鄭文龍，楊 朝，白亦歡，季鵬飛，孔祥國，楊送瑞

(1.陜西彬長大佛寺礦業(yè)有限公司，陜西省咸陽市，713500；2.西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西省西安市，710054)

0 引言

我國煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，極近距離煤層賦存數(shù)量與開采數(shù)量所占比重大[1-2]。極近距離煤層具有煤層間距小、開采時相互影響大等特點[3-4]。極近距離煤層重復(fù)采動條件下，覆巖卸壓、裂隙分布及其演化規(guī)律均不同于單一煤層開采，上覆巖層經(jīng)歷重復(fù)卸壓，裂隙區(qū)進一步發(fā)育，覆巖裂隙演化經(jīng)歷產(chǎn)生、擴張、壓實、再擴張、再壓實等階段，采空區(qū)瓦斯分布與運移復(fù)雜，致使工作面瓦斯涌出量大、回風(fēng)隅角瓦斯易超限[5-10]。針對極近距離煤層重復(fù)采動條件下工作面瓦斯涌出量大、回風(fēng)隅角瓦斯易超限等問題，采用單一的卸壓瓦斯抽采方法顯然無法滿足煤礦安全、高效生產(chǎn)要求[11-12]。此外，不同礦井的地質(zhì)構(gòu)造及煤層、瓦斯賦存特征具有不可重復(fù)性，研究適用礦井自身條件的卸壓瓦斯綜合治理方法具有重要意義[13-14]。

綜上所述，筆者以大佛寺煤礦40201工作面為工程背景，確定極近距離煤層重復(fù)采動影響下合理的卸壓瓦斯抽采方法，旨在提高卸壓瓦斯抽采效果，杜絕工作面瓦斯涌出量大、回風(fēng)隅角瓦斯易超限的問題，為極近距離煤層工作面瓦斯治理提供參考。

1 試驗工作面概況

大佛寺煤礦位于陜西彬長礦區(qū)南部，主采4號煤層，4上號煤層局部可采，4號煤層平均厚度11.65 m，4上號煤層平均厚度2.49 m，煤層平均埋深482 m。40201工作面位于402采區(qū)北翼，開采4號煤層，走向長度1 603 m，傾向長度300 m，可采長度1 415 m，其上部為4上號煤層采空區(qū)。該工作面煤層頂板與4上號煤層采空區(qū)底板隔厚4.0～24.8 m。工作面原始瓦斯含量2.69～3.11 m3/t，采前累計抽排瓦斯量767.7萬m3，殘余瓦斯含量1.10～1.28 m3/t，可解吸瓦斯量0.62～0.74 m3/t，瓦斯預(yù)抽達標，滿足回采要求。

2 極近距離煤層重復(fù)采動卸壓瓦斯治理

4上號煤層開采后，4上號煤層采空區(qū)底板原有地應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，導(dǎo)致底板煤巖體移動變形、膨脹卸壓，產(chǎn)生大量縱向裂隙和橫向裂隙[15]，使鄰近的4號煤層平衡瓦斯壓力產(chǎn)生卸壓現(xiàn)象，形成較大瓦斯裂隙場[16]。

4號煤層回采過程中，通過向上覆瓦斯裂隙場施工鉆孔可有效抽采上覆煤層采空區(qū)瓦斯。根據(jù)40201工作面瓦斯超限原因并結(jié)合實際地質(zhì)及開采情況，提出了“分區(qū)段”卸壓瓦斯綜合治理的方法。

“分區(qū)段”即根據(jù)4號煤層頂板與4上號煤層采空區(qū)底板隔厚h的不同，采取與之相對應(yīng)的卸壓瓦斯治理措施。

(1)h<8 m時，工作面平均絕對瓦斯涌出量為7.4 m3/min，平均回風(fēng)瓦斯?jié)舛?.24%，該區(qū)段采用“上隅角邁步式埋管+風(fēng)排瓦斯”的方式可有效治理工作面瓦斯.

