依兰第三煤矿煤与煤层气协调开发模式

2021-08-17黄鹤

中国煤层气 2021年2期

黄鹤

(1. 中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 113122； 2. 煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 113122)

1 依兰三矿煤层赋存情况

依兰第三煤矿位于黑龙江省依兰县达连河镇境内，本井田含煤地层为古近系达连河组地层，煤层集中分布于含煤段。煤层群厚约10～30m，含煤5层(上1、上1～上2、上2、中和下煤层)，纯煤最大厚度36.85m，最小4.57m，平均为10.04m，其中主力煤层为上2煤层和中煤层。依兰三矿上2煤层和中煤层瓦斯压力均超过0.74MPa。依兰第三煤矿煤层气丰度为0.9亿m3/km3,矿区深部预测区煤层气资源丰度为0.95亿m3/km3，整个依兰井田煤层气资源丰度为0.26m3/km3。

2 瓦斯治理模式

结合依兰三矿煤层赋存及地质条件，首先在上2煤层底板砂岩内超前开掘底板开拓巷道与瓦斯抽采巷道并安装煤层气抽采管路，为煤层气超前抽采提供时间、空间条件，以此实现底板巷道开拓超前于煤层气抽采工程，其次在底板巷道内向保护层掘进条带与石门揭煤区域实施穿层钻孔水力化增透措施，之后施工穿层钻孔进行煤层气抽采，消除保护层掘进条带与石门揭煤区域突出危险后进行保护层工作面顺槽掘进与开切眼布置，保护层准备工作面形成后在顺槽内向工作面区域实施顺层钻孔水力压裂增透措施，之后施工顺层钻孔进行煤层气抽采，待工作面达到消突条件后进行回采，因此煤层气抽采工程超前于保护层开采。

保护层回采造成被保护层卸压增透，利用穿层网格钻孔抽采被保护层卸压煤层气，同时利用采空区抽采技术抽采保护层采空区煤层气，进而实现保护层安全回采及消除被保护层突出危险性。在保护层范围内布置被保护层回采工作面进行回采，因此，保护层开采超前于被保护层开采，这样形成了依兰第三煤矿近距离松软低渗突出煤层群条件下的“井下三区配套三超前增透抽采煤层气”瓦斯治理模式。

2.1 开拓区

矿井开拓区的功能任务主要是为煤层气抽采准备条件。依兰第三煤矿开拓区主要是底板大巷以及底板煤层气抽采巷道的掘进，底板主要巷道超前于瓦斯抽采巷道开拓掘进，超前距离至少1个工作面条带距离，确保专用瓦斯抽采巷道的施工，同时布置煤层气抽采管路系统。

2.2 准备区

矿井准备区的功能主要是布置出满足安全开采条件的工作面。主要任务包括：石门揭煤水力压裂、煤层气预抽钻孔的施工、煤层气预抽；在底板瓦斯抽采巷向保护层掘进条带区域打压裂钻孔并进行水力压裂，以及施工穿层钻孔进行掘进条带预抽。

当条带预抽达到安全标准后进行保护层顺槽的掘进以及开切眼的布置，形成准工作面，在保护层准备工作面施工顺层钻孔进行回采区域水力压裂增透，之后在两个顺槽施工本层平行抽采钻孔，进行本煤层预抽。依兰第三煤矿在保护层预抽的同时，通过底板瓦斯抽采巷向被保护层施工穿层网格钻孔进行被保护层的煤层气预抽，以降低被保护层煤层气含量与压力。

2.3 回采区

在保证保护层准备工作预抽达标后，进行保护层煤炭开采。当被保护层瓦斯预抽区域达到安全标准后进行被保护层的回采，这样就形成了一个保护层和被保护层的循环开采。由于依兰第三煤矿保护层和被保护层间距较小，保护层开采后，被保护层大量的卸压瓦斯会涌入保护层工作面采空区，为保证保护层安全开采，同时实现最大化开发煤层气资源，也进行采空区煤层气抽采，保护层采空区抽采方式采用采空区密闭插管抽采和回风顺槽高位钻孔抽采方式。

3 煤层气开发技术体系

基于矿区进行煤层气开发与煤炭开采活动时所选择的煤层气抽采技术与煤炭开采技术必须与地质条件相适应的原则，根据依兰第三煤矿地质条件的特点，在认真分析煤炭开采与煤层气抽采面临难题的基础上，提出了矿区应以坚持超前开采保护层并结合煤层赋存条件变化选择适宜的煤炭开采技术进行煤炭开采，坚持以原始煤层增透技术与保护层开采卸压增透技术并举的方式进行煤层增透，坚持以提前预抽、采前预抽、采中抽采、采后抽采技术相结合的方式进行煤层气综合立体式抽采作为复杂地质条件煤矿区煤层气与煤炭协调开发技术选择的总体思路原则。

