保护层开采条件下卸压瓦斯治理技术实践

白振华,高 品,姬 东

(陕西陕煤韩城矿业有限公司下峪口煤矿,陕西 渭南 715400)

0 引言

近年来,随着我国浅部煤矿资源逐渐减少,全国煤炭开采正以每年10～20 m的速度向深部延深[1]。在深部开采中地应力高、瓦斯压力大、构造应力场复杂,这些都将会增加煤与瓦斯突出事故发生的可能性,极易引发重大事故,影响煤矿安全生产[2-5]。

在众多区域防突措施中,保护层开采是最有效的区域防突措施,通过提高煤层渗透率,从而大幅度提高保护层开采的效果。在开采过程中,被保护层发生破坏,进而破坏原岩应力平衡,使岩层产生大量裂隙,被保护层得到卸压。秦汝祥、徐刚等[6-7]采用数值模拟和现场考察方法分析被保护层的应力和形变,确定了上保护层和下保护层的卸压保护范围。程详等[8]运用数值试验方法讨论了将软岩作为保护层开采的效果,并提出了卸压瓦斯综合治理方案。文虎等[9]采用现场试验方法实测被保护层力学特征及瓦斯赋存特征,得出了保护层开采的卸压范围。FANG等[10]通过物理模拟研究了不同倾角下,保护层开采的保护范围。郭怀广[11]采用数值模拟和现场考察的方法,研究了保护层开采区域防突效果的时空分布特征。因此,保护层开采结合卸压瓦斯治理对于解决工作面瓦斯超限具有重要意义[12]。

针对陕西陕煤韩城矿业有限公司下峪口煤矿地质条件,就保护层开采条件下卸压瓦斯治理进行研究。通过对工作面瓦斯涌出预测及分析瓦斯来源,确定合理的瓦斯抽采方案,结合瓦斯治理现场考察,进而确定卸压瓦斯抽采效果,以保障矿井安全高效生产。

1 工程概况

下峪口煤矿是煤与瓦斯突出矿井,矿井设计生产能力为1.5 Mt/a,矿井开拓方式采用平硐-暗斜井-立井多水平联合开拓方式,原设计3个开采水平+437 m、+300 m、+160 m。目前该矿一水平已开采完毕,主要生产水平为+300 m水平。矿井主采煤层2号、3号煤层,以2号煤层作为3号煤层保护层开采。2号煤层赋存较为稳定,煤层平均厚度为0.3～1.7 m,2号煤层距离下伏3号煤层平均距离7.6～29.0 m。2号煤层倾角2°～5°,煤层平均倾角4°,属于近水平煤层。

考察工作面为4216工作面,作为保护层,工作面柱状图如图1所示。工作面长度623.7 m,可采长度503.9 m,切眼宽169 m,距离下部3号煤层7.6～13.2 m,平均煤厚0.97 m,采用倾斜长壁采煤法,采空区采用全部垮落法管理顶板,采用Y型通风方式,瓦斯含量8.00～11.00 m3/t,被保护层为21326工作面,平均煤厚6.2 m,瓦斯含量7.4～11.81 m3/t,被保护层工作面赋存稳定,煤体结构简单。

图1 4216工作面煤层柱状图Fig.1 Coal seam histogram of 4216 working face

2 上保护层瓦斯涌出量预测

回采工作面瓦斯涌出来源于煤壁、采落煤炭以及采空区,其中煤壁和采落煤炭瓦斯涌出属于本煤层瓦斯涌出,采空区瓦斯主要来自于邻近煤层和围岩。本煤层(煤壁和采落煤炭)瓦斯涌出强度与煤的暴露时间呈负指数关系,即工作面瓦斯涌出强度随时间呈现负指数衰减,对此选用何种采煤工艺是工作面瓦斯治理能否取得成效的关键。查阅相关资料可知,工作面瓦斯治理的关键是邻近层瓦斯治理,具体来说是受邻近层的赋存规律、原始瓦斯含量、岩石性质以及本煤层和邻近层之间的相对位置关系等影响[13-14]。根据AQ1018—2006《矿井瓦斯涌出量预测方法》5.1.3及附录B的规定[15],预测下峪口煤矿上保护层4216工作面瓦斯涌出量为

q采=q1+q2

(1)

(2)

(3)

式中,q1为开采层相对瓦斯涌出量,m3/t;q2为邻近层相对瓦斯涌出量,m3/t;K1为围岩瓦斯涌出系数,取值为1.3;K2为丢煤瓦斯涌出系数;K3为准备巷道预排的瓦斯对开采层瓦斯涌出影响系数;m为开采层厚度,m;M为采面高度,m;W0为原始瓦斯含量,m3/t;Wc为煤层残余瓦斯含量,m3/t;ηi为邻近层瓦斯排放率,%。