(2)8≤h<15 m時，該區(qū)段采用“高位卸壓鉆孔+上隅角邁步式埋管+風(fēng)排瓦斯”的方式可有效治理工作面瓦斯。

(3)h≥15 m時，該區(qū)段采用“高位定向鉆孔+上隅角邁步式埋管+風(fēng)排瓦斯”的方式可有效治理工作面瓦斯。

2.1 上隅角埋管抽采瓦斯技術(shù)

在40201回風(fēng)巷上隅角布置一趟Φ450 mm抽采管路，在開切眼向外100 m處安裝三通，延接2趟Φ600 mm負壓風(fēng)筒，并在回風(fēng)巷回采前布設(shè)的Φ450 mm抽采管路基礎(chǔ)上延接一趟Φ600 mm負壓風(fēng)筒，分別伸入上隅角采空區(qū)5、10、15 m，對采空區(qū)瓦斯進行邁步式抽采，如圖1所示。

圖1 上隅角邁步式埋管抽采示意

2.2 鉆場高位卸壓鉆孔抽采技術(shù)

40201工作面回采前在回風(fēng)巷1 240、1 080 m施工2個鉆場(1號、2號鉆場)，每個鉆場施工12個鉆孔，設(shè)計孔徑153 mm，鉆孔采用Φ89 mm套管封通孔，鉆孔水平覆蓋距回風(fēng)巷15～48 m區(qū)域，終孔位于煤層頂板向上5 m，如圖2所示。因1號、2號高位鉆場覆蓋區(qū)段隔厚普遍在8～15 m，40201工作面回采至1號高位鉆場和2號高位鉆場覆蓋區(qū)段期間，利用鉆場內(nèi)高位卸壓鉆孔對工作面瓦斯進行抽采，可有效治理工作面瓦斯。

圖2 40201工作面回風(fēng)巷1號、2號鉆場高位卸壓鉆孔示意

隨著40201工作面推進，在回風(fēng)巷布設(shè)新3號鉆場(回風(fēng)巷570 m處)和新4號鉆場(回風(fēng)巷250 m處)。其中，新3號鉆場施工5個高位鉆孔，新4號鉆場施工8個高位鉆孔，設(shè)計孔徑153 mm，鉆孔采用Φ89 mm套管封通孔，鉆孔水平覆蓋距回風(fēng)巷20～50 m區(qū)域，終孔位于4上號煤層采空區(qū)底板，如圖3所示。因新3號、新4號高位鉆場覆蓋區(qū)段隔厚普遍在8～15 m，工作面回采至新3號和新4號高位鉆場覆蓋區(qū)段期間，利用鉆場內(nèi)高位卸壓鉆孔對工作面瓦斯進行抽采，可有效治理工作面瓦斯。

圖3 40201工作面回風(fēng)巷新3號、新4號鉆場高位卸壓鉆孔示意

2.3 鉆場高位定向鉆孔抽采技術(shù)

根據(jù)煤層賦存條件，4號煤層頂板巖層為粉砂巖，具有穩(wěn)定性、透氣性好且位于頂板裂縫帶內(nèi)的特點。為此，在40201工作面回風(fēng)巷3號鉆場(3號鉆場位于2號鉆場與新3號鉆場之間)施工1個高位定向鉆孔，設(shè)計孔徑200 mm，目標層位位于4號煤層頂板向上5～10 m，鉆孔水平內(nèi)錯回風(fēng)巷15 m，鉆孔長度490 m，如圖4所示。因3號高位鉆場覆蓋區(qū)段隔厚普遍大于15 m，工作面回采至3號高位鉆場覆蓋區(qū)段期間，利用鉆場內(nèi)高位定向鉆孔對工作面瓦斯進行抽采，可有效治理工作面瓦斯。

圖4 40201工作面3號鉆場高位定向鉆孔剖面

3 極近距離煤層重復(fù)采動卸壓瓦斯抽采效果

3.1 上隅角瓦斯抽采階段

40201工作面回采至550 m時，此區(qū)段4號煤層頂板與4上號煤層采空區(qū)底板隔厚小于8 m，僅利用上隅角埋管進行采空區(qū)抽采，整個抽采過程中工作面回風(fēng)瓦斯?jié)舛然揪S持在0.28%左右，工作面瓦斯治理效果較好。因此，極近距離煤層在上煤層已回采完畢、下煤層回采時，當(dāng)4號煤層頂板與4上號煤層采空區(qū)底板隔厚小于8 m時，僅利用上隅角埋管抽采采空區(qū)瓦斯，可有效治理工作面瓦斯。

