張東旭

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

瓦斯災(zāi)害是煤礦的主要災(zāi)害之一[1-2]。煤層的賦存條件直接影響煤層瓦斯的大小。煤層瓦斯的賦存影響因素較多，其中包括煤的變質(zhì)程度、煤層厚度、煤對(duì)瓦斯吸附性能、頂?shù)装鍘r性及透氣性、埋藏深度、地質(zhì)構(gòu)造等。國(guó)內(nèi)外大量的實(shí)驗(yàn)表明：在相同的瓦斯壓力下煤的變質(zhì)程度越高，煤的吸附性能越好，煤吸附的瓦斯量越大[3]。很多專(zhuān)家學(xué)者研究了構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存的影響，提出密閉型構(gòu)造能夠較好的保存瓦斯不利于瓦斯流動(dòng)，瓦斯壓力和含量明顯大于其它區(qū)域，開(kāi)放型構(gòu)造瓦斯有較好的擴(kuò)散通道，瓦斯壓力和含量低于其它區(qū)域。魏國(guó)營(yíng)[4]、張建國(guó)[5]、邵國(guó)安[6]、李如波[7]、張鐵崗[8]、申建[9]等專(zhuān)家學(xué)者分析了平頂山礦區(qū)構(gòu)造對(duì)煤層瓦斯賦存的影響。張子敏等提出了煤礦瓦斯賦存的構(gòu)造逐級(jí)控制理論，指出：瓦斯賦存主要受地質(zhì)構(gòu)造作用控制、構(gòu)造擠壓剪切作用控制著高瓦斯和構(gòu)造煤分布、瓦斯和構(gòu)造煤分布存在區(qū)域控制礦區(qū)、礦井控制采區(qū)采面的逐級(jí)控制特征。我國(guó)地域廣闊，地形地貌復(fù)雜，成煤年代和成煤條件也各不相同，受地質(zhì)條件影響，每一個(gè)礦區(qū)的煤層瓦斯賦存差異較大，其治理方法也各不相同。國(guó)內(nèi)外的專(zhuān)家學(xué)者在煤的變質(zhì)程度、煤對(duì)瓦斯吸附性能、頂?shù)装鍘r性及透氣性、埋藏深度、地質(zhì)構(gòu)造等對(duì)煤層瓦斯賦存影響做了大量研究，取得了豐碩的科研成果。但針對(duì)巨厚油頁(yè)巖頂板賦存條件下近距離煤層群瓦斯的賦存規(guī)律及治理技術(shù)研究還相對(duì)較少，為此，在前人研究的基礎(chǔ)上，提出了上覆巨厚油頁(yè)巖近距離煤層群瓦斯防治技術(shù)[10-14]。

1 礦井概況

1.1 礦井地質(zhì)概況

依蘭煤田位于哈爾濱市依蘭縣境內(nèi)。該區(qū)構(gòu)造位于新華夏系第二隆起帶張廣才嶺隆起北緣。本區(qū)斷層比較發(fā)育，主要有北東向、北西向2組斷層，以正斷層為主，逆斷層次之，北東向斷層發(fā)育。本區(qū)已查明斷層19條[15]。含煤地層為第三系達(dá)連河組地層，煤層集中分布于含煤段。本區(qū)含煤段最小厚度為7.78 m，最大厚度為100.34 m，一般在10～60 m，含煤段平均厚度為41.92 m?，F(xiàn)已查明含煤3個(gè)層組，5層煤（上1、上1-上2、上2、中、下），其中可采煤層4層，分別為上1、上2、中及下煤層，均為長(zhǎng)焰煤，煤層變質(zhì)程度較低[15]。油頁(yè)巖段（E2d3）位于煤層群上部，主要由巨厚的油頁(yè)巖和薄層粉細(xì)砂巖組成，最小厚度為32 m，最大厚度為165 m，一般厚度70～140 m。油頁(yè)巖段有由北向南變薄的趨勢(shì)，中部厚，四周?。皇芟虏可暗[巖段的影響，砂礫巖向南增厚，油頁(yè)巖段變薄[15]。

礦井設(shè)計(jì)首采上1煤層，首采工作面走向長(zhǎng)200 m，傾向長(zhǎng)800 m，采用傾向長(zhǎng)壁采煤，綜采放頂煤開(kāi)采。

1.2 礦井地質(zhì)賦存特點(diǎn)

