.1 同煤塔山礦采動井組工作面瓦斯治理效果

8204工作面正常生產期間，工作面絕對瓦斯涌出量在35m3/min左右，地面垂直立孔抽出瓦斯?jié)舛茸罡呖蛇_28.69%，平均濃度3.5%左右；單孔抽排瓦斯純量最高可達15m3/min，3個垂直采動井同時抽采瓦斯純量在15～30m3/min之間，占工作面絕對瓦斯涌出總量的46%～70%左右；回風巷瓦斯?jié)舛葟?.8%逐步降低，上隅角瓦斯?jié)舛妊杆傧陆抵?.4%以下，杜絕了瓦斯超限(如圖6所示)。

圖6 工作面回風巷、上隅角瓦斯?jié)舛茸兓€

3.2 采動井抽采采空區(qū)瓦斯治理試驗

采動井抽采采空區(qū)瓦斯試驗系統(tǒng)布置如圖7所示。抽采初期，1號采動井可抽出最高瓦斯?jié)舛葹?3%，抽排氣體混合量為95m3/min，隨著地面抽采工作的不斷進行，抽出瓦斯?jié)舛戎饾u降低。

2015年5月27日，2號采動井施工完畢，開始連接抽采系統(tǒng)實施抽采，2號孔抽采初期抽出瓦斯?jié)舛葹?.07%，隨著抽采工作的不斷進行，抽出瓦斯?jié)舛戎饾u降低。

截至2015年6月15日，8206采空區(qū)地面采動井累計抽采瓦斯純量537842m3。地面1號、2號采動井抽出瓦斯?jié)舛染抵?.0%左右。取樣化驗數(shù)據(jù)顯示8206采空區(qū)瓦斯?jié)舛冉抵?.5%以下，8206采空區(qū)束管監(jiān)測瓦斯?jié)舛冉抵?.4%左右。

圖7 采動井抽采采空區(qū)瓦斯試驗系統(tǒng)布置

4 結 論

(1)根據(jù)“O”形圈理論、采礦“上三帶”理論及礦壓規(guī)律確定塔山礦采動井組距離回風巷15～30m，孔距50m，第1個地面鉆孔布置在距工作面切眼20m處；井身結構采用二開裸眼完井。

(2)塔山礦8204工作面推進至13.7m，1號采動井開始抽采，工作面回風流瓦斯?jié)舛葟?.8%開始下降，上隅角瓦斯?jié)舛妊杆俳抵?.4%以下，1號、2號采動井同時開始抽采后，瓦斯?jié)舛染３衷?.2%左右，杜絕了瓦斯超限。

(3)采空區(qū)瓦斯抽采試驗表明，通過采動井組抽采，塔山礦8206工作面采空區(qū)瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.5%以下，束管監(jiān)測瓦斯?jié)舛冉抵?.4%左右。