特厚煤层分层开采立体多源瓦斯治理技术应用研究

2021-08-27黄光利冉庆雷陈鑫源

能源与环保 2021年8期

刘俊，黄光利，冉庆雷，陈鑫源

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037； 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037；3.河南省煤炭科学研究院有限公司，河南郑州 450001)

我国厚及特厚煤层资源储量丰富，占探明储量的 45%左右，是我国煤矿实现高产高效开采的主力煤层[1-2]。伴随着我国煤炭开发战略布局西移，陕西、内蒙、宁夏等区域特厚煤层经过相当一段时期的开采，逐渐进入深部区域，面临的瓦斯灾害问题日益凸显。特厚煤层采用分层开采时，下伏分层卸压瓦斯将大量涌入采动空间，容易造成瓦斯积聚和超限。徐宁武等[3]分析了近水平特厚煤层分层开采瓦斯含量立体分布规律；程建圣[4]提出了特厚煤层分6个分层开采回采瓦斯涌出量预测方法；王忠乐[5]考察了急倾斜特厚煤层水平分层开采综放工作面瓦斯涌出特征；刘军[6]建立了急倾斜特厚煤层开采工作面瓦斯涌出量预测方法；郑三龙等[7]对急倾斜特厚煤层水平分层开采工作面瓦斯立体化抽采工艺技术进行了研究；刘军等[8]对急倾斜特厚煤层分段开采卸压瓦斯抽采技术进行了考察；马智勇[9]对特厚煤层首分层开采瓦斯立体抽采技术进行了应用研究；高宏等[10]提出了超大直径钻孔采空区瓦斯抽采技术。针对白芨沟煤矿特厚煤层分层开采留设小煤柱工作面瓦斯治理难题，提出了基于小煤柱沿空留巷的大倾角、大孔径钻孔全程下套管治工艺，有效解决了特厚煤层分层开采瓦斯治理难题。

1 矿井及工作面概况

白芨沟煤矿位于宁夏回族自治区石嘴山市境内，井田南北长6.3 km，东西宽1.79 km，面积为11.27 km2。目前主采二3煤层，平均厚度20.84 m，平均倾角4°，煤层原始瓦斯含量4.77～23.59 m3/t。010203区段位于矿井南翼采区，开采二3煤层，倾角11°，厚度13.93 m，分层采高3 m，煤层原始瓦斯含量8.6 m3/t左右。0102103工作面为010203区段首分层工作面，设计走向长545 m，倾斜宽156 m，日产量5 000 t左右。工作面开采布置如图1所示。

图1 0102103工作面开采布置示意Fig.1 Schematic diagram of mining layout of 0102103 working face

2 工作面采前瓦斯抽采及达标情况

2.1 瓦斯抽采基本情况

根据010203区段瓦斯地质赋存规律及实测分析，010203区段煤层原始瓦斯含量在8.6 m3/t左右，瓦斯储量1 238.4万m3。为了有效降低010203区段煤层瓦斯含量，采取了定向长钻孔和底板穿层钻孔区域预抽措施。

(1)定向长钻孔预抽。在1665边界回风上山布置了1个钻场，沿二3煤层走向布置了7个定向长钻孔，钻孔总进尺6 022.9 m。钻孔布置在煤层顶板以下8 m位置，其中1号—5号孔均沿走向间距25 m进行布置，6号、7号孔沿走向间距28 m进行布置。定向长钻孔平均瓦斯抽采浓度10%～30%，平均瓦斯抽采流量0.5～0.8 m3/min。

(2)底板穿层钻孔抽采。利用1665回风巷，在工作面南部布置6个钻场(6号—11号)，钻孔呈扇形布置，每个钻场12～15个钻孔；利用010202回风联络巷下口布置一个5号钻场，沿工作面伪斜布置14个钻孔；在北部布置4个钻场(1号—4号)，钻孔均沿工作面伪斜布置，平均9～13个钻孔。底板穿层钻孔单孔平均瓦斯抽采浓度10%～30%，平均瓦斯抽采流量0.1～0.3 m3/min。