1）根據(jù)礦井的地質(zhì)資料，該礦井可采煤層間距均小于10 m，為近距離煤層群。煤層群上覆巖層為70～140 m的巨厚油頁(yè)巖，油頁(yè)巖上部為砂泥巖，煤層群的底部為海西期花崗巖，巖層致密。從頂?shù)装鍘r性來(lái)看，煤層群圍巖的透氣性不好，為煤層群內(nèi)的瓦斯封存提供了有利條件。

2）區(qū)內(nèi)大斷層較多，有正斷層也有逆斷層。斷層直接影響煤層瓦斯賦存，開(kāi)放性斷層，為煤層瓦斯逸散提供條件，斷層附近的瓦斯含量和瓦斯壓力減??；封閉性斷層阻止瓦斯逸散，斷層附近的瓦斯含量和瓦斯壓力增大，可能形成高瓦斯區(qū)。

3）隨著埋深的增加，地應(yīng)力增加，煤層中瓦斯向外逸散的通道受阻，瓦斯含量和瓦斯壓力隨之增大。實(shí)踐表明，瓦斯壓力和瓦斯含量會(huì)隨著埋藏深度呈線(xiàn)性增加，增加的趨勢(shì)因地質(zhì)條件而定?，F(xiàn)礦井開(kāi)采水平為+600 m水平，水平大巷埋深700 m。

1.3 礦井瓦斯賦存規(guī)律

地勘期間瓦斯采樣測(cè)試顯示，本區(qū)自然瓦斯含量最高為6.38 m3/t，最小為0.10 m3/t，平均為2.37 m3/t。本區(qū)煤層瓦斯有由淺至深、由東至西逐漸升高的趨勢(shì)。

井下實(shí)測(cè)瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)見(jiàn)表1。由表1可知，礦井瓦斯賦存不均衡，主要是區(qū)內(nèi)斷層較多，而已正斷層為主，因此煤層瓦斯壓力測(cè)定的測(cè)點(diǎn)有2/3左右的數(shù)值較低，1/3左右的測(cè)點(diǎn)數(shù)值較大。測(cè)定的煤層瓦斯壓力最大值均超過(guò)了煤與瓦斯突出臨界值0.74 MPa，具有潛在突出危險(xiǎn)性。各煤層瓦斯壓力在同等標(biāo)高下數(shù)值相近，主要是由于各煤層間距近，各煤層的之間的巖層為各煤層間瓦斯流動(dòng)提供了較多的通道。根據(jù)上部開(kāi)采期間的瓦斯情況來(lái)看，整體上是隨著埋藏深度的增加瓦斯呈增大趨勢(shì)。從瓦斯含量測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，也體現(xiàn)了瓦斯賦存的不均衡性，其中，中煤層瓦斯含量超過(guò)了8 m3/t。從測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看煤層透氣性各煤層差異較大，上1、上2和下煤層為可抽煤層，中煤層為較難抽采～可以抽采。

表1 井下實(shí)測(cè)瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)Table 1 Underground measured gas foundation parameters

1.4 上覆巨厚油頁(yè)巖近距離煤層群瓦斯賦存特點(diǎn)

1）煤系地層位于巨厚油頁(yè)巖和堅(jiān)硬花崗巖之間，煤層群頂、底板通氣性不好，不利于瓦斯逸散，為瓦斯的封存創(chuàng)造了條件。雖然煤層變質(zhì)程度低，但實(shí)際測(cè)定的瓦斯壓力及含量較高。

2）礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，斷層發(fā)育，以正斷層為主、逆斷層次之，斷層的影響造成了瓦斯賦存不均衡。

3）煤層埋藏深度超過(guò)700 m，地應(yīng)力較大，且煤層透氣性不好，不利于瓦斯流動(dòng)。

4）近距離煤層群開(kāi)采，各煤層之間瓦斯壓力相近，說(shuō)明各煤層瓦斯有相互連通的通道，開(kāi)采首采層時(shí)，受采動(dòng)影響其它煤層瓦斯會(huì)大量涌入首采層采動(dòng)空間，首采層的瓦斯治理難度較大。

5）各煤層瓦斯壓力均超過(guò)0.74 MPa，存在煤與瓦斯突出可能，應(yīng)首先考慮煤與瓦斯突出防治。

2 上覆巨厚油頁(yè)巖近距離煤層群瓦斯治理技術(shù)