利用式(1)(2)(3)对4216工作面进行瓦斯涌出量预测,结果见表1。可以看出,保护层工作面瓦斯相对涌出量为55.35 m3/t,按照工作面每天生产煤炭600 t,绝对瓦斯涌出量为23.07 m3/min,其中本煤层瓦斯涌出量5.51 m3/t,占总涌出量的24%,下伏3号煤层瓦斯涌出量占总瓦斯涌出量的60%。因此,要实现保护层的高效安全回采,同时在被保护层回采期间解决瓦斯治理难题,就必须在保护层回采过程中对下伏3号煤层瓦斯进行卸压瓦斯治理。

表1 4216工作面瓦斯涌出量预测计算表Table 1 Gas emission prediction calculation of 4216 working face

3 被保护层卸压瓦斯治理方案设计

3.1 上保护层卸压瓦斯抽采设计

下峪口煤矿目前主要开采2号、3号煤层,为解决被保护层工作面开采过程中工作面、上隅角等瓦斯浓度超限的难题,实现3号煤层安全高效开采。根据煤层赋存,下峪口煤矿设计采用在2号煤层采煤工作面回采巷道利用沿空充填留巷施工下向钻孔抽采3号煤层卸压瓦斯方案[16]。鉴于试验区2号、3号煤层间距较小(一般7.6～25 m),2号煤层采用沿空充填留巷开采,3号煤层底板未布置底板岩巷;开采保护层2号煤层的同时,为提高被保护层的保护效果,利用保护层沿空留巷施工下向穿层钻孔抽采3号煤层卸压瓦斯和采空区埋管抽采上隅角高浓度瓦斯,防止卸压瓦斯涌入2号煤层采煤工作面采空区造成瓦斯超限。另外,由于保护层工作面沿空留巷采空区底板变形较严重,下向穿层钻孔封孔变形破坏较严重,造成穿层钻孔有效抽采卸压瓦斯时间较短,抽采效果很差,故被保护层保护区内3号煤层设计采用顺层钻孔预抽及边采边抽的瓦斯综合防治措施,即被保护3号煤层采取穿层及顺层钻孔综合抽采方法。

下峪口煤矿4216工作面底板卸压瓦斯抽采钻孔设计在4216进风顺槽施工,距工作面切眼5 m开始布置第1组,每组5个钻孔,组内各孔之间开孔点间距1 m,钻孔穿3号煤层底板,设计终孔间距为30 m,4216进风顺槽共设计底板卸压钻孔27组,每组间距15 m,共设计135个钻孔。钻孔首次联孔抽采为4组(即抽采60 m范围的底板卸压瓦斯)。为了提高封孔成功率,底板卸压钻孔采用水泥砂浆结合U型膨胀剂进行封堵,每组钻孔封孔的深度不小于10 m。4216工作面底板卸压抽采钻孔设计示意如图2、图3所示,钻孔设计参数见表2。

表2 4216工作面底板卸压抽采钻孔参数Table 2 Drilling parameters of floor pressure relief extraction on 4216 working face

图2 4216进顺穿层卸压钻孔布置平面Fig.2 Layout plan of 4216 air-inlet roadway through layer pressure relief boreholes

图3 钻孔布置剖面示意Fig.3 Profile diagram of borehole layout

3.2 被保护层瓦斯涌出治理设计

通过保护层2号煤层开采同时结合穿层钻孔卸压抽采后,3号煤层瓦斯含量一般能降低至低瓦斯状态。由于2号煤层底板穿层预抽钻孔可能因采煤工作面开采破坏煤岩体造成封孔段漏气、煤孔段塌实,对卸压抽采效果有一定影响,但钻孔施工、封孔、抽采等管理到位,3号煤层被保护层掘进工作面瓦斯涌出通风基本能解决问题;3号煤层工作面回采过程中,预计主要为本煤层瓦斯涌出,工作面回采过程中瓦斯涌出有可能仍较大。

通过上保护层开采结合穿层钻孔抽采卸压瓦斯达到消除3号煤层突出危险性和抽采达标的目标。为了进一步降低被保护层工作面回采过程中的瓦斯涌出,回采工作面采用顺层钻孔边采边抽,以防3号煤层回采时工作面后方采空区积聚瓦斯致使隅角瓦斯超限。

针对采空区瓦斯抽采问题,通过采用采空区铺设埋管的方式进行抽放,具体步骤是在采空区密封墙间隔20 m铺设一根200 mm的埋管,将埋管口外漏在采空区,当上隅角瓦斯浓度未超限时,对埋管进行封闭;当上隅角瓦斯浓度超限时,埋管接入抽放管对瓦斯进行抽放。4216工作面回采过程中,工作面推进至埋管口处时,并且埋管口埋在采空区3～5 m时,接入下一循环埋管口阀门,如此循环,当工作面回采结束时,封闭巷道,与此同时继续利用抽采系统对采空区进行抽采,直到采区回采完毕,4216工作面回采过程中,采空区埋管设计如图4所示。

