雷照源，高小虎，肖 曲

(陜西黃陵二號(hào)煤礦有限公司，陜西 黃陵 727307)

0 引言

瓦斯是威脅礦井安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害，但合理的抽采技術(shù)是實(shí)現(xiàn)綠色開采的關(guān)鍵因素之一[1]。深部大采高工作面開采過程中，采動(dòng)應(yīng)力、圍巖變形、瓦斯(油層氣)涌出與淺埋-薄煤層差異性較大。黃陵二號(hào)煤礦416工作面埋深在445～645 m之間，平均采高6.0 m；主采煤層頂、底板中存在含氣砂頁巖、主采煤層及下部賦存煤層瓦斯含量相對(duì)較高，屬于典型的深部煤油氣共生礦區(qū)。由于埋深大，在大采高開采中采動(dòng)煤巖應(yīng)力與儲(chǔ)能隨時(shí)間與開采位置變化不斷釋放與轉(zhuǎn)移，造成圍巖裂隙發(fā)育，進(jìn)而誘致80%瓦斯涌出來自圍巖。因此，深入系統(tǒng)地研究揭示深部高瓦斯礦井大采高工作面圍巖運(yùn)移特征及其演化規(guī)律，采用立體抽采防控技術(shù)，對(duì)現(xiàn)場安全開采、綠色開采具有現(xiàn)實(shí)必要性。

多年來，許多學(xué)者針對(duì)不同地區(qū)瓦斯賦存-運(yùn)移及瓦斯抽采規(guī)律開展了豐富的研究。在煤層瓦斯抽放過程中，煤體瓦斯處于吸附-解吸狀態(tài)進(jìn)而改變煤體形態(tài)，聶百勝[2]等利用煤體變形實(shí)驗(yàn)裝置得出煤體變形量隨著瓦斯壓力的增加而增大，且煤體在一次加壓吸附實(shí)驗(yàn)中變形分為3個(gè)階段。楊天鴻[3]等通過建立瓦斯煤巖破裂過程固氣耦合作用模型，認(rèn)為深部煤層開采引起的覆巖層大范圍的變形、離層、垮落，被保護(hù)煤層透氣性急劇增高，瓦斯抽放孔周圍的瓦斯壓力降低的“卸壓增流效應(yīng)”十分明顯。俞啟香[4]等將采煤工作面瓦斯來源劃分為煤壁、采落煤和采空區(qū)3部分。褚廷湘[5]等為協(xié)調(diào)采空區(qū)瓦斯抽采與煤自燃耦合防治，提出了合理瓦斯抽采量概念。在瓦斯抽采及控制方面，各礦井針對(duì)自身實(shí)際情況分別對(duì)抽采方案、施工、評(píng)價(jià)做出了針對(duì)性的研究，形成具有特色抽采評(píng)價(jià)體系[6-12]。但隨開采深度增加與煤層變化，瓦斯(油層氣)涌出變化明顯，單一的抽采模式嚴(yán)重制約開采安全。亟需研究適合黃陵礦區(qū)的多維度立體化瓦斯綜合抽采技術(shù)，實(shí)現(xiàn)采動(dòng)空間動(dòng)態(tài)瓦斯抽采。提高礦井采掘和瓦斯抽采效率，從根本上解決礦井瓦斯問題，為實(shí)現(xiàn)礦井安全開采提供有力支撐。

以黃陵二號(hào)煤礦瓦斯(油層氣)抽采安全防控為目標(biāo)，基于開采條件調(diào)查，分析含氣層的分布特點(diǎn)；有針對(duì)性地建立立體預(yù)抽方案和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)評(píng)估，保障現(xiàn)場開采安全。

1 煤層賦存特征及瓦斯賦存特性

1.1 地質(zhì)構(gòu)造特征

二號(hào)煤礦位于黃陵礦區(qū)西北部，為一傾向北西—北西西的單斜構(gòu)造，地層傾角一般1°～5°。延安組呈一傾向北西西之單斜構(gòu)造將井田一分為二，其一位于井田中部，長約34 km，寬約2.6～5 km；其二位于井田西部，長約28 km，寬約3.5 km，幅度20～30 m。中侏羅統(tǒng)延安組有4段組成，是一個(gè)頂?shù)拙鶠椴徽厦妗５谝欢螢楹弘A段(2#、3#煤)，第二段部分區(qū)域含油、含氣。目前主采2#煤層。

