复杂条件下近距离煤层群瓦斯综合治理技术研究

李 义，于小明，冯步云，罗彦忠

(1.山西汾西(矿业)集团有限责任公司， 山西 晋中 032000；2.平安煤矿瓦斯治理国家工程研究中心有限责任公司， 安徽 淮南 232000；3.山西汾西中兴煤业有限责任公司， 山西 吕梁 030500)

长期理论研究和突出危险煤层的开采实践证明，开采保护层是有效防治煤与瓦斯突出的区域性措施。因此，在现有技术条件下，开采保护层结合强化瓦斯抽采成为防治煤与瓦斯突出的首选技术，对保障煤与瓦斯突出危险煤层的安全高效开采具有重要意义。

中兴煤业目前主采2号煤层，上覆有1号煤层(距2号煤层顶板1～1.8 m)和02号煤层(距2号煤层顶板7～14 m)，下伏有4号煤层(距2号煤层底板2.4～3.5 m，平均间距为3.0 m)，4号煤层下伏有5号煤层(距4号煤层底板0～6.0 m，平均间距为2.7 m)，煤层层间距近，属典型近距离煤层群开采。

因上下邻近层高瓦斯随采动卸压涌入影响，使3203工作面回采期间回风流瓦斯浓度偏高。矿井瓦斯防治难度的不断增加制约了煤炭安全高效开采。

经过研究分析，工作面上方7～13 m处有一层局部可采的02号煤层，对应3(02)03工作面，原始瓦斯含量为3.37 m3/t，无突出危险性，可以作为3203工作面及下伏4#煤层的保护层工作面首先开采。受前期采掘规划与布置的影响，3(02)03工作面走向和倾向长度较3203工作面小，即保护层工作面与被保护层工作面非等长等宽布置，导致下伏煤层的卸压范围有限。因此，进行非等长保护层开采试验，探索形成复杂条件下低透气性近距离煤层群瓦斯综合治理固化模式，以实现矿井安全生产。

1 矿井概况

中兴煤业地处山西省交城县岭底乡，隶属山西焦煤汾西矿业(集团)有限责任公司，井田位于西山煤田西山矿区西部，东、西、北三面高，中部及南部相对较低，地面绝对标高在+1 535～+990 m，井田内地层出露良好。主要含煤地层为二叠系下统山西组和石炭系上统太原组，共含煤13层，可采煤层6层，分别为上组煤(山西组)2号、4号、5号3层，下组煤(太原组)6号、8号、9号3层。根据煤层的赋存条件，确定全井田在上、下煤组分别设开采水平，上煤组划分为第一水平，标高设在+760 m，下煤组划分第二水平，标高设在+680 m. 中兴煤业生产能力为200万t/a. 经鉴定：井田范围内2号、(4+5)号、02号煤层具有煤与瓦斯突出危险性，为突出煤层。

2 试验工作面概况

3203工作面井下位于三采区北翼，东面为3201采空区，西面为3205备采面，北面为井田边界，南面为三采区回风大巷、轨道大巷和运输大巷。下部煤层未开采，工作面走向长1 615 m，倾斜长为186 m，盖山厚度为620～870 m，2号煤层煤厚1.7～2.3 m，平均2 m. 工作面顶板由下至上依次为伪顶0.5 m(砂质泥岩)、直接顶5 m(砂质页岩)、基本顶10 m(砂岩)；底板由上至下依次为直接底0.8 m(砂质泥岩)、基本底2.5 m(砂质页岩、砂岩)。采用综合机械化一次采全高全部垮落法管理顶板。

3 工作面瓦斯涌出量来源及存在问题

结合相邻3201工作面正常回采期间瓦斯涌出情况，最大绝对瓦斯涌出量为23～30 m3/min(风排瓦斯量为7～10 m3/min，抽采瓦斯量为16～20 m3/min).

根据《中兴煤业采掘瓦斯来源量化分源研究报告》：2号煤层工作面回采时，采空区2号本煤层的瓦斯来源占比平均 15%，(4+5)号组合层的瓦斯来源占比平均 40%，02号煤的瓦斯来源占比平均 34%，其它煤层占比11%.