3.2 鉆場高位卸壓鉆孔抽采階段

40201工作面回采至回風(fēng)巷1號鉆場、2號鉆場高位卸壓鉆孔覆蓋范圍時，該組鉆孔抽采負壓26.6 kPa，瓦斯?jié)舛?0.6%，混合氣體流量63.07 m3/min，瓦斯抽采量最大6.75 m3/min。整個抽采過程中工作面回風(fēng)瓦斯?jié)舛茸畲鬄?.24%。40201工作面回采至回風(fēng)巷新3號鉆場、新4號鉆場高位卸壓鉆孔覆蓋范圍時，該組鉆孔抽采負壓39.9 kPa，瓦斯?jié)舛?2.04%，混合氣體流量8.88 m3/min，瓦斯抽采量最大2.23 m3/min，整個抽采過程中工作面回風(fēng)瓦斯?jié)舛茸畲?.26%。

分析1號、2號、新3號、新4號鉆場高位卸壓鉆孔的瓦斯抽采效果可以發(fā)現(xiàn)，高位卸壓鉆孔在縱向方向?qū)松细餐咚沽严秷?，橫向方向布置在工作面“O型裂隙圈”內(nèi)，可有效抽采采空區(qū)瓦斯[17-18]。因此，極近距離煤層在上煤層已回采完畢、下煤層回采時，當(dāng)4號煤層頂板與4上號煤層采空區(qū)底板隔厚在8～15 m范圍時，沿上煤層施工高位卸壓鉆孔，可有效治理工作面瓦斯。

3.3 高位定向鉆孔抽采階段

極近距離煤層開采條件下，受地質(zhì)條件影響，高位定向鉆孔施工難度大，主要表現(xiàn)在穿過上煤層時易出現(xiàn)夾鉆、不返水等情況。當(dāng)4號煤層頂板與4上號煤層采空區(qū)底板隔厚大于15 m時，可在下煤層頂板向上5～10 m處施工高位定向鉆孔。高位定向鉆孔施工層位在煤層頂板上方5～10 m，在裂隙充分導(dǎo)通的情況下可有效抽采采空區(qū)卸壓瓦斯。

40201工作面回采至3號鉆場覆蓋區(qū)域時，利用3號鉆場高位定向鉆孔進行瓦斯抽采，此段鉆孔抽采負壓37.9 kPa，瓦斯?jié)舛?.6%，混合氣體流量41.93 m3/min，瓦斯抽采量最大達3.19 m3/min，工作面回風(fēng)瓦斯?jié)舛茸畲筮_0.3%，瓦斯治理效果良好。在類似地質(zhì)條件下，還可考慮增加煤層頂板上方5～10 m范圍內(nèi)高位定向鉆孔個數(shù)，進一步提高工作面瓦斯抽采量；或在條件具備的情況下，施工高位定向鉆孔分段開分支導(dǎo)通上覆采空區(qū)來提高高位定向鉆孔的抽采效果[19-20]。

4 煤層隔厚對周期來壓/瓦斯涌出的影響規(guī)律

4.1 瓦斯涌出與隔厚的關(guān)系

40201工作面開采的4號煤層頂板與4上號煤層采空區(qū)底板隔厚呈現(xiàn)出“兩端大、中間小”的分布特征。其中，工作面中部隔厚相對較小，最小隔厚僅為4.0 m；由工作面中部向開切眼、終采線方向逐漸變厚，開切眼、終采線附近最大隔厚分別為15.2、24.8 m。40201工作面回采期間，隨著4號煤層頂板與4上號煤層采空區(qū)底板隔厚不斷變化，選取工作面推進距離0～600 m的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，得出絕對瓦斯涌出量變化規(guī)律如圖5所示。

由圖5可知，40201工作面回采期間平均瓦斯涌出量為9 m3/min；工作面回采至35 m時，工作面瓦斯涌出量10.70 m3/min；工作面回采至140 m時，工作面瓦斯涌出量達到15.02 m3/min。整體來看，隨著40201工作面的回采，4號煤層頂板與4上號煤層采空區(qū)底板隔厚不斷減小，工作面絕對瓦斯涌出量不斷降低，最終達到動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。其主要原因為：上煤層回采過程中下煤層瓦斯沿裂隙逸散至上煤層，起到解放層優(yōu)先開采加速下煤層瓦斯釋放的作用，并且隨著隔厚不斷減小，下煤層噸煤瓦斯含量下降越大，一定程度上對40201工作面瓦斯區(qū)域治理發(fā)揮了作用[21-22]；40201工作面4號煤層頂板與4上號煤層采空區(qū)底板隔厚越小，裂隙發(fā)育越充分，4號煤層越容易與4上號煤層采空區(qū)導(dǎo)通，部分卸壓瓦斯沿裂隙通道逸散至4上號煤層采空區(qū)[23]。