1.2 瓦斯(油層氣)分布特征

四盤區(qū)處于高瓦斯-瓦斯異常帶中，瓦斯(油層氣)含量≥1 m3/t。礦區(qū)范圍內(nèi)連續(xù)性較好的砂巖儲(chǔ)集層共4個(gè)，分別為直羅砂巖含氣層、延安組第二段第一旋回下部細(xì)粒砂巖含氣層、富縣組下部砂巖含氣層、瓦窯堡組砂巖含氣層，如圖1所示。4個(gè)含氣層也分別稱之為頂部、頂板、底部含氣層。

圖1 2#煤層瓦斯-油層氣分布特征

1.3 生產(chǎn)條件

416工作面井下標(biāo)高+720～+728 m，平均埋深500 m，走向長度2 632 m，傾斜長度300 m，為1區(qū)1面。煤層平均厚度6.0 m，屬穩(wěn)定-較穩(wěn)定煤層，選用一次采全高。工作面采用二進(jìn)一回式通風(fēng)，即輔運(yùn)巷、膠帶巷進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)巷(上一工作面的輔運(yùn)巷)回風(fēng)。

采動(dòng)影響使圍巖形成了各種瓦斯(油層氣)涌出的通道。工作面預(yù)抽后，礦井瓦斯涌出量仍然較大。采空區(qū)瓦斯涌出、底板油層氣溢出等問題，造成采空區(qū)瓦斯(油層氣)涌如工作面、上隅角瓦斯集聚等嚴(yán)重現(xiàn)象。

2 工作面“三帶”確定

隨著工作面的推進(jìn)，覆巖變形和破壞在不斷地變化，工作面覆巖出現(xiàn)“三帶”“三區(qū)”現(xiàn)象。

由《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》中冒落帶和裂隙帶最大高度經(jīng)驗(yàn)公式可知。

冒落帶最大冒落高度Hc，如公式(1)所示。

Hc=(4～8)M=24～28 m

(1)

裂隙帶高度(包括冒落帶最大高度)Hf，如公式(2)所示。

(2)

式中：M—開采厚度，m；n—開采煤層層數(shù)?？傻?/p>

由此可知，受采動(dòng)影響頂部含氣層處于彎曲下沉帶，頂板含氣層處于垮落帶和裂隙帶之間，頂板裂隙發(fā)育使頂部瓦斯涌入工作面和采空區(qū)；采空區(qū)是瓦斯(油層氣)賦存的主要聚集地。所以“頂—底”是預(yù)抽的難點(diǎn)，采空區(qū)是抽采控制的重點(diǎn)。必須進(jìn)行分區(qū)、分段抽采。

3 瓦斯(油層氣)防控技術(shù)

3.1 立體抽采技術(shù)

隨著井下鉆探設(shè)備的不斷發(fā)展和進(jìn)步，抽采鉆孔逐漸由短鉆孔抽采轉(zhuǎn)向定向長鉆孔，能實(shí)現(xiàn)井下更大范圍的地質(zhì)災(zāi)害探測(cè)及治理的綜合效應(yīng)?；诤瑲鈳r層演化規(guī)律，定向鉆探施工技術(shù)工藝，在本煤層及其頂?shù)装鍖?shí)施定向長鉆孔探抽油型氣。將整個(gè)抽采分為采空區(qū)、采動(dòng)區(qū)、未采煤層區(qū)三區(qū)。針對(duì)區(qū)域位置不同，分別實(shí)施具有時(shí)間尺度的綜合立體抽采，如圖2所示。

圖2 煤油氣共生礦井立體綜合抽采

未采工作面預(yù)抽是提前抽取各含氣層瓦斯-油層氣，減少采動(dòng)時(shí)工作面瓦斯涌出；采動(dòng)區(qū)是指利用工作面圍巖變化的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行抽采，增大抽采量；采空區(qū)抽采是指在將采空區(qū)瓦斯集聚的重災(zāi)區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)抽采。這3種抽采是協(xié)同作業(yè)，從而形成“線—面—體”的綜合立體抽采。

3.2 各位置鉆孔布置參數(shù)

416工作面回風(fēng)巷、輔運(yùn)巷布置抽采硐室，尺寸為4 m×4.5 m×2.6 m。每條巷道布置16個(gè)抽采硐室，硐室間距150 m。工作面上隅角處設(shè)置采空區(qū)瓦斯抽放孔，其他鉆孔布置參數(shù)如圖3所示。

