鄧明明 陳 虎

(1. 淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司煤業(yè)分公司朱集東煤礦，安徽省淮南市，232087；2.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司煤業(yè)分公司安全監(jiān)察部，安徽省淮南市，232095)

根據(jù)2018年度淮南礦業(yè)集團(tuán)礦井瓦斯涌出量測(cè)定結(jié)果,最大采深在-826 m以下的礦井，絕對(duì)瓦斯涌出量均在89.9 m3/min以上，采煤工作面的最大瓦斯涌出量達(dá)到54.8 m3/min，淮南礦區(qū)的瓦斯涌出量隨著開采深度的加大和產(chǎn)量的增加而急劇增加[1-2]?；茨系V區(qū)在遠(yuǎn)程開采下保護(hù)層時(shí)，被保護(hù)層開采邊界內(nèi)在巖層運(yùn)動(dòng)作用下膨脹變形，增加了透氣性，在“O”型圈和裂隙發(fā)育區(qū)內(nèi)形成瓦斯富集區(qū)，采用立體式卸壓瓦斯抽采技術(shù)可實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采[3-6]。在工作面高位鉆場(chǎng)施工頂板走向鉆孔，可以高效地抽采煤層頂板裂隙瓦斯，改變采空區(qū)瓦斯的流場(chǎng)，減少采空區(qū)瓦斯向工作面的涌出量[7-8]。

在被保護(hù)層開采過程中，回風(fēng)巷高位鉆場(chǎng)在回采過程中容易受到破壞，鉆孔容易失效，無法有效保證鉆孔連續(xù)抽采，未得到抽采卸壓的瓦斯涌入采空區(qū)，使工作面的實(shí)際瓦斯涌出量比預(yù)計(jì)值增大，容易造成被保護(hù)工作面上隅角和回風(fēng)流瓦斯超限，嚴(yán)重制約被保護(hù)工作面高效開采[9-10]，給瓦斯治理工程設(shè)計(jì)帶來了困難。

針對(duì)被保護(hù)層開采中存在的問題，在朱集東煤礦東一采區(qū)第3個(gè)被保護(hù)層1122(3)工作面開展瓦斯治理技術(shù)創(chuàng)新及實(shí)踐，通過碳同位素分析法準(zhǔn)確分析瓦斯涌出來源，優(yōu)化設(shè)計(jì)頂板走向鉆孔，超前攔截和分源分層次抽采卸壓瓦斯，實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯綠色安全高效共采。

1 工作面概況

朱集東煤礦一水平標(biāo)高為-906 m，主采13-1煤層，開采11-2煤層作為13-1煤層下保護(hù)層，11-2煤層輔助水平標(biāo)高為-970 m，是近千米埋深礦井。

1122(3)工作面是東一采區(qū)第3個(gè)13-1煤層被保護(hù)層工作面，工作面標(biāo)高為-848.3～-887.1 m，平均煤厚4 m，傾角為0°～8°，平均傾角3°。工作面設(shè)計(jì)可采走向長1858～1870 m，傾斜長度235 m，可采儲(chǔ)量240.1萬t。13-1煤層頂板15～25 m賦存平均厚度為0.5 m不可采的15#煤層，原始瓦斯含量平均為3.6 m3/t。采用U型通風(fēng)，供風(fēng)量為2000～2400 m3/min。

1122(3)被保護(hù)層工作面走向卸壓保護(hù)角為90°，傾向卸壓保護(hù)角為90°，位于2個(gè)下保護(hù)層中部有效保護(hù)范圍內(nèi)。瓦斯預(yù)抽率達(dá)到78.9%，最大瓦斯壓力由3.7 MPa 下降為0.40 MPa。最大瓦斯含量由保護(hù)前10.58 m3/t下降為4.29 m3/t。采用分源法預(yù)測(cè)瓦斯涌出量為30 m3/min。

