李會金

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)海天煤業(yè)，山西 晉城 048006）

引言

煤炭開采的擾動會破壞煤層中瓦斯的吸附平衡，煤炭破碎將產(chǎn)生數(shù)量眾多的裂隙，從而大幅度增加煤體的暴露面積，滲透率大幅度提高，呈吸附狀態(tài)的瓦斯從煤基質(zhì)表面擴(kuò)散到孔隙，孔隙中積存的瓦斯?jié)B流到裂隙的路徑大大縮短，煤體內(nèi)部將瞬間涌出大量瓦斯。采動區(qū)上部積存大量瓦斯正是由于瓦斯的升浮特性造成的，如若瓦斯治理措施不當(dāng)，極易造成瓦斯被壓出到工作面，在風(fēng)流的外力帶動下，瓦斯在工作面上隅角三角區(qū)積存，給工作面安全生產(chǎn)帶來巨大隱患。

為有效解決工作面采動區(qū)瓦斯異常涌出問題，岳城礦采用了普通鉆機(jī)傾向鉆孔、定向鉆機(jī)走向長鉆孔、高位鉆場等多種瓦斯抽采措施來對采動區(qū)進(jìn)行抽采，雖可一定程度緩解工作面瓦斯問題，但由于抽采量相對于工作面絕對瓦斯涌出量小的原因，工作面日產(chǎn)煤量受到極大限制。為此，岳城礦提出了采用地面采動井來抽采采動區(qū)瓦斯的思路，既能高效解決采動區(qū)瓦斯向工作面涌出的問題，又可在工作面回采完畢后連續(xù)不間斷抽采采空區(qū)的瓦斯，實(shí)現(xiàn)瓦斯資源利用的最大化。

1 岳城煤礦工程概況

岳城煤礦隸屬山西晉能控股煤業(yè)集團(tuán)，是山西煤炭資源整合的首批改擴(kuò)建礦井。2012年礦井絕對瓦斯涌出量為242.71 m3/min，相對瓦斯涌出量為77.69 m3/min，屬于高瓦斯礦井。該礦采用分層開采技術(shù)開采3號煤，下分層工作面布置在上分層工作面采空區(qū)之下，服務(wù)巷道直接與采空區(qū)聯(lián)通，開采煤層均厚6 m，全為優(yōu)質(zhì)無煙煤。礦井現(xiàn)開采的1308（下）工作面，見圖1所示。經(jīng)過上分層瓦斯抽放和采空區(qū)接抽之后，下分層煤體瓦斯含量約為4.36 m3/min，但下分層采空區(qū)瓦斯賦存量大，對工作面回采構(gòu)成安全威脅。

圖1 工作面通風(fēng)系統(tǒng)及采動區(qū)地面鉆井布置示意圖

工作面回采前風(fēng)量為1 030 m3/min，采用U型通風(fēng)系統(tǒng)，采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出總量的55%~65%。工作面回采前在上分層進(jìn)行了高強(qiáng)度的瓦斯抽放作業(yè)，并進(jìn)行了高位鉆孔抽放和采空區(qū)接管抽放等采空區(qū)瓦斯治理措施。工作面回采前，回風(fēng)巷日常瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.65%~1.25%，回風(fēng)巷瓦斯受氣溫作用極為顯著，異常期間上隅角瓦斯?jié)舛雀哌_(dá)1.2%以上。

2 采空區(qū)瓦斯涌出及其特點(diǎn)

2.1 頂板裂隙分布

工作面回采后，采場上部頂板跨落，采場上覆巖層中存在多層堅(jiān)硬巖層時(shí)，全部或局部對巖體活動起決定作用的巖層成為關(guān)鍵層[1]。當(dāng)頂板關(guān)鍵層破斷后，位于采空區(qū)中部的采動裂隙趨于壓實(shí)，于是在采空區(qū)四周存在一個(gè)互相連通的采動裂隙發(fā)育區(qū)，也就是采動裂隙[2]。頂板煤巖體的裂隙構(gòu)成瓦斯流動通道，大量采空區(qū)高濃度瓦斯富集在“O”形圈內(nèi)（見下頁圖2）。煤礦開采期間，采空區(qū)隨工作面的回采逐步增大，富集于“O”形圈內(nèi)的高濃度瓦斯在采空區(qū)內(nèi)自由運(yùn)動，當(dāng)鄰近采空區(qū)裂隙發(fā)育范圍布置工作面時(shí)，大量采空區(qū)瓦斯將通過裂隙直接涌入工作面順槽巷道和工作面，導(dǎo)致回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛却蠓黾?，甚至引起瓦斯超限?/p>