4.2 周期來壓與隔厚的關(guān)系

為確定40201工作面瓦斯涌出量與周期來壓的關(guān)系，進一步明確4號煤層頂板與4上號煤層采空區(qū)底板隔厚對瓦斯涌出的影響規(guī)律，基于工作面實際地質(zhì)條件，以相似理論為基礎(chǔ)，開展煤層走向方向的物理相似模擬實驗。煤層開切眼設(shè)置在模型邊界15 cm處，作為保護煤柱，模型幾何相似比為1∶200，開切眼4 cm，對應(yīng)還原值為8 m，每20 min推進一次。40201工作面周期來壓隨推進距離的分布特征模擬如圖6所示，通過開展物理相似模擬實驗發(fā)現(xiàn)，確定40201工作面來壓步距為35 m，通過分析工作面來壓次數(shù)(圖6)、4號煤層頂板與4上號煤層采空區(qū)底板隔厚，并結(jié)合工作面瓦斯抽采量可推斷裂隙發(fā)育距離，如圖7所示。

圖6 40201工作面周期來壓隨推進距離的分布特征模擬

圖7 40201工作面周期來壓對瓦斯涌出的影響規(guī)律

由圖7可知，工作面回采距離越大，裂隙發(fā)育越充分，工作面回采至35 m時工作面初次來壓，工作面瓦斯涌出量10.7 m3/min，瓦斯抽采量5.56 m3/min，說明裂隙與4上號煤層導(dǎo)通，裂隙發(fā)育高度19.7 m。工作面回采至140 m時(第4次周期來壓)，工作面瓦斯涌出量達到15.02 m3/min，瓦斯抽采量9.54 m3/min，該區(qū)段4號煤層頂板與4上號煤層采空區(qū)底板隔厚為14.59 m。說明4號煤層頂板與4上號煤層采空區(qū)底板隔厚為14.59 m時工作面采空區(qū)與4上號煤層采空區(qū)整體冒落。

5 結(jié)論

(1)大佛寺40201工作面為防治回采期間瓦斯大量涌出、回風(fēng)隅角瓦斯超限等問題，提出了“分區(qū)段”卸壓瓦斯綜合治理方法，解決了4號煤層頂板與4上號煤層采空區(qū)底板隔厚不均帶來的卸壓瓦斯防治難題，并取得良好的現(xiàn)場應(yīng)用效果。

(2)“分區(qū)段”卸壓瓦斯綜合治理方法根據(jù)4號煤層頂板與4上號煤層采空區(qū)底板隔厚的不同，選取相應(yīng)的卸壓瓦斯治理措施。當(dāng)4號煤層頂板與4上號煤層采空區(qū)底板隔厚小于8 m時，僅采用“上隅角邁步式埋管+風(fēng)排瓦斯”的方式可有效治理工作面瓦斯。

(3)4號煤層頂板與4上號煤層采空區(qū)底板隔厚在8～15 m范圍時，采取留設(shè)鉆場向上覆采空區(qū)施工高位卸壓鉆孔，高位卸壓鉆孔縱向?qū)ㄉ细餐咚沽严秷?，可有效抽采工作面采空區(qū)卸壓瓦斯，該階段采用“高位卸壓鉆孔+上隅角邁步式埋管+風(fēng)排瓦斯”的方式可有效治理工作面瓦斯。

(4)極近距離聯(lián)合煤層開采條件下，受地質(zhì)條件影響高位定向鉆孔施工難度大，當(dāng)4號煤層頂板與4上號煤層采空區(qū)底板隔厚大于15 m時，具備高位定向鉆孔施工條件。高位定向鉆孔施工層位在煤層頂板上方5～10 m，在裂隙充分導(dǎo)通的情況下也可有效抽采采空區(qū)卸壓瓦斯。此階段采取“高位定向鉆孔+上隅角邁步式埋管+風(fēng)排瓦斯”的方式可有效治理工作面瓦斯。