010203区段瓦斯预抽钻孔布置如图2所示。

图2 010203区段瓦斯抽采钻孔布置Fig.2 Layout of gas drainage boreholes in section 010203

2.2 瓦斯抽采达标情况

010203区段采前主要采取定向长钻孔和底板穿层钻孔区域预抽措施。定向长钻孔覆盖工作面大部分区域且预抽期长达91个月，其他区域有底板穿层钻孔强化抽采，预抽期18～21个月，采前共抽出瓦斯量443.2万m3。现场施工了7组钻孔实测010203区段二3煤层残余瓦斯含量最大值为6.43 m3/t(可解吸量3.61 m3/t)，首分层0102103工作面残余瓦斯含量最大值为6.22 m3/t(可解吸量3.40 m3/t)，预抽率33.4%，满足《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》第二十七条采煤工作面回采前煤的可解吸瓦斯量应达到的指标要求(日产量不超过5 000 t，煤层残余可解吸瓦斯含量≤5.5 m3/t)。

3 工作面回采瓦斯涌出分析及治理方案

3.1 瓦斯涌出来源分析

010203区段工作面分4个分层开采，根据010203区段工作面煤层赋存及邻近煤层开采情况，010203区段首分层0102103工作面回采期间，瓦斯涌出来源主要包括以下2个方面。

(1)开采层瓦斯涌出。包括0102103工作面本分层瓦斯以及下伏二、三、四分层煤体卸压瓦斯涌出，为工作面回采期间主要瓦斯涌出来源。

(2)采空区瓦斯涌出。主要为上覆二1煤层采空区(1511、1611等)瓦斯涌出以及邻近010202区段工作面采空区瓦斯涌出。

根据瓦斯涌出量预测，0102103工作面回采期间，工作面最大日产量按照5 000 t计算时，绝对瓦斯涌出量最大值将达到29.57 m3/min(本分层及下伏分层瓦斯涌出量22.18 m3/min，其他采空区瓦斯涌出量7.39 m3/min)。

3.2 回采期间瓦斯治理存在的主要难题

(1)0102103工作面为010203区段首分层开采工作面，受本分层及下伏分层卸压瓦斯涌出影响，工作面回采期间本煤层及下伏分层瓦斯大量解吸，将涌入工作面，容易造成瓦斯积聚和超限。

(2)0102103工作面与邻近区段0102402工作面回风巷之间仅留设6 m小煤柱，难以按照以往惯例布置瓦斯治理巷。根据以往经验，采用回风巷埋管抽采无法完全解决采空区瓦斯涌出问题。

(3)由于工作面上覆及邻近区段存在采空区，采空区漏风影响，可能导致回风巷埋管抽采效果不佳，给采空区瓦斯抽采带来一定难度。

3.3 工作面回采瓦斯总体治理方案

针对白芨沟煤矿0102103工作面特厚煤层分层开采留设小煤柱回采工作面的瓦斯治理难题，工作面回采期间采取如下主要对策。

(1)下伏分层卸压瓦斯拦截抽采。一方面，利用已有定向长钻孔、底板穿层钻孔进行卸压瓦斯拦截抽采；另一方面，利用邻近区段0102402工作面回风巷进行沿空留巷，向下伏分层施工顺层钻孔进行卸压瓦斯拦截抽采。

(2)本分层瓦斯强化抽采。通过0102103工作面回风巷施工顺层钻孔，进行本分层瓦斯强化抽采，解决本分层瓦斯涌出问题。

(3)采空区瓦斯抽采。重点利用邻近区段0102402工作面回风巷进行沿空留巷，向0102103工作面回风巷施工大孔径钻孔并结合护孔套管，抽采采空区瓦斯，解决上隅角埋管抽采效果不理想问题；同时，在010203区段回顺施工通路、回风三川等联络巷埋管抽采采空区瓦斯。

按照上述瓦斯治理总体方案，在时空上形成定向长钻孔、底板穿层钻孔、顺层钻孔多通道卸压拦截抽采以及回采期间本分层顺层钻孔边采边抽、沿空留巷大孔径钻孔、回风巷埋管采空区瓦斯抽采格局，构建时空立体多源瓦斯抽采，有效解决0102103工作面瓦斯涌出难题。总体布置如图3所示。

4 回采期间瓦斯治理措施的实施

4.1 卸压瓦斯拦截抽采治理措施

工作面回采期间，继续利用已有的定向长钻孔、底板穿层钻孔进行了下伏分层卸压瓦斯拦截抽采，瓦斯抽采浓度8%～15%。

在此基础上，通过0102402工作面回风巷沿空留巷，向0102103工作面下伏分层施工顺层卸压钻孔拦截抽采下伏分层卸压瓦斯。钻孔间距12 m，孔径113 mm，终孔位置位于010203区段工作面三分层顶部，在垂直方向上内错运输巷10 m，共施工44个钻孔，瓦斯抽采浓度12%～18%。

