超厚煤层开采瓦斯抽采工艺研究与实践

李长杰?尹训涛?李明鑫?李新秋

摘要：针对超厚单一煤层综放工作面瓦斯治理难题，以陕西郴县水帘洞煤矿为主要试验基地，应用相似材料模拟试验和数值模拟方法、“O”型圈、瓦斯运移[1–4]相关理论，研究了大采高综放工作面单一煤层覆岩破断的移动特性、煤体内应力分布规律及卸压区瓦斯运移规律，探索出卸压开采瓦斯抽采理论，优化了瓦斯抽采工艺，解决了单一超厚煤层煤与瓦斯共采工程技术难题，实现了安全高效开采。

关键词：单一超厚煤层；卸压开采；瓦斯；抽采

水帘洞煤矿矿井采煤工艺为综采，主采4煤层，煤层平均厚度12.20m，属单一煤层大采高开采。矿井瓦斯含量高，在开采过程中煤岩体裂隙发育，瓦斯运移通道畅通，工作面顺槽回风流瓦斯经常超限，采用单一加大风量冲淡瓦斯浓度的方法已不可能实现，瓦斯治理问题是严重制约矿井安全高效生产的技术难题。因此，必须针对煤矿煤层及瓦斯特性，结合开采工艺，进行瓦斯抽采工艺的研究与优化，确定合理、经济、高效的矿井瓦斯综合治理方案。

一、大采高工作面卸压开采[5–8]瓦斯抽采技术理论体系

（一）上覆岩层“三带”[1]的形成

工作面采出后，其上覆岩层要发生破坏和位移，经长期现场观测证实：覆岩破坏和位移具有明显的分带性，其特征与地质、采矿等条件有关，在采用长壁全部冒落法开采缓倾斜煤层开采条件下，当采深达到一定深度（100m左右），覆岩的破坏和移动出现“三带”冒落带、断裂带和弯曲下沉带。

（二）关键层破断形式对岩层移动及瓦斯释放的影响

由于煤系岩体的分层特性差异，各岩层在岩体活动中的作用是不同的。有些较为坚硬的厚岩层在活动中起控制作用，在采场覆岩层中存在着多层岩层时，对岩体活动中起控制作用的岩层称之为关键层，它本身具有很强的抗扰动能力，工作面初采或开采厚度较小时不能使其破断失稳，它一方面形成某种力学结构（板或简化为梁，如砌体梁等）形式支撑其上覆岩体的载荷，另一方面又以这种结构保护着回采空间，阻止覆岩的垮落、断裂及弯曲变形向上发展；当开采空间足够大（如连续大面积开采及采厚加大）到一定临界尺寸时，该坚硬厚岩层所形成结构将破断失稳，由上述关键层力学分析可知，这种破断失稳具有周期性。由此可知，关键层的断裂导致全部或相当部分的上覆岩层产生整体运动，其断裂步距即为上部岩体中部分或全部岩层的断裂步距，从而引起明显的岩层运动和矿压显现，它对处于上覆岩层中的被保护层瓦斯的释放和卸压起关键作用。

（三）水帘洞煤矿瓦斯抽采的可行性研究

1.本煤层瓦斯抽采可行性

开采层瓦斯抽采的可行性是指在原始透气性条件下进行预抽的可能性。对水帘洞矿井4煤层透气性系数为0.41m2/MPa2.d，钻孔瓦斯流量衰减系数为0.033d–1，因此此煤层属于可以抽采煤层。

2.邻近层抽采瓦斯可行性

矿井主采4煤层，属单一煤层[12]开采，其上部有两层局部可采的薄煤层，距离4号煤层平均41.99m，且均为薄煤层，瓦斯含量较低，所以不考虑对邻近层瓦斯的抽采。

3.采空区瓦斯抽采可行性

采空区瓦斯抽采是属于卸压瓦斯抽采，矿井4煤层3801回采工作面，煤厚12.20m，综采放顶煤回采工艺，全部垮落式管理顶板，由于煤层厚度大，加之采用综放工艺，因此采空区丢煤较多，瓦斯涌出必然较大，采空区存在的大量瓦斯在风压的作用下涌向回采工作面，是造成工作面回风隅角和回风巷道的瓦斯超限主要原因。因此进行采空区瓦斯抽采技术上是可行的，同时瓦斯抽采[10–11]能保证产量，所以经济上也是合理的；因此，抽采空区瓦斯是可行的。

二、3801工作面开采上覆岩层应力及变形特性数值分析

根据对3801工作面地质特征、工程地质特征和开采技术条件分析的基础上，进行了典型化相似材料模拟试验研究[9]。模型原型按水帘洞煤矿煤岩柱状，采厚和放煤高度，以及开采参数参照作业规程，相似材料铺设总厚度105.21m，即模拟自煤层底板—煤层—顶板共四十八层，模拟煤层厚度11.5m，煤层及顶、底板分层厚依据水帘洞煤矿地层综合柱状图确定，相应的岩石力学参数按类似覆岩岩性确定。通过相似材料模拟试验，模拟3801工作面推采过程，上覆岩层位移变化规律，对开采过程中顶板垮落状况、裂断岩梁波及范围及运动发展规律、覆岩垂直移动规律、煤体内应力分布规律进行研究，了解其变化规律及影响因素。经分析研究得出，综放工作面覆岩冒落带高度45m～55m，冒高采厚比3.91～4.78，裂隙带高度93.0m～100.7m，裂高采厚比8.1～8.8。综放采场超前支承压力的峰值位置深入煤体距离约为10m～15m，其应力集中系数K为2.96左右，在工作面前方30m范围内受超前支承压力影响剧烈，而超前支承压力影响范围，可达工作面前方70m。

三、结论

本文采用理论分析、相似材料模拟实验、数值模拟和现场效果考察等研究手段，对水帘洞煤业煤层与瓦斯赋存特点、抽采工艺进行了研究与实践，瓦斯抽采是超厚单一煤层条件下治理瓦斯的探索与实践的结果，解决了回采工作面推采过程中瓦斯超限问题，提高了回采效率，是实现高瓦斯矿井安全、高效、经济开采的有效措施，同时进行瓦斯利用，响应国家政策，取得了显著的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]钱鸣高，石平五.矿山压力及其控制[M].北京：煤炭工业出版社，2003.

[2]谢和平.深部高地应力下资源开采与地下工程机遇与挑战[R].北京：第175次香山科学会议报告，2002：179–191.