根據(jù)該礦區(qū)的地質(zhì)條件及瓦斯賦存特點(diǎn)，首先應(yīng)考慮煤層的開(kāi)采順序，其次應(yīng)考慮煤與瓦斯突出防治，最后考慮回采期間瓦斯超限的治理[16-17]。

2.1 開(kāi)采順序的選擇

井下實(shí)測(cè)上1煤層最大瓦斯壓力為1.23 MPa，上2煤層最大瓦斯壓力為0.95 MPa，中煤層最大瓦斯壓力為1.4 MPa，下煤層最大瓦斯壓力為1.58 MPa。從瓦斯壓力測(cè)定結(jié)果來(lái)看，這4個(gè)煤層具有潛在突出危險(xiǎn)性。根據(jù)突出礦井的瓦斯治理應(yīng)堅(jiān)持區(qū)域防突措施先行、局部防突措施補(bǔ)充的原則。礦井為煤層群開(kāi)采，應(yīng)首先考慮保護(hù)層開(kāi)采。

1）從保護(hù)層開(kāi)采的角度分析。結(jié)合礦井的煤層賦存情況，中煤層作為主采煤層，應(yīng)優(yōu)選上1或上2煤層作為保護(hù)層開(kāi)采。由于上1、上2均有突出危險(xiǎn)可能性，則可考慮將上1煤層作為保護(hù)層開(kāi)采，原因是從防治煤與瓦斯突出角度分析首采上1煤層有利于各煤層的消突，而且上1煤層采完后再采上2煤層時(shí)，在卸壓范圍內(nèi)的上2煤層在經(jīng)過(guò)區(qū)域驗(yàn)證后無(wú)突出危險(xiǎn)情況下可以不對(duì)上2煤層回采工作面進(jìn)行預(yù)抽，減少預(yù)抽鉆孔工程量。

2）開(kāi)采下保護(hù)層不破壞被保護(hù)層的最小層間距。保護(hù)層的選擇原則中規(guī)定“開(kāi)采下保護(hù)層時(shí)，不得破壞被保護(hù)層的開(kāi)采條件”，開(kāi)采下保護(hù)層時(shí)，上部被保護(hù)層不被破壞的最小層間距應(yīng)根據(jù)礦井開(kāi)采實(shí)測(cè)資料確定；如無(wú)實(shí)測(cè)資料時(shí)且煤層傾角小于60°時(shí)，可參照式（1）進(jìn)行確定。具體為：①上2保護(hù)層厚度為2.59 m，煤層角度為14°計(jì)算出允許最小間距為25.1 m；②中保護(hù)層厚度為6.8 m，煤層角度為14°計(jì)算出允許最小間距為65.98 m；③下保護(hù)層厚度為1.94 m，煤層角度為14°，計(jì)算出允許最小間距為18.82 m?？梢钥闯觯謩e開(kāi)采上2、中、下煤層作為保護(hù)層時(shí)，均破壞了上部煤層的開(kāi)采條件，因此應(yīng)先開(kāi)采上1煤層作為保護(hù)層，然后自上至下依次開(kāi)采下部各煤層。

式中：H為允許采用的最小層間距，m；K為頂板管理系數(shù)，垮落法管理頂板時(shí)，取10，充填法管理頂板時(shí)，取6[18]；M為保護(hù)層的開(kāi)采厚度，m；a為煤層傾角，（°）。

3）保護(hù)層開(kāi)采后的殘余瓦斯壓力分析。從上1煤層作為保護(hù)層開(kāi)采消除被保護(hù)層瓦斯突出危險(xiǎn)性來(lái)看，上1煤層開(kāi)采后，上2煤層計(jì)算殘余瓦斯壓力為0.28 MPa，中煤層殘余瓦斯壓力為0.84 MPa，下煤層殘余瓦斯壓力為1.4 MPa，采上2后中煤層殘余瓦斯壓力為0.45 MPa，下煤層殘余瓦斯壓力為0.98 MPa。從殘余瓦斯壓力來(lái)看，首采上1煤層，從上至下依次開(kāi)采，能夠消除被保護(hù)層的突出危險(xiǎn)性。

4）從瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果分析。首采各煤層回采工作面時(shí)瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 首采各煤層回采工作面時(shí)瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果Table 2 Prediction results of gas emission at working face of each coal seam in the first mining face

