白振華,高 品,姬 東

(陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司下峪口煤礦,陜西 渭南 715400)

0 引言

近年來,隨著我國淺部煤礦資源逐漸減少,全國煤炭開采正以每年10～20 m的速度向深部延深[1]。在深部開采中地應(yīng)力高、瓦斯壓力大、構(gòu)造應(yīng)力場復(fù)雜,這些都將會(huì)增加煤與瓦斯突出事故發(fā)生的可能性,極易引發(fā)重大事故,影響煤礦安全生產(chǎn)[2-5]。

在眾多區(qū)域防突措施中,保護(hù)層開采是最有效的區(qū)域防突措施,通過提高煤層滲透率,從而大幅度提高保護(hù)層開采的效果。在開采過程中,被保護(hù)層發(fā)生破壞,進(jìn)而破壞原巖應(yīng)力平衡,使巖層產(chǎn)生大量裂隙,被保護(hù)層得到卸壓。秦汝祥、徐剛等[6-7]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場考察方法分析被保護(hù)層的應(yīng)力和形變,確定了上保護(hù)層和下保護(hù)層的卸壓保護(hù)范圍。程詳?shù)萚8]運(yùn)用數(shù)值試驗(yàn)方法討論了將軟巖作為保護(hù)層開采的效果,并提出了卸壓瓦斯綜合治理方案。文虎等[9]采用現(xiàn)場試驗(yàn)方法實(shí)測(cè)被保護(hù)層力學(xué)特征及瓦斯賦存特征,得出了保護(hù)層開采的卸壓范圍。FANG等[10]通過物理模擬研究了不同傾角下,保護(hù)層開采的保護(hù)范圍。郭懷廣[11]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場考察的方法,研究了保護(hù)層開采區(qū)域防突效果的時(shí)空分布特征。因此,保護(hù)層開采結(jié)合卸壓瓦斯治理對(duì)于解決工作面瓦斯超限具有重要意義[12]。

針對(duì)陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司下峪口煤礦地質(zhì)條件,就保護(hù)層開采條件下卸壓瓦斯治理進(jìn)行研究。通過對(duì)工作面瓦斯涌出預(yù)測(cè)及分析瓦斯來源,確定合理的瓦斯抽采方案,結(jié)合瓦斯治理現(xiàn)場考察,進(jìn)而確定卸壓瓦斯抽采效果,以保障礦井安全高效生產(chǎn)。

1 工程概況

下峪口煤礦是煤與瓦斯突出礦井,礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1.5 Mt/a,礦井開拓方式采用平硐-暗斜井-立井多水平聯(lián)合開拓方式,原設(shè)計(jì)3個(gè)開采水平+437 m、+300 m、+160 m。目前該礦一水平已開采完畢,主要生產(chǎn)水平為+300 m水平。礦井主采煤層2號(hào)、3號(hào)煤層,以2號(hào)煤層作為3號(hào)煤層保護(hù)層開采。2號(hào)煤層賦存較為穩(wěn)定,煤層平均厚度為0.3～1.7 m,2號(hào)煤層距離下伏3號(hào)煤層平均距離7.6～29.0 m。2號(hào)煤層傾角2°～5°,煤層平均傾角4°,屬于近水平煤層。

考察工作面為4216工作面,作為保護(hù)層,工作面柱狀圖如圖1所示。工作面長度623.7 m,可采長度503.9 m,切眼寬169 m,距離下部3號(hào)煤層7.6～13.2 m,平均煤厚0.97 m,采用傾斜長壁采煤法,采空區(qū)采用全部垮落法管理頂板,采用Y型通風(fēng)方式,瓦斯含量8.00～11.00 m3/t,被保護(hù)層為21326工作面,平均煤厚6.2 m,瓦斯含量7.4～11.81 m3/t,被保護(hù)層工作面賦存穩(wěn)定,煤體結(jié)構(gòu)簡單。

圖1 4216工作面煤層柱狀圖Fig.1 Coal seam histogram of 4216 working face

2 上保護(hù)層瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

回采工作面瓦斯涌出來源于煤壁、采落煤炭以及采空區(qū),其中煤壁和采落煤炭瓦斯涌出屬于本煤層瓦斯涌出,采空區(qū)瓦斯主要來自于鄰近煤層和圍巖。本煤層(煤壁和采落煤炭)瓦斯涌出強(qiáng)度與煤的暴露時(shí)間呈負(fù)指數(shù)關(guān)系,即工作面瓦斯涌出強(qiáng)度隨時(shí)間呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)衰減,對(duì)此選用何種采煤工藝是工作面瓦斯治理能否取得成效的關(guān)鍵。查閱相關(guān)資料可知,工作面瓦斯治理的關(guān)鍵是鄰近層瓦斯治理,具體來說是受鄰近層的賦存規(guī)律、原始瓦斯含量、巖石性質(zhì)以及本煤層和鄰近層之間的相對(duì)位置關(guān)系等影響[13-14]。根據(jù)AQ1018—2006《礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法》5.1.3及附錄B的規(guī)定[15],預(yù)測(cè)下峪口煤礦上保護(hù)層4216工作面瓦斯涌出量為

q采=q1+q2

(1)