圖2 工作面上部覆巖“O”形圈分布

隨著工作面回采的推進(jìn)，采空區(qū)巖層逐漸被壓實(shí)而形成一個(gè)環(huán)形采動裂隙發(fā)育區(qū)，即采動裂隙“O”形圈，各種不同來源的瓦斯在“解吸-擴(kuò)散-滲流”的梯度差作用下逐漸向“O”形圈處匯聚，形成裂隙帶瓦斯富集區(qū)，該瓦斯富集區(qū)內(nèi)聚存的瓦斯需在巖層被壓實(shí)前抽采，以防被上覆巖層應(yīng)力重新壓實(shí)而由離層區(qū)變成重新壓實(shí)區(qū)，避免大量瓦斯被壓出涌入采掘空間[3]?；谏鲜鲈?，應(yīng)提前布置鉆孔針對性抽采裂隙帶瓦斯富集區(qū)瓦斯，并在工作面回采推進(jìn)影響到鉆孔終孔點(diǎn)位置時(shí)及時(shí)聯(lián)網(wǎng)抽采，高效抽采回采面采空區(qū)瓦斯，預(yù)防工作面瓦斯超限事故發(fā)生。

2.2 覆巖裂隙分布

煤層開采活動所造成的煤體原始支撐應(yīng)力被消除，煤層頂板一定距離的上覆巖層會在重力作用下發(fā)生變形，主要呈現(xiàn)頂板發(fā)生橫向離層位移和豎向垂直位移，在巖層位移作用下實(shí)現(xiàn)巖層內(nèi)水平和垂直應(yīng)力的重新分布[4]。橫向離層位移和豎向垂直位移在頂板上覆巖層裂隙三帶區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)不同的分布規(guī)律[5]，見圖3。

圖3 工作面頂板上覆巖層應(yīng)力變化分帶

冒落帶是開采煤層采出后直接頂隨即垮落并充填已采煤層的采掘空間，出現(xiàn)不連續(xù)、不規(guī)則的裂隙空間，是頂板上方破壞最嚴(yán)重的區(qū)域，裂隙和裂縫的大量存在促使彼此相互連通，工作面瓦斯向上運(yùn)移會逐漸在垮落帶內(nèi)集聚[6]。在該區(qū)域內(nèi)，橫向離層裂隙和豎向破斷裂隙彼此相互交叉，橫向離層位移最先出現(xiàn)，并隨著上覆巖層垮落量的增大，垮落的覆巖水平位移彎曲度超過其最大撓度，豎向垂直位移出現(xiàn)，并使上下離層位移貫通[7]。冒落帶之上的裂隙帶巖層受采動影響后會出現(xiàn)下傾位移，橫向離層裂隙和豎向破斷裂隙進(jìn)一步形成，特別是在裂隙帶的底部，大量的破斷裂隙出現(xiàn)，產(chǎn)生的裂隙會比垮落帶更為發(fā)育，大量瓦斯將在此處的裂隙空間內(nèi)富集，老頂垮落會將大量裂隙帶富集瓦斯帶入工作面采掘空間[8]。裂隙帶上部的彎曲下沉帶受采動影響程度相對較弱，主要呈現(xiàn)橫向離層位移，此區(qū)域的覆巖僅出現(xiàn)輕微的層間離層，豎向的垂直位移難以產(chǎn)生，此區(qū)域內(nèi)的巖層瓦斯將在離層裂隙內(nèi)集聚，由于缺少豎向破斷裂隙使得各層的離層位移不能連通，很難向下運(yùn)移影響工作面的瓦斯?jié)舛萚9]。

2.3 采動井抽采技術(shù)的優(yōu)越性

采用采動井抽采，最直接的優(yōu)勢是利用地面的鉆井導(dǎo)向定位功能，實(shí)現(xiàn)鉆井布置的精準(zhǔn)施工[1]。將地面鉆井超前布置在工作面頂板上方，待工作面煤體采動破壞的影響，上覆巖層會產(chǎn)生破斷裂隙，煤層瓦斯在升浮特性的影響下在裂隙帶形成瓦斯富集區(qū)，見圖4所示。采動井利用地面抽采泵的影響下，利用大直徑的鉆孔實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)抽采，及時(shí)將工作面上浮匯集的瓦斯及上覆巖層中賦存的瓦斯及時(shí)抽排出工作面，避免瓦斯在采動應(yīng)力、頂板下沉?xí)r對工作面安全生產(chǎn)造成威脅[10]。

圖4 采動井采中和采后連續(xù)抽采

采動井除實(shí)現(xiàn)采動期間的瓦斯治理外，可有效提供礦井的瓦斯利用率。工作面開采完畢后，采空區(qū)頂板裂隙會逐步趨于穩(wěn)定，在形成穩(wěn)定的破裂網(wǎng)狀裂隙前及穩(wěn)定形成后，仍可以利用采動井的有效負(fù)壓，對老采空區(qū)的殘存瓦斯實(shí)現(xiàn)能用盡用，既符合國家能源局倡導(dǎo)的《關(guān)于推進(jìn)關(guān)閉煤礦瓦斯綜合治理與利用的指導(dǎo)意見》的要求，實(shí)現(xiàn)了煤礦的綠色循環(huán)開采，又可在礦井進(jìn)行先導(dǎo)性試驗(yàn)，以驗(yàn)證采動井抽采的可行性[11]。

3 采動井施工

3.1 井身設(shè)計(jì)