由表2可知，首采上1煤層時(shí)，將上1煤層作為保護(hù)層開(kāi)采后下部煤層回采期間工作面瓦斯涌出量明顯減小，有利于瓦斯治理[18]，綜上所述，從上向下依次開(kāi)采對(duì)于瓦斯治理更為有利。首采上2煤層，瓦斯涌出量最大，若只靠通風(fēng)解決需要增加將近2 000 m3/min風(fēng)量，若抽采解決需要增加250 m3/min的抽采量。首采中煤層時(shí)本煤層瓦斯涌出量占比增大，而中煤層透氣性不好，本煤層若不采取增透措施，能抽出的瓦斯量有限，而且要增大抽采量，預(yù)抽時(shí)間需要增長(zhǎng)，影響開(kāi)采進(jìn)度。因此，從瓦斯涌出量大小和瓦斯治理的難度的角度來(lái)看，首采上1煤層，從上至下依次開(kāi)采較為合理[18]。

從防治煤與瓦斯突出、防治瓦斯超限的角度綜合來(lái)看，應(yīng)優(yōu)先開(kāi)采上1煤層，然后由上向下依次開(kāi)采。

2.2 煤層瓦斯抽采技術(shù)

瓦斯抽采是有效解決瓦斯問(wèn)題的必要手段，在首采上1煤層的基礎(chǔ)上，瓦斯抽采分為2部分：一部分是開(kāi)采前對(duì)掘進(jìn)巷道和回采區(qū)域進(jìn)行消突，另一部分是回采期間瓦斯大量涌出的防治。由于上1煤層最大瓦斯壓力1.23 MPa，在進(jìn)入煤層前應(yīng)對(duì)揭露煤巷的條帶進(jìn)行預(yù)抽。煤層瓦斯壓力降低后掘進(jìn)煤巷形成工作面，在煤巷掘進(jìn)期間向回采區(qū)域施工順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯?；夭善陂g由于首采工作面瓦斯涌出量最大，應(yīng)采用大流量抽采系統(tǒng)抽采采空區(qū)和鄰近層瓦斯。為了攔截受采動(dòng)影響的下部煤層卸壓瓦斯，可在底抽巷向回采空間施工穿層鉆孔抽采下部煤層的卸壓瓦斯。

1）首采面消突的抽采方法。煤層消突的方法是預(yù)抽煤層瓦斯，預(yù)抽分為定向鉆孔預(yù)抽、底板/頂板穿層鉆孔預(yù)抽，考慮到礦井為近距離煤層群開(kāi)采，從上1煤層頂板到下煤層底板30 m左右，根據(jù)煤層賦存條件選擇底板穿層鉆孔進(jìn)行預(yù)抽，在下煤層底板垂距15 m的位置施工2條底抽巷分別對(duì)進(jìn)回風(fēng)運(yùn)輸巷施工穿層鉆孔，抽采條帶瓦斯，鉆孔控制寬度超過(guò)巷道兩邊15 m。穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯方法如圖1。在煤巷條帶瓦斯消突之后，驗(yàn)證無(wú)突出危險(xiǎn)后，進(jìn)行煤巷掘進(jìn)，在煤巷掘進(jìn)期間，從進(jìn)回風(fēng)運(yùn)輸巷分別向回采空間施工鉆孔，鉆孔搭接距離為5 m。

圖1 穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯示意圖Fig.1 Strip gas schematic diagram of pre-drainage roadway through layer drilling

2）回采期間采空區(qū)瓦斯抽采方法。首采上1煤層采空區(qū)和鄰近層瓦斯涌出占69.67%。因此，采空區(qū)和鄰近層瓦斯是治理的重點(diǎn)，采空區(qū)和鄰近層瓦斯治理的主要手段有高抽巷、高位定向長(zhǎng)鉆孔以孔代巷等抽采方法。每一種抽采方法都有一定的適用性。高抽巷適用于工作面涌出總量大、抽采量大的工作面瓦斯治理，但施工成本較高。高位定向長(zhǎng)鉆孔以孔代巷適用于頂板巖石較硬，鉆孔不易塌孔的煤層瓦斯治理。因此，綜合考慮，由于工作面采用傾向俯采，工作面開(kāi)切眼標(biāo)高在埋藏深度在400 m左右，上部的瓦斯含量和瓦斯壓力較小，因此，工作面回采初期瓦斯比后期要小，考慮到成本首采工作面開(kāi)采初期可以采用定向鉆孔以孔代巷的抽采方法進(jìn)行抽采，后期采用高抽巷進(jìn)行抽采，高抽巷治理瓦斯示意圖如圖2。