(2)

(3)

式中,q1為開采層相對(duì)瓦斯涌出量,m3/t;q2為鄰近層相對(duì)瓦斯涌出量,m3/t;K1為圍巖瓦斯涌出系數(shù),取值為1.3;K2為丟煤瓦斯涌出系數(shù);K3為準(zhǔn)備巷道預(yù)排的瓦斯對(duì)開采層瓦斯涌出影響系數(shù);m為開采層厚度,m;M為采面高度,m;W0為原始瓦斯含量,m3/t;Wc為煤層殘余瓦斯含量,m3/t;ηi為鄰近層瓦斯排放率,%。

利用式(1)(2)(3)對(duì)4216工作面進(jìn)行瓦斯涌出量預(yù)測(cè),結(jié)果見表1?？梢钥闯?保護(hù)層工作面瓦斯相對(duì)涌出量為55.35 m3/t,按照工作面每天生產(chǎn)煤炭600 t,絕對(duì)瓦斯涌出量為23.07 m3/min,其中本煤層瓦斯涌出量5.51 m3/t,占總涌出量的24%,下伏3號(hào)煤層瓦斯涌出量占總瓦斯涌出量的60%。因此,要實(shí)現(xiàn)保護(hù)層的高效安全回采,同時(shí)在被保護(hù)層回采期間解決瓦斯治理難題,就必須在保護(hù)層回采過程中對(duì)下伏3號(hào)煤層瓦斯進(jìn)行卸壓瓦斯治理。

表1 4216工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)計(jì)算表Table 1 Gas emission prediction calculation of 4216 working face

3 被保護(hù)層卸壓瓦斯治理方案設(shè)計(jì)

3.1 上保護(hù)層卸壓瓦斯抽采設(shè)計(jì)

下峪口煤礦目前主要開采2號(hào)、3號(hào)煤層,為解決被保護(hù)層工作面開采過程中工作面、上隅角等瓦斯?jié)舛瘸薜碾y題,實(shí)現(xiàn)3號(hào)煤層安全高效開采。根據(jù)煤層賦存,下峪口煤礦設(shè)計(jì)采用在2號(hào)煤層采煤工作面回采巷道利用沿空充填留巷施工下向鉆孔抽采3號(hào)煤層卸壓瓦斯方案[16]。鑒于試驗(yàn)區(qū)2號(hào)、3號(hào)煤層間距較小(一般7.6～25 m),2號(hào)煤層采用沿空充填留巷開采,3號(hào)煤層底板未布置底板巖巷;開采保護(hù)層2號(hào)煤層的同時(shí),為提高被保護(hù)層的保護(hù)效果,利用保護(hù)層沿空留巷施工下向穿層鉆孔抽采3號(hào)煤層卸壓瓦斯和采空區(qū)埋管抽采上隅角高濃度瓦斯,防止卸壓瓦斯涌入2號(hào)煤層采煤工作面采空區(qū)造成瓦斯超限。另外,由于保護(hù)層工作面沿空留巷采空區(qū)底板變形較嚴(yán)重,下向穿層鉆孔封孔變形破壞較嚴(yán)重,造成穿層鉆孔有效抽采卸壓瓦斯時(shí)間較短,抽采效果很差,故被保護(hù)層保護(hù)區(qū)內(nèi)3號(hào)煤層設(shè)計(jì)采用順層鉆孔預(yù)抽及邊采邊抽的瓦斯綜合防治措施,即被保護(hù)3號(hào)煤層采取穿層及順層鉆孔綜合抽采方法。