2 瓦斯來源分析

通過收集分析東一采區(qū)首個(gè)被保護(hù)層1111(3)工作面和第2個(gè)被保護(hù)層1121(3)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)得出，實(shí)際瓦斯涌出量在35～45 m3/min，是采用傳統(tǒng)的分源預(yù)測(cè)法計(jì)算結(jié)果的1.4～1.8倍，明顯大于預(yù)計(jì)值。

為了研究分析預(yù)測(cè)瓦斯涌出量和實(shí)際瓦斯涌出量相差較大的原因，對(duì)保護(hù)層開采時(shí)采取的瓦斯治理措施進(jìn)行了綜合分析。地面鉆井布置的層位具有抽采11-2煤層采空區(qū)的瓦斯和上部受采動(dòng)影響的13-1煤層卸壓瓦斯的雙重作用[11-15]，但篩管布置在13-1煤層頂板15 m至11-2煤層頂板5 m范圍內(nèi)，受鉆井結(jié)構(gòu)及遠(yuǎn)程穿13-1煤層鉆孔的抽采保護(hù)范圍和效果的限制，部分13-1煤層卸壓瓦斯通過圍巖裂隙進(jìn)入到被保護(hù)層上覆裂隙帶以外的有效抽采區(qū)域外，該部分賦存在圍巖裂隙中的瓦斯未得到有效治理，在被保護(hù)層工作面回采期間，圍巖被二次破壞，上覆圍巖再次卸壓，圍巖殘留的卸壓瓦斯再次涌入到被保護(hù)層工作面，這是實(shí)際瓦斯涌出量比預(yù)計(jì)值大的主要原因。

為準(zhǔn)確分析瓦斯涌出來源，對(duì)1111(3)和1121(3)被保護(hù)層工作面回風(fēng)巷頂板走向鉆孔采取碳同位素原理對(duì)抽采氣樣進(jìn)行氣源分析得出：位于13-1煤層頂板法距25～35 m的頂板走向鉆孔抽采的50.1%的瓦斯來源于13-1煤層殘余瓦斯以及二次采動(dòng)圍巖卸壓中的13-1煤層瓦斯；49.9%瓦斯來源于上鄰近層15#煤層及圍巖二次采動(dòng)卸壓中的15#煤層和13-1煤層瓦斯。

綜合采用分源預(yù)測(cè)法、統(tǒng)計(jì)法、碳同位素分析法分析得出1122(3)被保護(hù)層回采期間瓦斯來源于上覆圍巖裂隙中賦存的13-1煤層和15#煤層首次卸壓游離瓦斯、上鄰近層15#煤層采動(dòng)卸壓瓦斯、13-1煤層本煤層殘余瓦斯。

3 煤與瓦斯分源共采技術(shù)

依據(jù)準(zhǔn)確的瓦斯來源，合理優(yōu)化鉆孔設(shè)計(jì)，超前攔截和分層位強(qiáng)化對(duì)圍巖二次采動(dòng)后的裂隙充分發(fā)育區(qū)內(nèi)的瓦斯抽采，加強(qiáng)采空區(qū)深部瓦斯的抽采，實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯分源協(xié)調(diào)共采。

3.1 頂板走向鉆孔優(yōu)化抽采技術(shù)

根據(jù)“三帶”理論計(jì)算，冒落帶高度為12～20 m，裂隙帶最大高度為44 m，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)使高位鉆孔高度小于裂隙帶高度計(jì)算結(jié)果而大于冒落帶高度計(jì)算結(jié)果，鉆孔處于裂隙帶內(nèi)瓦斯抽采效果最好?；仫L(fēng)巷鉆孔層位控制在13-1煤層頂板2.7～8.3倍采高，傾斜向下0～30 m為裂隙充分發(fā)育區(qū)，此范圍是布置頂板抽采瓦斯鉆孔的理想?yún)^(qū)域[2,17]。

