高瓦斯矿井近距离煤层煤与瓦斯共采技术实践

刘君（山西焦煤集团公司，太原 030024）

高瓦斯矿井近距离煤层煤与瓦斯共采技术实践

刘君
（山西焦煤集团公司，太原 030024）

通过分析贺西煤矿高瓦斯矿井近距离煤层间岩层和瓦斯在煤与瓦斯共采过程中的移动规律，研究采空区及上覆岩层、高浓度瓦斯环形裂隙圈参数，以及近距离煤层间煤与瓦斯共采前后的煤层瓦斯分布规律，从而掌握瓦斯赋存状态，制定瓦斯综合抽采方案，检验瓦斯治理效果，确保矿井安全生产。

煤与瓦斯共采技术；裂隙圈；瓦斯参数测定

1　煤与瓦斯共采的意义

瓦斯是矿井的头号杀手，开采保护层、煤与瓦斯共采是高瓦斯矿井煤层群区域瓦斯治理的最有效手段，是将采煤与采气相结合的资源开发形式。其作用：一是邻近煤层的开采有利于煤层卸压，顶底板岩层裂隙增大，加速煤层瓦斯的解吸与流动，同时工作面回采所必须的采掘、通风系统为瓦斯抽采提供了操作空间；二是高效的瓦斯抽采降低了区域内瓦斯浓度和煤层瓦斯含量，能够有效降低瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出危险；三是高效的瓦斯抽采有利于高浓瓦斯收集，便于瓦斯利用，是矿井绿色发展的必然要求。因此，研究近距离煤层的采空区及上覆岩层、高浓度瓦斯环形裂隙圈参数，分析近距离煤层间煤与瓦斯共采前后的煤层瓦斯分布规律，对制定瓦斯综合抽采方案、掌握瓦斯赋存状态、检验瓦斯治理效果，确保矿井安全生产具有重要意义[1]。

2　矿井瓦斯赋存情况

山西焦煤贺西矿主采近距离的3号、4号煤层（均位于山西组，平均间距11.99 m），其瓦斯赋存特点：一是煤层透气性系数小，抽采困难；二是4号煤层回采周期来压时来自上邻近层3号煤层的瓦斯大量涌到工作面；三是4号煤层未卸压区的煤巷掘进工作面瓦斯浓度居高不下，掘进困难。该区域相邻矿井4号煤层为突出煤层，贺西矿4号煤层在采掘过程必须采取“四位一体”综合防突措施。

3　上覆煤层开采后的煤层顶板裂隙研究

推演贺西矿在3号煤层开采时对下覆4号煤层顶板裂隙和煤层增透率的分布和演化，可通过增透率的变化反映开采扰动对煤岩体裂隙网络渗透性的影响，为邻近煤层煤与瓦斯共采中的煤层增透效果评价提供定量指标和科学方法[2]。

壁式开采中，顶板随工作面的推进经历卸压下沉-破断-垮落的循环过程。在顶板变形、垮塌过程中，采空区及上覆岩层中的瓦斯经历解吸扩散-渗透-聚积的过程，最终在采空区形成瓦斯相对集中、瓦斯浓度较高和容易流动的区域。在相邻工作面区段巷道或专用回风巷中施工倾斜高抽钻孔抽放采空区裂隙带瓦斯是一种简单易行的方法；研究倾斜高抽钻孔对提高抽放效果，减少钻孔施工具有重要意义；研究采空区上覆岩层移动规律和采空区上方瓦斯渗流机理对采空区瓦斯涌出的治理，邻近层瓦斯抽放等也具有重要意义。

针对贺西矿的实际情况，主要研究上覆岩层和瓦斯移动规律、采场矿压显现规律、共采前后煤层瓦斯赋存规律，本煤层和环形裂隙圈瓦斯抽采设计方法等，为煤与瓦斯共采提供安全技术保障。

4　采空区上覆岩层移动与瓦斯渗流规律

4.1采空区及上覆岩层环形裂隙圈

根据采空区上覆岩层变形破坏程度、受力状态和裂隙尺度的不同，上覆岩层在竖向分冒落、裂隙、弯曲下沉“三带”；采空区底板岩层根据膨胀变形程度分为底板变形破坏和弹塑性变形“两带”。冒落带内（采空区内）岩块之间孔隙多，连通性强，特别是靠近工作面的松散区是工作面漏风和裂隙带瓦斯向工作面涌出的主要通道。工作面漏风携带大量瓦斯涌向上隅角是上隅角瓦斯浓度经常超限的主要原因之一[3-4]。图1为采空区及上覆岩层环形裂隙圈示意图。