圖2 高抽巷治理瓦斯示意圖Fig.2 Gas control schematic diagram of high drainage roadway

3）底抽巷抽采鉆孔抽采回采區(qū)域卸壓瓦斯。在回采首采煤層時(shí)，受采動(dòng)影響下部煤巖層形成裂隙，為瓦斯流通提供便利，下部及圍巖中賦存瓦斯，涌向開(kāi)采空間。為了攔截下部煤層瓦斯，可在底抽巷向回采空間施工間距較大的鉆孔(根據(jù)以往相似礦井施工經(jīng)驗(yàn)初步確定10 m×10 m）。這些鉆孔可以攔截下部煤層涌向開(kāi)采空間，回采后抽采空區(qū)內(nèi)瓦斯。底抽巷抽采鉆孔抽采回采區(qū)域卸壓瓦斯示意圖如圖3。

圖3 底抽巷抽采鉆孔抽采回采區(qū)域卸壓瓦斯示意圖Fig.3 Schematic diagram of pressure relief gas drainage in mining area by bottom drainage roadway drainage borehole

2.3 瓦斯治理效果

根據(jù)以上抽采方法對(duì)上1煤層首采工作面進(jìn)行治理，采用底板抽采巷道施工穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯+順層鉆孔抽采回采區(qū)域瓦斯的方法進(jìn)行了首采面的消突,預(yù)抽2個(gè)月后的殘余瓦斯壓力為0.31～0.56 MPa，上1煤層掘進(jìn)期間瓦斯?jié)舛仍?.1%～0.5%，絕對(duì)涌出量在0.5～2.5 m3/min。未發(fā)生煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象。

回采前期采用定向鉆孔以孔代巷+采空區(qū)埋管+底抽巷鉆孔抽采回采區(qū)間采動(dòng)影響瓦斯的抽采方法，到工作面中部后采用高抽巷+底抽巷鉆孔抽采回采區(qū)間采動(dòng)影響瓦斯的抽采方法，由于前期煤層處于淺部，各煤層瓦斯含量低，此時(shí)采用定向鉆孔以孔代巷抽采，高抽巷位置在上1煤層頂板20 m，沿煤層傾向布置，最邊緣鉆孔距回風(fēng)巷水平投影距離20 m,鉆孔間距10 m，鉆孔數(shù)3個(gè)，鉆孔孔徑133 mm。工作面涌出量在6～10 m3/min，抽采量在10～15 m3/min。后期采用高抽巷抽采，高抽巷距上1煤層頂板20 m，水平投影距回風(fēng)巷20 m，巷道斷面2 m×2 m，瓦斯涌出量在10～15 m3/min，抽采量15～20 m3/min。隨著工作面的推進(jìn)及頂板周期來(lái)壓瓦斯瓦斯涌出及抽采量呈波動(dòng)性變化。回采期間未出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間超限現(xiàn)象，保證了首采工作面的安全開(kāi)采。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）通過(guò)對(duì)上覆巨厚油頁(yè)巖近距離煤層群加底板為花崗巖的特點(diǎn)分析，得出該條件下各煤層瓦斯壓力及含量大，首采工作面瓦斯涌出量大，治理難度較高。

2）從防治煤與瓦斯突出、防治瓦斯超限的角度綜合分析，應(yīng)優(yōu)先開(kāi)采上1煤層，然后由上向下依次開(kāi)采。

3）上覆巨厚油頁(yè)巖近距離煤層群瓦斯治理方法是采前消突+回采防超限。消突采用底板巷道施工穿層鉆孔預(yù)抽巷道條帶瓦斯+順層鉆孔預(yù)抽回采空間瓦斯。回采期間采用采用定向鉆孔以孔代巷+采空區(qū)埋管+底抽巷鉆孔抽采回采區(qū)間采動(dòng)影響瓦斯的抽采方法，到工作面中部后采用高抽巷+底抽巷鉆孔抽采回采區(qū)間采動(dòng)影響瓦斯的抽采方法。

4）采用該方法進(jìn)行治理，掘進(jìn)期間瓦斯?jié)舛仍?.1%～0.5%，絕對(duì)涌出量在0.5～2.5 m3/min，未發(fā)生煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象?；夭善陂g工作面涌出量在6～15 m3/min，抽采量在10～20 m3/min，未出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間超限現(xiàn)象。