根據(jù)1122(3)工作面頂板巖性和有關(guān)頂板鉆孔抽采資料和瓦斯來源，在進(jìn)風(fēng)巷采取高層位鉆孔超前攔截工作面裂隙帶中上部的卸壓瓦斯；將回風(fēng)巷高位鉆孔改在平鉆場(chǎng)內(nèi)施工頂板走向鉆孔。優(yōu)化鉆孔設(shè)計(jì)剖面布置如圖1所示。

圖1 頂板走向鉆孔優(yōu)化設(shè)計(jì)剖面布置圖

3.1.1 回風(fēng)巷平鉆場(chǎng)頂板走向鉆孔立體抽采

在回風(fēng)巷煤層中無構(gòu)造異常區(qū)域設(shè)計(jì)18個(gè)規(guī)格為5 m×4 m×3.5 m(長×寬×高)平鉆場(chǎng)，相鄰鉆場(chǎng)間距為80～110 m。綜合考慮鉆孔實(shí)際施工情況及鉆孔測(cè)斜資料，每個(gè)鉆場(chǎng)布置12個(gè)?113 mm的鉆孔，孔深為110～130 m，鉆孔有效壓茬距離不小于20 m。每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)設(shè)計(jì)3組鉆孔，每組4個(gè)孔的終孔點(diǎn)沿工作面傾向方向分別布置在距離回風(fēng)巷的水平距離為15 m、30 m、45 m、60 m；3組鉆孔距離13-1煤層頂板的垂直距離分別為30 m、25 m、20 m，穿透15#煤層，分層位立體連續(xù)抽采“O”型圍巖裂隙圈的高濃度瓦斯。

工作面推過鉆場(chǎng)時(shí)，該鉆場(chǎng)內(nèi)的抽采管路無法保留，同時(shí)鉆場(chǎng)內(nèi)的鉆孔也被破壞，造成鉆孔失效。因此在過鉆場(chǎng)期間，在距離前一鉆場(chǎng)30～50 m巷幫施工4個(gè)邊孔，邊孔終孔點(diǎn)位于鉆場(chǎng)頂部，距離13-1煤層頂板垂直距離不小于10 m，填補(bǔ)前一報(bào)廢鉆場(chǎng)造成的抽采空白區(qū)，進(jìn)行輔助抽采。

3.1.2 進(jìn)風(fēng)巷頂板走向邊孔超前攔截抽采

受進(jìn)風(fēng)巷移動(dòng)設(shè)備限制，在進(jìn)風(fēng)巷巷幫距離頂板不大于1 m位置施工13-1煤層頂板走向邊孔，每間隔10～15 m設(shè)計(jì)1組2個(gè)?113 mm的鉆孔，終孔點(diǎn)距13-1煤層頂板垂距30～40 m，每組鉆孔沿工作面走向方向的水平距離為50～60 m，控制進(jìn)風(fēng)巷傾向方向距離為100～120 m。為保證鉆孔 有效接茬施工和進(jìn)度，超前工作面的距離不小于60 m。當(dāng)距離工作面小于60 m時(shí)，鉆孔孔深以打透采空區(qū)為準(zhǔn)，以保證鉆孔可以立即得到有效抽采。

工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷壓差在1020～1250 Pa，鉆孔的抽采負(fù)壓不低于20 kPa，是進(jìn)回風(fēng)壓差的16倍以上，通過進(jìn)風(fēng)巷的頂板走向邊孔高負(fù)壓、高流量抽采，改變工作面進(jìn)風(fēng)巷至中部卸壓瓦斯向回風(fēng)巷的流場(chǎng)，超前攔截工作面中部范圍卸壓瓦斯及圍巖裂隙瓦斯，強(qiáng)化對(duì)被保護(hù)層中上部卸壓瓦斯的抽采，減少向上隅角的流動(dòng)。

采用全孔深大孔徑插接花管瓦斯抽采技術(shù)[18]，使套管可以下到孔深的90%以上，保持全孔深高流量連續(xù)抽采圍巖裂隙中的卸壓瓦斯。

3.2 采空區(qū)留管深部連續(xù)抽采技術(shù)

