煤矿上保护层下向穿层钻孔抽采瓦斯技术研究

2018-11-19胡俊峰姚明柱蔡敏博

陕西煤炭 2018年6期

胡俊峰，姚明柱，蔡敏博

(陕西陕煤集团韩城矿业公司，陕西韩城 715400)

0 引言

近年来，随着开采深度的增加，煤层瓦斯压力、瓦斯含量、地应力加大，原来的浅部开采的低瓦斯、高瓦斯矿井部分变为了突出矿井，威胁煤矿安全生产。煤与瓦斯突出是煤矿井下一种复杂动力现象，国内外瓦斯治理经验表明，以开采保护层结合被保护层卸压瓦斯抽采的煤与瓦斯协调开采是最有效且经济可行的措施[1-2]。

下峪口煤矿上保护层开采瓦斯抽采技术研究，对下峪口煤矿的安全生产提供技术保障和支撑，研究成果对相似突出矿井的突出防治工作具有指导意义。

1 工程地质概况

下峪口煤矿位于韩城矿区的东北端，北与桑树坪井田相邻，东以11#煤层露头线构成自然边界，南至燎原井田下部，西部以3#煤层底板等高线+140 m垂切。走向长6 km，倾斜5 km，面积27.596 3 km2。矿井设计生产能力1.50 Mt/a。井田主要含煤地层为石炭系的太原组和二叠系的山西组，上石炭统太原组自上而下5#、6#、7#、8#、9#、11#、12#煤层，其中11#煤层为该组主要可采煤层，平均厚2.80 m，其余煤层皆属不可采的薄煤层。下二叠统山西组自上而下为：1#上、1#、2#上、2#、3#、3#下；3#煤层为主采煤层，3#下为小范围可采煤层，2#为局部不可采煤层，其它煤层均不可采。

矿井系高瓦斯、突出矿井。矿井通风方式：一水平为边界式，二水平为中央并列式，实现分区式独立通风，矿井总排风量21 452 m3/min。截至2011年底，共计发生有记载的煤与瓦斯突出动力现象22次，水文地质条件复杂。2#、3#煤层均属不易自燃煤层。2#、3#煤层均有煤尘爆炸性。2#煤层与3#煤层间距7.6～13.2 m。

4216工作面位于二水平一采区北中部上山翼，运输顺槽紧靠北二下延轨道下山。工作面长623.7 m，切眼宽169 m，可采长度503.9 m。工作面煤层底板标高+355～+411.4 m，距地表垂深497～538 m。4216工作面采用倾斜长壁采煤法，综合机械化后退式仰斜采煤，全部垮落法管理顶板，工作面通风系统为Y型通风。

被保护21326工作面位于4216工作面的下部呈内错布置。工作面长623.7 m，切眼宽143 m，煤厚4.6～9.0 m，平均煤厚6.2 m。21326工作面3#煤层为黑色，呈碎块状、沫状，光亮度一般，煤层厚度4.6～9.0 m，一般5.0～6.5 m，煤层稳定。煤层倾角2°～7°，平均5°，煤层中不含夹矸，煤体结构简单。

2 上保护层2#煤层采掘面瓦斯抽采方案

2#煤层具有突出与冲击地压双重危险，主要表现为应力主导型动力现象。根据2#煤层采掘面瓦斯涌出预计，掘进工作面采取卸压抽排为主的超前钻孔措施；对于采煤工作面，瓦斯涌出量为20.82 m3/min，采取综合抽采措施，其中采煤工作面本层瓦斯涌出量在5.90 m3/min左右，采煤工作面采取在进风巷、回风巷布置沿倾斜方向顺层钻孔进行采前预抽、边采边抽，预抽钻孔覆盖整个工作面，钻孔间距为3～5 m(预抽时间越短，间距越小，反之，则大)，钻孔封孔长度不小于8 m，钻孔布置如图1所示。

图1 4216工作面顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯钻孔布置图

2#煤层为极薄～薄煤层，其开采过程中本煤层瓦斯涌出量相对较小，但3#煤层卸压后，卸压瓦斯大量涌入2#煤层回采空间，导致2#煤层回采期间工作面瓦斯涌出量大。为加强卸压抽采增强保护层开采效果、降低保护层工作面瓦斯涌出，采用下向穿层钻孔、沿空留巷充填体埋管、高位钻孔综合抽采卸压瓦斯。缓倾斜煤层上保护层开采后，在采空区下伏岩层形成凹壳形卸压空间，被保护煤层沿工作面布置方向中央向两侧卸压逐渐减弱。中部卸压区钻孔孔底间距相对较大，两侧未充分卸压区钻孔间距逐渐减小[3-7]，如图2所示。

a-首采面；b-下区段采面图2 保护区穿层钻孔布置剖面图

回采过程中在回风巷采用高位钻孔与沿空留巷充填体埋管相结合的方法抽采采空区瓦斯，预防采煤工作面瓦斯超限，高位钻孔由4216进顺距切眼15 m处开始施工，组间距15 m，4216工作面高位钻孔布置如图3所示；沿充填体顶部每3 m埋设一条φ200 mm无缝钢管抽采采空区瓦斯，如图4所示。

图3 高位钻孔布置示意图

图4 沿空留巷埋管抽采瓦斯布置示意图

3 下伏被保护层瓦斯抽采方案

工作面开切眼、停采线附近未保护区域采用密集穿层钻孔进行预抽。由于3#煤层采用放顶煤开采，保护层结合卸压瓦斯抽采后，其残余瓦斯含量仍相对较大，为杜绝回采期间瓦斯超限，3#煤层两顺槽掘进过程中，在两顺槽施工顺层钻孔抽采回采区域瓦斯及边采边抽，钻孔布置方式与2#煤层回采区域大体相同[8-12]。