下峪口煤礦4216工作面底板卸壓瓦斯抽采鉆孔設(shè)計(jì)在4216進(jìn)風(fēng)順槽施工,距工作面切眼5 m開始布置第1組,每組5個(gè)鉆孔,組內(nèi)各孔之間開孔點(diǎn)間距1 m,鉆孔穿3號(hào)煤層底板,設(shè)計(jì)終孔間距為30 m,4216進(jìn)風(fēng)順槽共設(shè)計(jì)底板卸壓鉆孔27組,每組間距15 m,共設(shè)計(jì)135個(gè)鉆孔。鉆孔首次聯(lián)孔抽采為4組(即抽采60 m范圍的底板卸壓瓦斯)。為了提高封孔成功率,底板卸壓鉆孔采用水泥砂漿結(jié)合U型膨脹劑進(jìn)行封堵,每組鉆孔封孔的深度不小于10 m。4216工作面底板卸壓抽采鉆孔設(shè)計(jì)示意如圖2、圖3所示,鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 4216工作面底板卸壓抽采鉆孔參數(shù)Table 2 Drilling parameters of floor pressure relief extraction on 4216 working face

圖2 4216進(jìn)順穿層卸壓鉆孔布置平面Fig.2 Layout plan of 4216 air-inlet roadway through layer pressure relief boreholes

圖3 鉆孔布置剖面示意Fig.3 Profile diagram of borehole layout

3.2 被保護(hù)層瓦斯涌出治理設(shè)計(jì)

通過保護(hù)層2號(hào)煤層開采同時(shí)結(jié)合穿層鉆孔卸壓抽采后,3號(hào)煤層瓦斯含量一般能降低至低瓦斯?fàn)顟B(tài)。由于2號(hào)煤層底板穿層預(yù)抽鉆孔可能因采煤工作面開采破壞煤巖體造成封孔段漏氣、煤孔段塌實(shí),對(duì)卸壓抽采效果有一定影響,但鉆孔施工、封孔、抽采等管理到位,3號(hào)煤層被保護(hù)層掘進(jìn)工作面瓦斯涌出通風(fēng)基本能解決問題;3號(hào)煤層工作面回采過程中,預(yù)計(jì)主要為本煤層瓦斯涌出,工作面回采過程中瓦斯涌出有可能仍較大。

通過上保護(hù)層開采結(jié)合穿層鉆孔抽采卸壓瓦斯達(dá)到消除3號(hào)煤層突出危險(xiǎn)性和抽采達(dá)標(biāo)的目標(biāo)。為了進(jìn)一步降低被保護(hù)層工作面回采過程中的瓦斯涌出,回采工作面采用順層鉆孔邊采邊抽,以防3號(hào)煤層回采時(shí)工作面后方采空區(qū)積聚瓦斯致使隅角瓦斯超限。

針對(duì)采空區(qū)瓦斯抽采問題,通過采用采空區(qū)鋪設(shè)埋管的方式進(jìn)行抽放,具體步驟是在采空區(qū)密封墻間隔20 m鋪設(shè)一根200 mm的埋管,將埋管口外漏在采空區(qū),當(dāng)上隅角瓦斯?jié)舛任闯迺r(shí),對(duì)埋管進(jìn)行封閉;當(dāng)上隅角瓦斯?jié)舛瘸迺r(shí),埋管接入抽放管對(duì)瓦斯進(jìn)行抽放。4216工作面回采過程中,工作面推進(jìn)至埋管口處時(shí),并且埋管口埋在采空區(qū)3～5 m時(shí),接入下一循環(huán)埋管口閥門,如此循環(huán),當(dāng)工作面回采結(jié)束時(shí),封閉巷道,與此同時(shí)繼續(xù)利用抽采系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行抽采,直到采區(qū)回采完畢,4216工作面回采過程中,采空區(qū)埋管設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 采空區(qū)埋管布置平面示意Fig.4 Layout plan of buried pipe in goaf

4 瓦斯治理效果考察

4.1 4216工作面卸壓瓦斯治理考察

由表1可知,上保護(hù)層4216工作面回采過程中,瓦斯主要來源于下伏煤層。因此4216工作面在回采期間要實(shí)現(xiàn)安全高效的回采就必須對(duì)下伏3號(hào)煤層瓦斯進(jìn)行治理,將本煤層鉆孔、卸壓鉆孔及采空區(qū)埋管結(jié)合共同抽采,通過考察4216工作面回風(fēng)系統(tǒng)及工作面的瓦斯?jié)舛仁欠癯迊眚?yàn)證4216工作面卸壓抽采效果,如圖5所示。通過收集4216工作面回采期間瓦斯?jié)舛瓤芍?工作面濃度始終維持在0.15%～0.43%之間,回風(fēng)流瓦斯?jié)舛仁冀K維持在0.14%～0.65%之間,工作面回采期間未發(fā)生濃度超限現(xiàn)象,證明瓦斯治理方案有效且可行。

圖5 4216工作面回采期間瓦斯?jié)舛茸兓€Fig.5 Change curve of gas concentration during mining of 4216 working face