在工作面上隅角安設(shè)抽采管路，距離巷道底板高度為2.5 m，每間隔20 m安設(shè)1個(gè)“凸”型垂直向上的抽采三通，三通上安設(shè)篦子，采用編織袋裝碎煤對(duì)上隅角進(jìn)行充填。當(dāng)工作面向前推進(jìn)時(shí)，抽采管路及三通被埋進(jìn)采空區(qū)內(nèi)，開始連續(xù)抽采上隅角和采空區(qū)瓦斯。

回風(fēng)側(cè)采空區(qū)內(nèi)瓦斯沿工作面走向方向，采空區(qū)瓦斯?jié)舛入S著距工作面距離的增加而增大[7]，根據(jù)瓦斯治理和利用需要，當(dāng)抽采濃度降低時(shí)，采用等徑偏心圓形擋板合理調(diào)控采空區(qū)深部的瓦斯抽采，實(shí)現(xiàn)瓦斯高效抽采。

3.3 獨(dú)立的抽采管網(wǎng)系統(tǒng)

為保證工作面抽采系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，消除其他因素對(duì)頂板走向鉆孔抽采負(fù)壓的影響，工作面設(shè)計(jì)了1套獨(dú)立的管網(wǎng)系統(tǒng)抽采，保證工作面抽采的瓦斯全部實(shí)現(xiàn)利用，做到抽采最大化，實(shí)現(xiàn)高效采煤的同時(shí)高效利用抽采的瓦斯。

地面永久瓦斯抽采泵站采用2臺(tái)2BEY-87型水環(huán)式節(jié)能真空泵單獨(dú)抽采該工作面各管路內(nèi)的瓦斯，管路抽采負(fù)壓穩(wěn)定控制在50～60 kPa，額定流量不小于800 m3/min。

在進(jìn)風(fēng)巷安設(shè)一路?325 mm抽采管路，用于抽采頂板鉆孔高濃度瓦斯，抽采負(fù)壓不低于20 kPa，抽采混合量不低于80 m3/min。

在回風(fēng)巷安設(shè)2路管路，其中一路?426 mm抽采管路，用于抽采頂板鉆孔高濃度瓦斯，抽采負(fù)壓不低于20 kPa，抽采混合量不低于100 m3/min；另一路?325 mm抽采管路，用于抽采采空區(qū)深部及上隅角瓦斯，抽采負(fù)壓不低于13 kPa，抽采混合量不低于70 m3/min。

4 煤與瓦斯綠色共采效果分析

在地質(zhì)條件確定的情況下，頂板走向鉆孔的抽采效果與工作面的推進(jìn)距離有關(guān)，因此分析頂板走向鉆孔的抽采效果時(shí)，以工作面距離切眼的距離為參考。頂板走向鉆孔瓦斯抽采純量及瓦斯涌出量隨工作面推進(jìn)距離變化情況如圖2所示。

圖2 頂板走向鉆孔瓦斯抽采純量及瓦斯涌出量隨工作面的推進(jìn)變化

從圖2可以看出，工作面正常回采期間，最大涌出量為64.7 m3/min，平均涌出量為38.6 m3/min。通過對(duì)瓦斯涌出量進(jìn)行分析，被保護(hù)層開采過程中平均瓦斯涌出量比預(yù)計(jì)的最大瓦斯涌出量還大，最大達(dá)到1.7倍，驗(yàn)證了保護(hù)層開采過程中部分未被完全抽采的卸壓游離瓦斯重新賦存在圍巖裂隙中，在被保護(hù)層開采時(shí)再次涌入工作面，使實(shí)際瓦斯涌出量比預(yù)計(jì)值要大。因此，在被保護(hù)層開采時(shí)，通過兩巷頂板走向鉆孔連續(xù)抽采保護(hù)層開采期間殘留在圍巖裂隙中未得到有效抽采的卸壓瓦斯和鄰近層卸壓后的增透瓦斯是實(shí)現(xiàn)被保護(hù)層煤與瓦斯分源協(xié)調(diào)共采的關(guān)鍵。