由瓦斯涌出来源分析可知,约有85%上下临近层卸压瓦斯进入回采工作面是制约工作面正常回采的主要因素之一。而3203工作面未布置底抽巷，对临近煤层采取的瓦斯治理措施针对性不强，缺乏有效治理手段。

4 瓦斯综合治理技术

4.1 工作面原瓦斯治理措施

4.1.1顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯

运输巷东侧帮施工2号本煤层顺层钻孔201个，孔径94 mm,间距6 m，孔深150 m，材料巷(3201运输巷)施工本煤层钻孔141个。预抽时间为29个月，预抽区段瓦斯储量为541万m3(原始瓦斯含量为7.36 m3/t)，瓦斯抽采量为249万m3，剩余瓦斯量为292万m3(残余瓦斯含量为3.96 m3/t).

4.1.2裂隙带钻孔抽采

运输巷内施工倾向高、低位裂隙带钻孔，自距停采线60 m起，每隔60 m布置1个钻场，钻场内高、低位裂隙钻孔各8个，孔径94 mm,孔深42 m，终孔垂高18 m/12 m，终孔间距6 m,覆盖工作面30 m. 钻场走向(高位)裂隙带钻孔孔径94 mm,孔深100 m，终孔垂高25 m/30 m，覆盖工作面60 m. 主要用于抽采顶板裂隙带瓦斯，治理回采期间上隅角及采空区瓦斯涌出。

4.1.3下邻近(4+5)号煤层穿层钻孔预抽瓦斯治理

在运输巷2号本煤层钻场内施工下邻近(4+5)号煤层拦截钻孔182个，孔径94 mm,孔深42 m，覆盖工作面50 m.

另布置了2个低位底抽钻场(钻场卧至(4+5)号煤层)，距切眼及钻场间距均为100 m. 低位底抽钻场内施工(4+5)号煤层拦截钻孔和预抽钻孔，孔径94 mm,孔深130 m，覆盖工作面130 m. 主要用于治理回采期间下邻近层对工作面上隅角及采空区瓦斯涌出。

4.1.4沿空留巷“Y”型通风技术

本工作面采用“Y”型通风，其中材料巷主进风，运输巷辅助进风,3203回风巷回风。

4.2 补充瓦斯治理措施

原有措施难以满足瓦斯治理要求，针对瓦斯涌出来源分析，经研究分区段补充如下措施：

4.2.1退尺1 437～1 160 m段瓦斯治理

因工作面初采顶板滞后跨落，前期施工的裂隙带钻孔因时间较长，抽采效果差。因此，新增工作面高抽巷、(4+5)号底抽联巷拦截/预抽钻孔瓦斯。

1) 初采期间增补的瓦斯治理措施。

高抽巷Ⅰ：与3203运输巷内错 25 m，前35 m 布置在2号煤层顶板12 m处，后30 m逐降至2号煤层顶板8 m处。主要用于抽采工作面初采、初放期间冒落带和采空区的瓦斯。

2) 正常回采期间增补的瓦斯治理措施。

考虑到俯向钻孔抽采的局限性，新增施工2条底抽联巷(图1)，Ⅰ联巷巷道北侧布置两排(4+5)号煤层顺层钻孔；Ⅱ联巷巷道两帮各布置两排(4+5)号煤层顺层钻孔，钻孔间距3 m，孔径94 mm,孔深150 m. 主要用于解决工作面回采过程中，下邻近(4+5)号煤层大量卸压瓦斯涌入工作面，确保工作面安全生产。

图1 3203工作面底抽联巷(4+5)号煤拦截钻孔平面布置示意图

高抽巷Ⅱ：工作面过底抽联巷Ⅰ、Ⅱ期间，考虑到集中应力影响，以及下部(4+5)号煤层顺层钻孔不能实现连续抽采，补充施工高抽巷Ⅱ。与运输巷内错25 m，层位在2号煤顶12～21 m处，巷总长142 m. 重点抽采裂隙带和上邻近层卸压瓦斯。

4.2.2退尺1 160～0 m(停采线)段瓦斯治理

实施保护层开采，并对下伏2号、(4+5)号煤层进行卸压抽采。

因被保护的3203面存在应力集中区，为消除应力带来的安全风险，在3203运输巷补充施工了应力卸压钻孔并合并抽采。3(02)03软岩保护层工作面示意图见图2.