裂隙带内老顶岩层裂隙在经历了发育、充分发育、压实的过程后，具有沟通采空区冒落带和变形带裂隙通道的作用。其中离层区是裂隙最发育的区域，主要有垂直或斜交于岩层的新生长裂隙和沿层面的离层裂隙两种。新生长裂隙垂直或斜交于岩层，是因岩层向下弯曲受拉产生断裂，它部分或全部穿过岩层，但岩层基本能保持层状连续性；沿层面的离层裂隙主要是由于岩层间力学性质差异大，岩层向下弯曲所致。由于岩层变形产生的裂隙导致的岩层透气性增加，为瓦斯涌出创造新的通道，所以裂隙带离层区的中下部是布置邻层瓦斯抽放钻孔和高抽巷，截断瓦斯向工作面涌出的理想位置。

图1　采空区及上覆岩层环形裂隙圈示意图

4.2高浓度大裂隙环形裂隙圈

随着工作面不断向前推进，采空区中部的冒落带和裂隙带离层裂隙会被上覆岩层的移动再次压实，而在采空区周围形成一个富集高浓度瓦斯的环形裂隙圈，如图1-b阴影区。此时，上覆岩层内的孔隙和裂隙经历了由最小到最大，然后再到较小的过程；纵向“三区”不断向前运移，重新压实区宽度不断增大，而离层区的宽度在循环来压后像周期来压步距一样基本不变，并且与周期来压步距有关。在冒落带高度处，冒落线与卸压线之间平行煤层顶板线段与周期来压步距之和为裂隙带离层区的下部宽度；而在裂隙带高度处，冒落线与卸压线之间平行煤层顶板的线段与周期来压步距之和为裂隙带离层区的上部宽度。近水平煤层纵、横向离层区宽度可看作近似相同。根据上述分析，结合图1，各带离层区范围推导出以下公式：

式中：a为冒落带最大高度，m；b为裂隙带最大高度，m；l1、c1分别为纵向或横向冒落带最大高度处，离层区下部倾斜距离和离层区下部宽度（离层区下部倾斜距离是冒落高度线与卸压线交点与过煤壁顶端并垂直煤层倾向斜面直线的距离，离层区下部宽度是从近工作面煤壁点到远工作面煤壁点平行煤层倾斜面的宽度），m；l2、c2分别为纵向或横向裂隙带最大高度处，离层区上部倾斜距离和层区上部宽度，m；β为冒落角，°；γ为卸压角，°；l为周期来压步距，m。

倾斜距离乘以煤层倾角的余弦值即裂隙圈距工作面煤壁的水平距离。水平煤层二者近似相等。

4.3贺西煤矿环形裂隙圈位置参数

根据现场观测和分析，贺西矿3号煤平均厚1.98 m，倾角4°，冒落线倾角67°，卸压角79°，周期来压步距15 m；4号煤平均厚1.55 m，倾角4°，冒落线倾角67°，卸压角79°，周期来压步距16.2 m；由式（1）-（4）计算得到的3号煤层上覆岩层中环形裂隙圈位置参数，如表1所示，其中冒落带高度和裂隙带高度取各公式计算的平均值。

表1　3号、4号煤层环形裂隙圈位置参数

由表中参数可见：4号煤层裂隙带高度大于3号和4号煤层间距和4号煤层厚度之和，所以3号煤层开采后，4号煤层将完全在卸压保护范围内，其瓦斯压力、透气性系数都将明显增大，4号煤层本煤层抽放和邻近层裂隙带抽放效果将提高，且4号煤层裂隙带抽放和采空区抽放功能合二为一。

5　近距离煤层煤与瓦斯共采方案

根据贺西矿瓦斯赋存状况、回采工艺、采掘设备、瓦斯移动规律等，贺西矿开采4号煤层时采用本煤层区域或回采工作面本煤层顺层钻孔预抽、掘进工作面超前钻孔预抽、倾斜高抽钻孔或高抽巷邻近层抽放裂隙带瓦斯、采空区埋管抽放等多种抽采工艺的综合瓦斯抽采方案。采用千米长距离定向钻机在采区巷道、工作面顺槽、专用钻场等沿本煤层施工预抽钻孔，预抽时间保证6个月以上。