图4 采空区埋管布置平面示意Fig.4 Layout plan of buried pipe in goaf

4 瓦斯治理效果考察

4.1 4216工作面卸压瓦斯治理考察

由表1可知,上保护层4216工作面回采过程中,瓦斯主要来源于下伏煤层。因此4216工作面在回采期间要实现安全高效的回采就必须对下伏3号煤层瓦斯进行治理,将本煤层钻孔、卸压钻孔及采空区埋管结合共同抽采,通过考察4216工作面回风系统及工作面的瓦斯浓度是否超限来验证4216工作面卸压抽采效果,如图5所示。通过收集4216工作面回采期间瓦斯浓度可知,工作面浓度始终维持在0.15%～0.43%之间,回风流瓦斯浓度始终维持在0.14%～0.65%之间,工作面回采期间未发生浓度超限现象,证明瓦斯治理方案有效且可行。

图5 4216工作面回采期间瓦斯浓度变化曲线Fig.5 Change curve of gas concentration during mining of 4216 working face

4.2 21326工作面瓦斯治理考察

4.2.1 上保护层卸压瓦斯时空考察

考察4216工作面进风巷穿层卸压钻孔随工作面推进的情况时,选择其中具有代表性的第16组钻场进行卸压效果时空观测,当工作面推进至第16组、第8组钻孔附近时分别对各组接入抽采计量装置,开始观察钻孔瓦斯体积分数变化,如图6、图7所示。

图6 第16组钻孔卸压瓦斯抽采效果与保护层工作面推进关系曲线Fig.6 Relations curve of pressure relief gas extraction effect of group 16 boreholes and advancing of protective layer working face

图7 第8组钻孔卸压瓦斯抽采效果与保护层工作面推进关系曲线Fig.7 Relations curve of pressure relief gas extraction effect of group 8 boreholes and advancing of protective layer working face

可以看到当工作面推进至距离钻孔15 m范围时,瓦斯抽采体积分数始终维持在10%以下,瓦斯抽采量始终维持在0.2 m3/min以下,说明下伏煤层没有经过充分卸压,当工作面推进超过15～35 m时,瓦斯抽采体积分数与抽采量开始急剧上升,最大抽采体积分数达到47%,抽采量达到1.22 m3/min,抽采体积分数与抽采量都较之前提高了约10倍;瓦斯抽采曲线总体上符合3号煤层膨胀变形规律,即压缩区-卸膨胀区-压缩区的变化特点。

4.2.2 被保护层开采卸压效果考察

对被保护层开采卸压效果考察,通过将被保护3号煤层21326工作面运输巷与工作面回风巷设置在卸压保护范围内,并且在工作面两顺槽内施工两排顺层钻孔预抽煤层回采区域瓦斯,用来消除被保护层突出风险,顺层钻孔间排距为0.8 m,下排钻孔距煤层底板0.8 m,钻孔直径φ86 mm,孔间距4 m,孔深75 m,顺层抽采钻孔封孔深度不小于8 m,如图8所示。

图8 21326工作面顺层钻孔布置Fig.8 Layout of along-the-layer boreholes on 21326 working face

根据《防治煤与瓦斯突出规定》,通过在21326工作面布置23组残余瓦斯含量测试钻孔,实测被保护层工作面3号煤层残余瓦斯含量均小于8 m3/t,满足《防治煤与瓦斯突出规定》的要求,且检验期间未发生喷孔、顶钻等突出预兆。被保护层21326工作面回采巷道掘进局部预测,其中钻屑瓦斯解吸指标最大值、钻屑量最大值均小于《防治煤与瓦斯突出规定》参考临界值,且掘进过程无异常突出预兆等动力现象,综合分析说明通过该瓦斯治理方案保证了被保护层开采卸压有效。

5 结论

(1)通过对上保护层4216瓦斯涌出量预测,得出下伏3号煤层瓦斯涌出量占总瓦斯涌出量的60%,因此有必要针对下伏3号煤层瓦斯进行卸压瓦斯治理。

(2)由于2号煤层与3号煤层间距较小,为了提高保护层开采效果,采取底板卸压钻孔、本煤层钻孔以及采空区瓦斯抽放钻孔连管共同抽放瓦斯治理方案。

(3)对工作面推进后卸压钻孔抽采量进行观测,得出卸压开采保护层后卸压的最佳范围为15～35 m。

(4)通过上保护层卸压瓦斯时空考察以及被保护层开采卸压效果考察等综合分析,得出穿层钻孔抽放卸压瓦斯、采用采空区埋管抽放瓦斯、顺层钻孔预抽、边抽边采等综合瓦斯治理方案有效可行。