隨著工作面的推進(jìn)，各抽采硐室進(jìn)行“采動(dòng)—未動(dòng)”的變化。設(shè)計(jì)本煤層鉆孔3個(gè)，間距約1 m，長度約150 m。頂?shù)装邈@孔參數(shù)見表1。

頂、底板有效抽采范圍分別為100 m、22 m，能夠?qū)⒐ぷ髅娴耐咚乖催M(jìn)行預(yù)采。

a-底部鉆孔布置;b-頂部鉆孔布置;c-本煤層鉆孔布置圖3 各鉆孔布置參數(shù)

表1 各位置鉆孔參數(shù)

3.3 抽采效果

工作面持續(xù)抽采瓦斯-油層氣，分別提取3#硐室的各鉆孔瓦斯抽放結(jié)果，分析綜合立體抽采效果。頂板、底部累計(jì)抽采59 d，抽采情況如圖4所示。

頂、底部巖層抽采情況：鉆孔受采動(dòng)和不同區(qū)域差異性的影響，抽采量和抽采濃度變化幅度較大。頂部抽采量平均300 m3/d、底部抽采量平均178 m3/d。各巖層受采動(dòng)影響，頂板抽采量曲線呈“凹”型。下部細(xì)砂巖層與2煤、3煤間接較小，受采動(dòng)影響后巖層形成布局導(dǎo)通裂隙，5.23～5.26抽采量增加呈現(xiàn)“起伏震蕩”變化。

a-頂板孔抽情況;b-底板抽采情況圖4 各位置采濃度和純流量曲線

本煤層抽采情況：每個(gè)硐室的3個(gè)煤層定向抽采鉆孔抽采情況如圖5所示。經(jīng)過24個(gè)月各鉆孔分別由2.794萬m3/月降至0.079萬m3，2.350萬m3/月降至0.067萬m3/月，2.387萬m3/月降至0.068 m3/月。累計(jì)抽采量分別為抽采總量為18.85萬m3、15.97萬m3、16.22萬m3，共抽采瓦斯量為54.41萬m3。各瓦斯抽采濃度分別由92.4%降至13.4%，80%降至15.2%，85%降至17%。原始瓦斯含量為3.01 m3/t，經(jīng)過24個(gè)月預(yù)抽后煤層瓦斯含量為1.56～1.73 m3/t，預(yù)抽率為42.52%～48.17%。瓦斯壓力由原來的0.65 MPa降低到0.19～0.28 MPa。

a-1#鉆孔抽采量;b-2#鉆孔抽采量;c-3#鉆孔抽采量;d-鉆場鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓瘓D5 各鉆孔瓦斯抽采純量級(jí)濃度變化

采空區(qū)抽采情況：采空區(qū)瓦斯主要來源于頂?shù)?、板?月28—31日受巖層運(yùn)動(dòng)造成瓦斯含量驟增。抽采后，采空區(qū)瓦斯含量明顯降低，如圖6所示。對(duì)比抽采前、后6個(gè)月的上隅角瓦斯?jié)舛?，明顯可知：未進(jìn)入頂板鉆孔區(qū)域前3個(gè)月統(tǒng)計(jì)濃度平均為0.81%，抽采后2個(gè)月濃度平均為0.48%，下降了41%。通過抽采，整個(gè)區(qū)域瓦斯-油層氣整體沉陷降低趨勢(shì)，得到了良好的控制效果。

圖6 隅角瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律

4 結(jié)論

(1)工作面的砂巖儲(chǔ)氣層共4個(gè)，受采動(dòng)影響頂部含氣層處于彎曲下沉帶，頂板含氣層處于垮落帶和裂隙帶之間，底板含氣層處于擾動(dòng)范圍內(nèi)。各含氣層在形成的裂隙通道之間導(dǎo)入采空區(qū)和工作面。采空區(qū)將是瓦斯(油層氣)賦存的主要聚集地。

(2)確定了深部高瓦斯礦井大采高工作面的線—面—體”的綜合立體抽采方案。將整個(gè)抽采分為采空區(qū)、采動(dòng)區(qū)、未采煤層區(qū)三區(qū)，實(shí)現(xiàn)了具有時(shí)間尺度的綜合立體抽采技術(shù)。

(3)工作面綜合抽采技術(shù)實(shí)現(xiàn)空間全覆蓋的“采前探(抽)、采中、采后抽”瓦斯抽采，各位置抽采量增加、瓦斯?jié)舛冉档汀鷰r、煤層、采空區(qū)瓦斯?jié)舛确謩e降低了40%、68%、41%。