图2 开采3(02)03软岩保护层工作面示意图

5 封孔工艺

本煤层钻孔、(4+5)号煤拦截钻孔、高位钻场裂隙带钻孔均采用FKJW-50/0.5抽放瓦斯用囊袋“两堵一注”注浆式封孔器，封孔有效长度8.3 m，注浆压力不小于1.5 MPa，充分封堵因矿压显现导致的裂隙，在钻孔周边形成致密封闭帷幕，封堵效果明显，在实际考察中未见明显漏气现象。

6 应用考察

结合不同区段瓦斯综合治理措施，分别对回风流瓦斯浓度、瓦斯涌出量、抽采情况、煤层瓦斯含量及瓦斯压力进行考察。

6.1 初采前80 m阶段

初采前80 m工作面绝对瓦斯涌出量在8～15 m3/min，回风流瓦斯浓度在0.38%～0.58%，工作面抽采率17%～43%. 各情况曲线见图3，4.

图3 随推进度瓦斯涌出量曲线图

图4 随推进度瓦斯浓度及风排瓦斯量曲线图

6.2 推进80～340 m段

该区段工作面绝对瓦斯涌出量在9～24 m3/min，回风流瓦斯浓度在0.4%～0.72%，工作面抽采率11%～62%，底抽联巷顺层长钻孔末端效果不理想，高抽巷前后过渡期间，工作面瓦斯浓度有升高现象。各情况曲线见图5，6.

图5 随推进度瓦斯涌出量曲线图

图6 随推进度瓦斯浓度及风排瓦斯量曲线图

6.3 开采非等长保护层工作面区段

2#煤层最大瓦斯含量为7.37 m3/t，瓦斯压力为0.68 MPa；4#煤层最大瓦斯含量为8.43 m3/t，瓦斯压力为0.97 MPa；5#煤层最大瓦斯含量为9.31 m3/t，瓦斯压力为1.21 MPa；02#煤层最大瓦斯含量为5.30 m3/min，瓦斯压力为0.47 MPa.当3203 工作面进入上部3203软岩保护层开采区段后，考察2号煤层应力和瓦斯参数变化。

2号煤采动应力变化见图7. 保护层工作面前方60 m以远采动应力几乎无变化；随着保护层工作面的推进，采动应力逐渐增大，并在距工作面约15 m的位置达到最大值，约为28 MPa；随着保护层工作面的进一步推进，应力值迅速降低，并在采空区位置应力值降至最小，随后又有缓慢回升趋势。

图7 2号煤层采动应力变化曲线图

2号煤采动瓦斯压力变化见图8. 2号煤层初始瓦斯压力约为0.015 MPa(顺层钻孔预抽影响)，初始瓦斯压力较低，但受采动应力影响变化幅度较大，即使抽采达标的煤层在采动应力作用下瓦斯压力亦有可能发生明显回升，给煤矿安全生产带来隐患。

图8 2号煤层瓦斯压力变化曲线图

钻孔瓦斯涌出量变化见图9. 初始阶段钻孔瓦斯涌出量相对较高，随着上保护层工作面的推进，瓦斯涌出量有轻微下降的趋势。这是因为随着上保护层工作面的邻近，采动集中应力也随之向前移动，附近下被保护层煤体逐渐被压缩，渗透率降低。随着上保护层工作面的进一步推进，钻孔在进入采空区之前瓦斯涌出量即已开始显著增大，这可能是因为采动集中应力作用下煤体发生了损伤扩容，致使煤内孔隙率增大，渗透率随之增大。当钻孔进入采空区后瓦斯涌出量增大至最大值，随后又有下降的趋势，与采动应力演化规律较为符合，说明瓦斯涌出量也受采动应力的控制。

图9 2号煤层钻孔瓦斯涌出量变化曲线图

卸压范围内2号煤层的残存瓦斯含量为4.23 m3/t，瓦斯压力为0.33 MPa，瓦斯含量下降了3.14 m3/t，瓦斯压力下降了0.35 MPa，降幅均在40%以上。工作面瓦斯浓度在0.34%～0.42%，实现了低瓦斯状态下回采局面。

7 结 论

1) 虽为非等长开采保护层，但开采保护层后，卸压效果显著，回采煤层消突效果得到验证，未出现动力现象等突出预兆，工作面实现了低瓦斯状态下回采良好局面，也印证了复杂条件下低透气性近距离煤层群优先开采关键保护层是实现矿井瓦斯综合治理的关键途径。但非等长保护层工作面易造成被保护层工作面应力集中，增加巷道维护和瓦斯抽采成本，应规范布置被保护层回采工作面。

2) “两堵一注”注浆封孔技术有效提高单孔瓦斯浓度，由5%～10%提高到30%～35%，最高抽采浓度可达60%以上。