從開采工作面所在位置的地表施工大孔徑抽放鉆孔，并安設(shè)套管防止鉆孔受采動影響變形；采動井終孔位置位于回采工作面開采煤層上部，終孔80 m范圍埋設(shè)篩管，覆蓋整個(gè)垮落帶。采空區(qū)抽放井的井身按照三開設(shè)計(jì)，一開使用Φ311.15 mm鉆頭，鉆進(jìn)基巖下10 m，下入Φ244.5 mm的表層套管，固井水泥返高至地表；二開使用Φ215.9 mm鉆頭，鉆過3號煤頂板上的40 m處，下入Φ177.8 mm的地質(zhì)套管，固井水泥返高至地表；三開使用Φ152.4 mm鉆頭，鉆至3號煤層（采空區(qū)）底板或視現(xiàn)場瓦斯涌出情況決定最終止深，裸眼完井。提升抽采泵的能力，選用2BE1253型直聯(lián)真空泵，電機(jī)功率75 kW，額定排氣量達(dá)到40.8 m3/min。具體設(shè)計(jì)及實(shí)物見圖5所示。

圖5 地面采動井現(xiàn)場圖

3.2 井位布置

鉆井布置盡量靠近采面回風(fēng)巷一側(cè)處于0.2~0.4 L（L為工作面長度）區(qū)域內(nèi)，保證上隅角附近處于鉆井的裂隙帶抽采覆蓋區(qū)域，提高采空區(qū)瓦斯治理效果，見圖6。布置的主要原則，即通過地面采動井的高效抽采，攔截“O”形圈裂隙帶富集區(qū)的瓦斯向采掘空間運(yùn)移，其抽采影響范圍會直接影響到工作面上隅角的瓦斯?jié)舛?，避免工作面出現(xiàn)瓦斯超限事故。

圖6 采動區(qū)地面井布置區(qū)域

經(jīng)過現(xiàn)場踏勘和對地層條件分析，最終確定采動井的具體井位，距回風(fēng)側(cè)42 m，距停采線161 m，距切眼側(cè)89 m，井位坐標(biāo)如表1所示。

表1 井位基本數(shù)據(jù)

4 采動井抽采效果

4.1 治理效果

1311（上）采面于2019年4月17日正常揭露YCCD-13井，揭露后正常投運(yùn)，截止到7月22日累計(jì)抽放95 d，平均抽放濃度55%，平均抽放純量5.8 m3/min，平均日抽放量0.84萬m3，累計(jì)抽放瓦斯80余萬m3，如圖7所示。

圖7 地面鉆井采動井抽采變化曲線

YCCD-13井的成功投運(yùn)主要在以下三個(gè)方面的效果尤為顯著。一是增強(qiáng)了井筒套管的抵抗能力，套管未發(fā)生彎曲變形。截止到7月22日累計(jì)抽采95 d，在采面回采推過鉆井50~100 m的采動影響嚴(yán)重區(qū)域依然維持了正常抽采。目前采面已經(jīng)回采結(jié)束，鉆井仍然正常運(yùn)行。二是YCCD-13井投運(yùn)后有效解決了采面上隅角和回風(fēng)流的瓦斯異常涌出問題，保證了采面的安全回采，如表2所示。

表2 地面井抽采后工作面瓦斯變化

三是將抽采出的瓦斯進(jìn)行集輸利用，變廢為寶。采動井投運(yùn)后抽采濃度一直維持在50%以上，通過就地建設(shè)集輸系統(tǒng)，直接并入管網(wǎng)利用，截止到7月22日累計(jì)增加效益9.6萬元。

4.2 推廣應(yīng)用

隨著采動井在岳城礦區(qū)的有效使用，工作面在采動井200 m半徑范圍內(nèi)回采時(shí)，工作面瓦斯?jié)舛绕椒€(wěn)地保持在0.35%左右，對回采工作面采空區(qū)瓦斯治理起到了至關(guān)重要的作用，因此，根據(jù)岳城礦單個(gè)3號煤工作面（傾向長度180 m，走向長度1 000 m），按照抽采半徑200 m，則每個(gè)工作面設(shè)計(jì)布置2口采動井，即可滿足工作面回采過程中采空區(qū)瓦斯的有效治理，為岳城礦上分層工作面堅(jiān)持實(shí)施U型通風(fēng)系統(tǒng)提供了可靠的保障。

5 結(jié)論

1）試驗(yàn)證明，施工采動井直達(dá)采動裂隙帶進(jìn)行采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)可行，且突破了井下封堵和抽放采空區(qū)瓦斯技術(shù)的局限。

2）實(shí)施采動井抽放可大量抽采采空區(qū)瓦斯，實(shí)現(xiàn)煤礦采煤、采氣綜合發(fā)展。

3）采動井大能力抽放可有效改變采動裂隙帶瓦斯流動方向，進(jìn)而引導(dǎo)采空區(qū)瓦斯流場的改變，達(dá)到抑制采空區(qū)瓦斯向回風(fēng)巷涌出的目的。