4.2 21326工作面瓦斯治理考察

4.2.1 上保護(hù)層卸壓瓦斯時(shí)空考察

考察4216工作面進(jìn)風(fēng)巷穿層卸壓鉆孔隨工作面推進(jìn)的情況時(shí),選擇其中具有代表性的第16組鉆場進(jìn)行卸壓效果時(shí)空觀測(cè),當(dāng)工作面推進(jìn)至第16組、第8組鉆孔附近時(shí)分別對(duì)各組接入抽采計(jì)量裝置,開始觀察鉆孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化,如圖6、圖7所示。

圖6 第16組鉆孔卸壓瓦斯抽采效果與保護(hù)層工作面推進(jìn)關(guān)系曲線Fig.6 Relations curve of pressure relief gas extraction effect of group 16 boreholes and advancing of protective layer working face

圖7 第8組鉆孔卸壓瓦斯抽采效果與保護(hù)層工作面推進(jìn)關(guān)系曲線Fig.7 Relations curve of pressure relief gas extraction effect of group 8 boreholes and advancing of protective layer working face

可以看到當(dāng)工作面推進(jìn)至距離鉆孔15 m范圍時(shí),瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)始終維持在10%以下,瓦斯抽采量始終維持在0.2 m3/min以下,說明下伏煤層沒有經(jīng)過充分卸壓,當(dāng)工作面推進(jìn)超過15～35 m時(shí),瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)與抽采量開始急劇上升,最大抽采體積分?jǐn)?shù)達(dá)到47%,抽采量達(dá)到1.22 m3/min,抽采體積分?jǐn)?shù)與抽采量都較之前提高了約10倍;瓦斯抽采曲線總體上符合3號(hào)煤層膨脹變形規(guī)律,即壓縮區(qū)-卸膨脹區(qū)-壓縮區(qū)的變化特點(diǎn)。

4.2.2 被保護(hù)層開采卸壓效果考察

對(duì)被保護(hù)層開采卸壓效果考察,通過將被保護(hù)3號(hào)煤層21326工作面運(yùn)輸巷與工作面回風(fēng)巷設(shè)置在卸壓保護(hù)范圍內(nèi),并且在工作面兩順槽內(nèi)施工兩排順層鉆孔預(yù)抽煤層回采區(qū)域瓦斯,用來消除被保護(hù)層突出風(fēng)險(xiǎn),順層鉆孔間排距為0.8 m,下排鉆孔距煤層底板0.8 m,鉆孔直徑φ86 mm,孔間距4 m,孔深75 m,順層抽采鉆孔封孔深度不小于8 m,如圖8所示。

圖8 21326工作面順層鉆孔布置Fig.8 Layout of along-the-layer boreholes on 21326 working face

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》,通過在21326工作面布置23組殘余瓦斯含量測(cè)試鉆孔,實(shí)測(cè)被保護(hù)層工作面3號(hào)煤層殘余瓦斯含量均小于8 m3/t,滿足《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》的要求,且檢驗(yàn)期間未發(fā)生噴孔、頂鉆等突出預(yù)兆。被保護(hù)層21326工作面回采巷道掘進(jìn)局部預(yù)測(cè),其中鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)最大值、鉆屑量最大值均小于《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》參考臨界值,且掘進(jìn)過程無異常突出預(yù)兆等動(dòng)力現(xiàn)象,綜合分析說明通過該瓦斯治理方案保證了被保護(hù)層開采卸壓有效。

5 結(jié)論

(1)通過對(duì)上保護(hù)層4216瓦斯涌出量預(yù)測(cè),得出下伏3號(hào)煤層瓦斯涌出量占總瓦斯涌出量的60%,因此有必要針對(duì)下伏3號(hào)煤層瓦斯進(jìn)行卸壓瓦斯治理。

(2)由于2號(hào)煤層與3號(hào)煤層間距較小,為了提高保護(hù)層開采效果,采取底板卸壓鉆孔、本煤層鉆孔以及采空區(qū)瓦斯抽放鉆孔連管共同抽放瓦斯治理方案。

(3)對(duì)工作面推進(jìn)后卸壓鉆孔抽采量進(jìn)行觀測(cè),得出卸壓開采保護(hù)層后卸壓的最佳范圍為15～35 m。

(4)通過上保護(hù)層卸壓瓦斯時(shí)空考察以及被保護(hù)層開采卸壓效果考察等綜合分析,得出穿層鉆孔抽放卸壓瓦斯、采用采空區(qū)埋管抽放瓦斯、順層鉆孔預(yù)抽、邊抽邊采等綜合瓦斯治理方案有效可行。