4.2 本分层顺层钻孔强化抽采治理措施

在0102103工作面回风巷施工本分层顺层钻孔进行强化抽采。钻孔垂直于0102103工作面回风巷布置，控制倾向范围145 m，与工作面运输巷内错10 m，终孔间距6 m，孔径113 mm，倾角9°～16°，共布置88个钻孔，根据工作面推进情况，边采边抽，抽采浓度3%～8%。

4.3 大孔径钻孔采空区瓦斯抽采治理措施

在工作面回采期间，除利用0102103工作面回顺施工通路、010202回风联络巷埋管抽采采空区瓦斯以外，为了有效治理0102103工作面回采期间采空区瓦斯，提出在0102402工作面回风巷向0102103工作面回风巷施工大倾角、大孔径钻孔并全程下入抽采管护孔，进行采空区瓦斯抽采。

(1)大直径钻孔的布置。设计沿0102402工作面回风巷靠0102103回风巷一侧巷帮每隔34 m施工一组大孔径钻孔(每组2个钻孔，间距2 m)。每组钻孔数量为3个，共布置13组39个钻孔。钻孔开孔点位于0102402工作面回风巷上帮距巷道底板2.6～2.8 m位置，终孔点位于0102103工作面回风巷下帮距巷道底板0.2～0.5 m位置。钻孔倾角45°～47°，长度13.3～13.6 m。

(2)大直径钻孔孔径的选择。根据预测，大孔径钻孔抽采纯量需要达到4.2 m3/min，大孔径钻孔瓦斯抽采平均浓度按照5%计算，同时进行抽采的大孔径钻孔按照2组共6个钻孔计算，单孔抽采量应达到0.7 m3/min。根据瓦斯抽采管路管径计算公式，结合其他工作面埋管抽采经验，大孔径钻孔护孔套管选取φ300 mm的管径(内径)，考虑管壁厚度及护孔管下入难度，大孔径钻孔施工裸孔孔径至少为φ350 mm(根据前期现场试验，考虑到护孔管下入难度，逐级扩孔至φ500 mm)。

(3)大直径钻孔施工工艺。钻孔施工采用ZDY-6000型矿用全液压钻机施工，钻杆采用φ73 mm×800 mm规格钻杆，使用φ94 mm钻头配合φ94 mm×800 mm导向钻杆开口施工，首先采用φ94 mm的钻头施工小孔，到位后再逐级采用φ153、φ193、φ250、φ30、φ350、φ500 mm的钻头进行扩孔。

大孔径钻孔裸孔施工完成以后，必须及时对大孔径钻孔下入φ300 mm的套管，以防钻孔垮孔影响套管下放。由于井下空间受限，并考虑到工作面与邻近区段仅留设6 m小煤柱，为了避开应力集中影响巷道变形等，套管选材为长度1 m的钢管，在地面进行加工，将钢管切割为φ300 mm×1 000 mm一段，使用气焊沿管壁均布切割4个φ26 mm圆洞，将φ20 mm螺帽焊接在圆洞内，便于和下一根扁铁延接。套管采用φ20 mm×30 mm螺栓上紧连接，使用气焊沿扁铁延接套管均布切割4个φ20 mm圆洞，使用40T型刮板输送机单链环在套管内壁，焊接一个套管起吊、下放连接环。大孔径钻孔护孔套管主体结构及配套下放装置如图4所示。

图4 大孔径钻孔护孔套管主体结构及配套下放装置Fig.4 Main structure and matching device of large aperture drilling and hole protecting casing

5 瓦斯综合治理效果分析

010203区段首分层0102103工作面采取基于小煤柱沿空留巷的大孔径采空区瓦斯抽采工艺并结合顺层钻孔卸压拦截抽采为主的立体多源瓦斯治理方式，取得了较好的效果。在已有定向长钻孔、底板穿层钻孔抽采基础上，采取本分层顺层钻孔强化抽采、下伏分层顺层钻孔卸压拦截抽采等措施，解决了本分层及下伏分层卸压瓦斯涌出问题。利用上区段沿空留巷施工大孔径钻孔，以孔代巷抽采采空区瓦斯，平均抽采浓度为6%～10%，抽采混合量为50～60 m3/min，解决了采空区瓦斯治理难题。各种瓦斯治理方式的抽采量统计见表1。