工作面采掘作业期间，在材料巷或运输巷中施工顺层平行工作面钻孔或两侧施工斜交工作面钻孔进行本煤层抽放。图2为工作面平行钻孔预抽布置示意图，图3为工作面斜交钻孔预抽布置示意图钻孔长度根据钻孔位置和工作面长度控制在80 m～200 m，同时保证抽放范围控制整个煤体，不留死角。单侧钻孔时，孔底靠近巷壁卸压裂隙带内和应力集中带以间，以免孔底进入煤壁卸压裂隙带漏气影响抽放效果，封孔长度大于裂隙带宽度，间距根据有效抽放半径和抽放时间确定。双侧钻孔时孔底交叉，保证不留死角。

图2　工作面平行钻孔预抽布置示意图

图3　工作面斜交钻孔预抽布置示意图

6　结论

1）由于3号和4号煤层平均间距仅12 m，平均倾角4°，属近距离、近水平煤层，当3号煤层回采后，开采4号煤层时，随着工作面推进，最终在4号煤采空区上覆岩层中形成了裂隙较大、瓦斯相对集中、瓦斯浓度较高和容易流动的环形裂隙圈。测得3号煤层开采后的冒带高度5.13 m，冒落角44.7°。因4号煤层及顶板岩层处于20 m的有效的卸压范围内，故为4号煤层开采时倾斜高抽钻孔和顶板高抽巷的设计提供了理论依据。

2）根据上覆岩层和瓦斯移动规律、裂隙圈分布规律、本煤层瓦斯抽放钻孔涌出规律，确定了近距离煤层煤与瓦斯共采综合技术方案，并提出了倾斜高抽钻孔和本煤层抽放钻孔工艺参数设计方法。

3）开采3号煤层超前时间一般不应超过6个月。若超前开采时间较长时，上部采空区形成再生顶板，瓦斯得到重新富集平衡，则抽采钻孔衰减系数较小，涌出初速度和极限涌出量将增大，4号煤层回采过程中瓦斯涌出量反而增加。

4）通过测定各生产区域3号煤层和4号煤层钻孔涌出衰减系数，透气性系数，百米钻孔极限抽采量，所测结果表明未卸压煤层都属于难以抽采煤层；卸压煤层属于可以抽采煤层。

5）现场实际测定了贺西矿3号和4号煤层残存瓦斯含量和压力，评价了回采工艺对瓦斯赋存规律和瓦斯抽采效果的影响；测定了煤层瓦斯吸附性能，为间接计算瓦斯压力或含量提供了基础参数。通过研究钻屑解吸指标K1与瓦斯压力的关系，可计算出不同钻孔深度处煤层瓦斯压力，从而对采掘工程对煤层瓦斯分布规律的影响、煤层瓦斯抽放效果和煤层瓦斯的危险程度做出快速合理地评价。

[1]钱鸣高，许家林，缪协兴.煤矿绿色开采技术[J].中国矿业大学学报，2003，32（4）:347-348.

[2]杜计平，孟宪锐.采矿学[M].徐州:中国矿业大学出版社，2009.

[3]周世宁，林柏泉.煤层瓦斯赋存与流动理论[M].北京:煤炭工业出版社，1998.

[4]袁亮，郭华，沈宝堂，等.低透气性煤层群煤与瓦斯共采中的高位环形裂隙体[J].煤炭学报，2011，36（3）：357-365.

（编辑：樊敏）

Application of Coal Mining and Gas Extraction in Close-distance Coal Seams in High Gassy Mine

LIU Jun
(Shanxi Coking Coal Group,Taiyuan 030024,China)

Based on the displacement law of strata and gas in the process of coal mining and gas extraction in high gassy mine,the paper studies the fissured circle of high concentration gas in goaf and overlying strata.The gas distribution laws before and after the coal mining and gas extraction are also analyzed to obtain gas occurrence,make a comprehensive extraction plan for gas,check gas control effects, and guarantee the safe production in mines.

coal mining and gas extraction technique;fissured circle;determination of gas parameter

TD823

A

1672-5050（2016）02-0061-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.02.019

2015-12-15

刘君（1981-），男，山西太原人，工程硕士，工程师，从事煤炭采掘技术研究与安全生产工作。