在回采工作面采空区埋设抽采管对采空区进行埋管抽采，采空区埋管为每隔20 m向墙内留设一根长为200 mm的钢管，当隅角瓦斯浓度<1%时，埋管封闭；当隅角瓦斯浓度≥1%，将埋管并入抽采管路进行抽采。

随着工作面的推进，埋管口被保留在采空区，通过抽采系统抽采采空区的瓦斯。当工作面继续推进至下一个埋管口三通处，打开下一个循环的埋管口阀门，直至工作面回采完毕，封闭回采巷道，继续抽采采空区瓦斯至回采结束，从而达到利用埋管抽采采空区瓦斯的作用。

4 上保护层开采过程瓦斯抽采效果考察

4.1 上保护层进风巷下向钻孔抽采卸压瓦斯效果

通过对2#煤层保护层4216回采工作面进风顺槽设计施工下向钻孔抽采3#煤层被保护层卸压瓦斯，距采面切眼5 m开始布置第一组，每组5个钻孔，开孔间距1 m，3#煤层底板终孔间距30 m，设计施工钻孔36组，每组间距15 m，共180个钻孔。通过考察4216工作面进风巷下向穿层钻孔卸压瓦斯抽采随工作面推进的情况，确定被保护3#煤层钻孔瓦斯抽采量与保护层工作面动态时空关系，如图5所示，钻孔卸压瓦斯抽采效果与保护层工作面动态时空关系如图6所示，通过在4216专用底板巷走向段施工测试钻孔，考察煤层膨胀变形量如图7所示。

图5 4216工作面下向钻孔抽采瓦斯浓度、抽采流量变化曲线

图6 第12组钻孔卸压瓦斯抽采效果与保护层工作面动态时空关系曲线

图7 4216工作面下向钻孔煤层膨胀变形量变化曲线

根据工作面与钻孔位置关系分析，在保护层工作面采过后，在距工作面迎头23 m范围内，卸压瓦斯抽采浓度2%～16%，流量为0.13～0.21 m3/min；在滞后工作面24～42 m范围内，受采动影响，下伏3#煤层裂隙发育扩展，煤层透气性显著提高，抽采浓度和抽采流量明显增加，为之前的1.9～25倍，卸压瓦斯抽采浓度30%～50%，抽采流量0.85～1.13 m3/min。

从卸压瓦斯抽采效果可得，在2#煤回采之后，采空区后方24～42 m范围内对应的下伏3#煤抽采瓦斯浓度和纯流量为最佳区域，说明滞后工作面24～42 m为卸压瓦斯最活跃区域，与数值模拟分析的在工作面后方20～30 m范围为活跃区基本相符。

由图6、图7可知，卸压瓦斯抽采一定时间后，瓦斯抽采浓度会出现一定的衰减，且3#煤层膨胀变形量随着工作面的推进逐渐增大并稳定在100 mm，保护层4216工作面回采期间底板穿层钻孔卸压瓦斯抽采量、浓度总体较小，抽采瓦斯浓度6.8%～16.5%。

4.2 保护层进风巷下向钻孔抽采卸压瓦斯技术

矿井试验区2#煤层与被保护3#煤层间距较小，保护层工作面开采过程中瓦斯涌出量大，应对3#煤层进行卸压瓦斯抽采，防治工作面瓦斯超限。在开采2#煤层时，被保护层3#煤层卸压后透气性增加，卸压瓦斯抽采利于扩大保护作用。卸压瓦斯抽采的关键在于下向钻孔施工及封孔。

本次采用风力排渣方式进行穿层长钻孔施工试验，鉴于试验地点钻孔施工的实际条件，底板卸压钻孔采用ZDY-3200S型钻机，φ113 mm钻头配合φ73 mm钻杆施工10 m，使用φ108 mm钢管护孔，并灌注水泥砂浆将钢管凝固在钻孔中，再采用φ94 mm钻头配合φ73 mm钻杆在钢管中再次施工，钻孔施工深度穿过3#煤层且进入3#煤层底板0.5 m。钻孔封孔采取水泥砂浆材料，封孔深度为10 m。钻孔全程下φ75mmPVC护孔管，孔口附近2 m采用φ80 mm钢管护孔。下向穿层钻孔抽采浓度监测曲线如图8所示，3#煤层卸压活跃区域卸压瓦斯抽采初期抽采浓度一般30%～50%，抽采持续时间一般10～20 d；受沿空留巷巷道底臌影响，护孔钢管破裂，同时封孔段水泥产生裂隙，导致钻孔与巷道围岩裂隙导通，如图9所示，卸压瓦斯抽采浓度急剧下降，影响卸压瓦斯抽采效果。

图8 钻孔抽采浓度监测曲线

图9 钻孔与巷道围岩裂隙导通示意图

针对施工上保护层进风巷施工下向孔及抽采实践过程存在的问题，通过改进钻孔成孔工艺与封孔工艺，具体工艺如下：采用φ94 mm钻头配合φ73 mm钻杆进行施工，钻孔穿过3#煤层且进入3#煤层底板0.5 m，钻孔全程下φ55mmPVC护孔管，孔口附近2 m采用φ75 mm钢管护孔。下向孔封孔深度根据岩孔段长度确定，即封孔长度为岩孔长度。

上保护层4216工作面回采期间采煤工作面瓦斯浓度0.15%～0.43%，回风流瓦斯浓度0.14%～0.65%，瓦斯浓度如图10所示。由图可见，成孔工艺显著地提高了保护层采煤工作面进风巷下向钻孔抽采被保护层卸压瓦斯效果，杜绝了瓦斯超限事故。