頂板走向鉆孔抽采總純量平均為35.0 m3/min。進(jìn)風(fēng)巷頂板走向鉆孔保持8個(gè)，平均抽采純量24.8 m3/min，單孔平均抽采純量3.1 m3/min?；仫L(fēng)巷頂板走向鉆孔保持16個(gè)，平均抽采純量10.2 m3/min，單孔平均純量0.63 m3/min。進(jìn)風(fēng)巷頂板鉆孔抽采純量占總抽采純量的66.8%，為主要抽采部分。采空區(qū)平均抽采純量為2.8 m3/min，最大抽采純量為9.6 m3/min；采空區(qū)深部平均抽采濃度為8.2%，最大達(dá)到23.8%。

工作面于2017年5月21日開始回采到2018年10月24日，共計(jì)采煤281.6萬t，回風(fēng)瓦斯?jié)舛?.03%～0.26%，平均瓦斯?jié)舛?.16 %，保證了工作面平均產(chǎn)量達(dá)6600 t/d以上，最大產(chǎn)量為14531 t/d。平均抽采率達(dá)到了91.1%，最大抽采率達(dá)到了98.3%，共計(jì)抽采瓦斯純量2467.7萬m3，噸煤平均瓦斯抽采量為10.2 m3/t。工作面瓦斯涌出量峰值與日產(chǎn)量呈現(xiàn)出對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此當(dāng)提高日產(chǎn)量時(shí)，需要增加頂板鉆孔數(shù)量和提高鉆孔抽采效果，以保證煤與瓦斯協(xié)調(diào)共采。

地面瓦斯利用中心15臺(tái)型號(hào)700GFZ-PWWD額定功率700 kW卡特發(fā)電機(jī)組，用于濃度在8%以上的低濃度瓦斯發(fā)電。1 Nm3純瓦斯可發(fā)電2.0～2.2 kW·h?；夭善陂g，工作面平均抽采濃度為15%～20%，抽采純量為16.6～58.9 m3/min，共計(jì)發(fā)電量7090萬kW·h，實(shí)現(xiàn)銷售收入2276萬元。瓦斯利用量共計(jì)2031萬m3，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤9.5萬t/a、減排CO2量84.3萬t/a，實(shí)現(xiàn)了煤與瓦斯綠色共采和利用。

5 結(jié)論

(1)隨著深井被保護(hù)層的開采，被保護(hù)層工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)要綜合考慮圍巖一次破壞形成的裂隙中賦存的游離瓦斯，在被保護(hù)層回采期間瓦斯涌出量可通過類比已回采的被保護(hù)層工作面的實(shí)際涌出量進(jìn)行預(yù)測(cè)。同時(shí)采取瓦斯綜合治理措施強(qiáng)化該部分的瓦斯抽采，提高抽采率。

(2)頂板走向鉆孔設(shè)計(jì)位置須綜合考慮瓦斯來源和工作面實(shí)際瓦斯涌出量，準(zhǔn)確判斷瓦斯賦存層位，并在考察分析后，合理優(yōu)化布置抽采鉆孔。

(3)獨(dú)立的抽采管網(wǎng)系統(tǒng)，便于系統(tǒng)的分配調(diào)控和管理，保障抽采的瓦斯全部得以利用，實(shí)現(xiàn)抽采最大化和綠色環(huán)保開采。

(4)進(jìn)風(fēng)巷頂板走向鉆孔抽采效果較佳，抽采負(fù)壓可以達(dá)到20 kPa以上，單孔連續(xù)抽采純量可達(dá)到3.0 m3/min，較好地改變了瓦斯流場(chǎng)，超前攔截的卸壓瓦斯，為有效解決上隅角和回風(fēng)瓦斯超限問題提供了一種新的治理途徑。

(5)工作面過高位鉆場(chǎng)和平鉆場(chǎng)頂板走向鉆孔，無法保證鉆孔連續(xù)有效地抽采，因此在回風(fēng)巷可以用邊孔代替鉆場(chǎng)。