高瓦斯煤层群水平井立体抽采模型探讨

王向东，王 俊，李丽兵

(山西华晋焦煤有限责任公司，山西 柳林 033301)

近年来，随着煤层气井参与矿井瓦斯治理以来，矿井瓦斯治理出现了新的理念。但煤层气开采与煤矿开采无法形成有效互补，甚至还会相互制约，造成安全隐患。本文以沙曲矿24307多分支水平对接井为例，探讨新的瓦斯抽采模式。

1 概 况

沙曲煤矿井田总体呈单斜构造，地层走向由北向南，由南北向渐变为北西向，倾向由西渐变为南西，地层倾角平缓，一般为3°～7°. 井田内以宽缓的小型褶曲及陷落柱构造为主，断层稀少且断距小，井田内无岩浆侵入，井田地质结构属简单型。其工作面布置方式均为倾斜长臂后退式开采。

目前，沙曲煤矿主采山西组4#煤层和5#煤层。其中4#煤层赋存于山西组下部，平均瓦斯含量11.06 m3/t，煤厚平均2.98 m. 北翼区域部分为3#、4#煤合并的厚煤地段，煤层多为4 m左右，最厚达6.05 m. 5#煤层上距4#煤层平均2.98 m，煤厚平均2.73 m，平均瓦斯含量12.08 m3/t. 3#煤距4#煤平均6.16 m，平均瓦斯含量12.55 m3/t，煤厚平均1.05 m. 2#煤距4#煤平均16.50 m，平均瓦斯含量10.65 m3/t，煤厚平均0.89 m. 24307工作面柱状图见图1.

图1 24307工作面柱状图

2 主采煤层多分支水平井抽采情况

2.1 工作面概况

沙曲煤矿24307工作面西以矿井轨道大巷为界、北至龙花垣村庄保护煤柱、东与地方煤矿相邻、南为该矿井24306规划工作面；24307工作面东西(倾向)长1 500 m，南北宽220 m. 该工作面为3#、4#煤层合并区，3#+4#煤层底板标高为+470～+600 m，煤层厚度3.2～4.5 m，平均厚度4.3 m，煤的坚固性系数为0.4，属软煤。

2.2 多分支水平井工程布置

沙曲煤矿24307多分支水平对接井工程，包括井下对接抽采孔和地面水平井两部分(见图2). 井下施工的XC01、XC02两个对接瓦斯抽采钻孔均布置在矿井北轨大巷的右帮，地面多分支水平井共施工2个主支、4个侧分支(南1分支、南2分支、南3分支、北分支)。其中：DS01主支位于工作面瓦斯抽放巷与胶带顺槽之间，入煤后水平段长度为1 027 m，与XC01实现对接连通。DS02主支布置在工作面中轴位置，入煤后水平段长为1 056 m，与XC02实现对接连通；南1分支、南2分支、南3分支、北分支等4个侧分支分布在DS02主支的两侧。主、分支煤层段累计长度2 670 m.

图2 沙曲矿24307地面多分支水平对接井工程布置图

沙曲煤矿24307多分支水平对接井工程采用三开三完的方式钻井，分直井段、造斜段和水平段。其中，水平段是瓦斯治理的有效部分，最终与井下钻孔进行对接，采用井下抽采系统进行抽采(见图3).

图3 多分支水平对接井工程布置剖面图

2.3 抽采效果分析

2012年12月17日XC02孔开始抽采，2013年3月15日XC01孔开始抽采。截止2016年10月17日，累计连续抽采1 401天，累计抽采量达14 822 083 m3(标态纯量，下同)，在稳产期瓦斯浓度均保持在90%以上(产气量曲线见图4，图5).

图4 瓦斯抽采量累计曲线图

图5 日抽采量变化曲线图

因DS02包含4个分支，抽采量较大，其设计的主要目的是抽采24307综采工作面的瓦斯；DS01没有分支，且孔内疑似塌方，造成抽采量曲线变化不规律，其设计主要目的是解决两侧巷道掘进过程的煤与瓦斯突出和瓦斯涌出量大的问题。在实际掘进作业中，该巷道一次掘进1 000 m无需抽采，掘进时巷道瓦斯涌出量3.2 m3/min左右，达到预期目标。

按照宽300 m，长1 100 m的有效范围进行计算，不考虑邻近层煤岩体和有效范围以外煤体的瓦斯渗流，瓦斯抽采率达到69.4%，残余瓦斯含量为4.5 m3/t. 具体煤层瓦斯参数见表1.

表1 24307煤层瓦斯参数表

由此可知，多分支水平井可以从根本上解决高瓦斯矿井的瓦斯问题。再辅以其它措施，可以达到高瓦斯突出矿井在低瓦斯状态下生产的目标。

从时间上看，在抽采时间达到700天后，抽采量衰竭严重，按XC01孔的抽采情况来看，700天后的抽采意义很小，前700天抽采率已经达到48.7%，剩余瓦斯含量约5.67 m3/t. 因此，抽采时间安排两年左右是比较合理的。从工程布置来看，施工工期一般为60～90天(两次对接)。因此，按照两年半的时间衔接煤矿生产是比较合理的。

3 下邻近层多分支水平井抽采探讨

24307工作面下邻近层为5#煤层，层间距小，瓦斯含量大，在工作面回采时容易形成大量瓦斯通过采空区进入回采工作面，是工作面回采期间瓦斯涌出的主要来源之一。按照上文提到的有效范围进行计算，则5#煤层贮藏了1 746万m3瓦斯。如果仅在工作面回采时才进行瓦斯治理对通风形成的压力太大，而且容易造成工作面上隅角瓦斯积聚。而传统的瓦斯治理方法又无法有效治理下邻近层瓦斯。因此，建议采取地面多分支水平井的方式。

5#煤层井眼布置一个主支，左右各两个分支，主支长度1 100 m，分支长度270～300 m，均匀分布于回采工作面内(见图6).