3.1 精确瓦斯来源、优化高位钻孔参数

采集各煤层瓦斯气体和相关煤层煤样，利用同位素质谱仪查明煤矿中不同煤层中瓦斯的主要碳氢同位素成分特征，建立多元瓦斯气体混合数学模型，并定量分析所采样品中不同煤层的瓦斯来源比例及构成，最终确定本煤层的瓦斯来源。通过计算各煤层裂隙带高度及各煤层层间距，确定高位钻场钻孔的终孔层位布置在25m～35m，这样就能抽出更多的裂隙带瓦斯，通过优化高位钻孔，依兰第三煤矿瓦斯抽采效率平均提高了60%。

3.2 坚持采用适用的地质精细化探测技术

依兰第三煤矿地质条件复杂，隐伏地质构造及其破坏带一方面影响着采掘工程的合理布置与安全快速掘进，另一方面影响着矿区煤层气抽采工程的抽采效果。基于此，依兰第三煤矿在采掘工程及煤层气抽采工程实施前，应采用的地质精细化探测技术对区内隐伏地质构造进行超前探测，以有效指导采掘工程及煤层气抽采工程施工，为煤与煤层气安全高效开采提供地质保障。

3.3 坚持采用适用的井下煤层增透技术

采用井下水力压裂技术对石门揭煤区域、保护层掘进条带区域、保护层准备工作面开采区域原始煤层进行增透，以提高原始煤层抽采效果，利用保护层超前开采的采动影响实现被保护层地应力有效释放，进而提高煤层透气性，使其达到高效抽采及改善开采条件的目的。

3.4 坚持采用综合立体抽采煤层气技术

根据依兰第三煤矿煤炭开采阶段的不同，采用石门揭煤预抽、底板穿层掘进条带预抽、保护层工作面顺层钻孔预抽、边掘边抽、边采边抽、底板穿层网格钻孔抽采、上邻近层穿层钻孔抽采、顶板高位钻孔抽采、老空区密闭插管抽采等煤层气抽采技术，以实现不同煤炭开采区域煤层气的综合立体抽采。

3.5 坚持采用高效的煤岩层钻进技术

为保障井下煤层气抽采钻孔能够按照设计严格施工，尽可能地减少煤层气抽采工程投入，消除煤层气抽采“空白带”，提高钻进效率以减少对采掘工程造成的影响，矿区应坚持采用适用于特定复杂地质条件的、高效的多岩性穿层钻进技术与松软突出煤层顺层钻进技术。

3.6 坚持因地制宜地选用合适的煤炭开采技术

根据煤层浮层条件不同，应选择最为合适的煤炭开采方法，应首先选用机械化程度比较高的综合机械化煤炭开采技术。应采用先进适宜的保护层无煤柱开采技术，以减少被保护层煤柱影响范围及提高煤炭资源回采率。

4 煤与煤层气开发协调关系

4.1 掘进超前空间距离

空间层面上实现掘进超前是为了给待接替煤层区域的采前预抽与工作面的准备提供施工空间条件，依兰三矿空间层面上的掘进超前必须满足的最低指标如图1所示。

图1 依兰三矿空间层面掘进超前示意图

煤层开拓巷道必须超前保护层准备工作面一个工作面条带，确保下一个工作面的施工具备空间条件；底板开拓巷道必须超前瓦斯巷一个工作面条带，确保下一个瓦斯巷的施工具备空间条件；瓦斯巷必须超前保护层准备工作面两条瓦斯巷，确保下一个保护层准备工作面煤层巷道的掘进条带抽采钻孔的施工。

4.2 抽采超前空间距离

空间层面实现抽采超前是为了给接替煤层区域提供采前预抽空间条件，进而保障足够充分的抽采时间使煤层消除突出危险性，保障煤炭安全高效开采。根据依兰三矿掘进条带预抽、回采工作面本层采前预抽、被被保护层网格预抽条件下各种预抽技术抽采达标时间的经验值并结合掘进工作面的掘进速度、回采工作面的回采速度统计基础上，计算出空间层面抽采超前必须满足的最低指标见表1。

表1 空间煤层抽采超前距离最低控制指标

由于依兰第三煤矿上1将煤层作为保护层然后自上至下依次开采下部各煤层，保护层穿层掘进条带超前抽采、保护层采面本层超前抽采、被保护层穿层网格超前抽采空间距离最低控制距离示意图分别如图2、3、4所示。

图2 保护层穿层掘进条带抽采最小超前距离示意图

图3 保护层工作面本层抽采最小超前距离示意图

图4 被保护层穿层钢哥抽采最小超前距离示意图

4.3 煤层气抽采超前时间

保护层、被保护层煤层开采之前必须采取综合预抽措施，保证抽采达标。综合考虑依兰第三煤矿增透后煤层透气性、煤层气含量、抽采影响范围、煤层增透抽采技术水平等因素，为了确保足够的煤层气预抽时间，实现煤层气预抽和煤炭安全开采的衔接，准备区煤层气抽采应超前回采区煤层开采 3～5年，本煤层预抽不少于12个月，顺层钻孔预抽时间不少于3个月。