图6 下邻近层多分支水平井设计图

由图6可以看出，下邻近层多分支水平井的布置优于本煤层DS02井的效果，因两个煤层透气性系数相近，抽采数据采用DS02井抽采数据，有效范围宽度250 m，不考虑上下邻近层和周边煤层的瓦斯渗流，预计700天的抽采时间可以达到56.2%，残余瓦斯含量可以降到5.29 m3/t. 在工作面回采过程中可以较大降低下邻近层瓦斯对采空区的威胁。

另外，在本煤层工作面采掘期间，下邻近层多分支水平井可以继续抽采，在继续抽采瓦斯的同时可牵制下邻近层及其下覆煤岩层的瓦斯流向，减少瓦斯向本煤层采空区涌出。

4 上邻近层水平井抽采探讨

根据沙曲矿综采工作面瓦斯涌出量分类统计数据显示，上邻近层钻孔占比约40%，风排瓦斯占比约40%，本煤层抽采约占5%，采空区插管抽放约占15%.

根据综采工作面瓦斯的运移规律，进入采空区的上下邻近层瓦斯和落煤释放的瓦斯首先向采空区冒落带和裂隙带流动，该区域无法容纳的瓦斯则涌入工作面和采空区，因工作面通风形成的效应，工作面上隅角容易形成瓦斯积聚，在风排瓦斯和采空区插管抽放都达到极限之后，上隅角瓦斯就会迅速积聚造成瓦斯超限，影响矿井安全生产。

因此，为了减少涌入工作面的瓦斯量，首先要从上邻近层入手，而井下钻孔无法有效地对上邻近层的煤层瓦斯进行抽采，只能在工作面回采时抽采涌入采空区和裂隙带的瓦斯。井下钻孔还有有效长度短，钻孔之间的衔接等问题。

鉴于以上因素，在上邻近层施工水平井抽采煤层瓦斯和采空区瓦斯，效果优于井下钻孔的抽采效果。

根据采空区瓦斯运移规律，采空区瓦斯向回风一侧的采空区积聚，因此将钻孔布置在靠近回风一侧投影距离巷道20 m的上邻近层。2#煤层距离4#煤层顶板16.5 m，位于裂隙带范围内，属于适合抽采区域。因此，将上邻近层设计在2#煤层，投影位置见图7.

图7 上邻近层多分支水平井设计图

该钻孔无需施工分支，其作用是充当裂隙带钻孔，在工程完工后首先抽采2#煤层瓦斯，工作面回采期间抽采采空区瓦斯，防止瓦斯向上隅角积聚；在工作面回采完成后，可以控制抽放采空区瓦斯，防止采空区密闭瓦斯超限，同时控制采空区避免发火。此钻孔可以长期利用实现效果最大化。

5 立体抽采整体效果预测

根据以上内容分析，本抽采模式分为以下3个阶段：

5.1 本煤层抽采阶段

本阶段各个水平井抽采本煤层瓦斯，是最主要阶段，也是瓦斯采出量最多的阶段。第一阶段经过700天抽采煤层剩余瓦斯含量按煤层自上至下分别为：6.05 m3/t、5.67 m3/t、5.29 m3/t，综合抽采率达到49.5%，基本实现抽采达标。

5.2 回采中抽采阶段

本阶段为相互配合阶段，4#煤层钻孔的作用已经非常有限，加入少量负压牵制一下落煤瓦斯的流向即可。下邻近层钻孔此时不仅要抽采因开采扰动解吸的瓦斯，还要牵制下邻近层的瓦斯流向，以减少涌入采空区的瓦斯。上邻近层钻孔作为本阶段的关键，主要抽采涌入采空区的瓦斯，并且增加采空区瓦斯出路，使采空区形成一个稳定的气流，防止上隅角瓦斯积聚。

5.3 回采后抽采阶段

本阶段为后续利用阶段，回采后工作面已经密闭，但是采空区瓦斯会不断积聚，又因矿井采用负压通风，采空区瓦斯会缓慢涌入采区巷道，造成回风瓦斯浓度升高和密闭附近瓦斯超限。因此，回采后可根据采空区瓦斯涌出情况调整抽采，确保安全生产。

此外，如果工作面瓦斯涌出量大，仍然不能确保上隅角不积聚瓦斯，可在回风巷布置一条瓦斯抽采管路，插入采空区进行埋管抽采。

6 存在的问题

1) 有一定的局限性，其水平段沿倾向向下布置最为适宜，沿走向效果可能会有影响，如果沿倾向向上布置抽采效果则会降低。

2) 水平段长度1 100 m，如果中部发生塌方，则会对后部的抽采造成很大影响，下设筛管可解决此问题。

7 结 论

24307工作面采用多分支水平钻孔抽采后，在掘进期间最大掘进速度为230 m/月，而常规钻孔抽采最大掘进速度为100 m/月，为此采用多分支水平井可有效缓解沙曲矿抽采掘衔接紧张的问题。

通过对沙曲矿井24307工作面区域采用多分支水平对接钻孔进行区域治理，认为高瓦斯煤层群水平井立体抽采可以作为高瓦斯突出矿井区域瓦斯治理的新方法，在同类矿井均可以应用。应用多分支水平井井下对接技术，吨煤瓦斯治理成本低、投资少、施工周期短，瓦斯抽采浓度高，可以实现瓦斯超前治理，形成矿井立体抽采的新格局，进一步完善瓦斯区域治理方法，为煤矿安全生产提供有力保障。