許 恒

(大同煤礦集團(tuán)公司)

煤層瓦斯富集引起的煤與瓦斯突出事故、瓦斯爆炸燃燒事故是煤礦開采過程中面臨的重大災(zāi)害，在威脅井下工作人員的同時(shí)，也制約著煤炭行業(yè)的發(fā)展與經(jīng)濟(jì)效益的提高。薄煤層工作面由于采高較低，開采速度快，致使頂板下沉量減少，裂隙帶發(fā)育緩慢，采空區(qū)內(nèi)易富集瓦斯。加之廣泛采用的U型通風(fēng)系統(tǒng)巷道結(jié)構(gòu)簡單，防治工作面瓦斯積聚能力較差[1-4]。瓦斯抽采是目前治理釋放采空區(qū)內(nèi)瓦斯富集的有效辦法之一，瓦斯抽采按照鉆孔分為高位鉆孔抽采、本煤層鉆孔抽采、穿層鉆孔抽采以及立體抽采等[5]。面對變質(zhì)程度高、滲透率低、透氣性差、瓦斯高的薄煤層，通過對其采空區(qū)和鄰近層的瓦斯進(jìn)行全方位立體抽采，可以有效地提高礦井的瓦斯抽放率，降低工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)，消除瓦斯積聚危險(xiǎn)[6-8]。

1 工程概況

小青煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為120萬t/a，2010年核定生產(chǎn)能力250萬t/a。W2713工作面是小青煤礦W2主力開采區(qū)薄煤層工作面，位于其北部，采用刨煤機(jī)割煤工藝回采，工作面斜長225 m，煤層傾角為3°～5°，工作面走向長1 712 m，煤層厚1.40 m，煤層自然發(fā)火期限為90～180 d，煤塵爆炸指數(shù)為36.8%。采區(qū)內(nèi)上覆頂板巖層發(fā)育，偽頂為灰黑色泥巖，易垮落破碎，直接頂為粉砂巖。采區(qū)所屬地質(zhì)構(gòu)造瓦斯易賦存，煤層附近巖層裂隙比較不發(fā)育，使各煤層瓦斯賦存條件適宜，工作面最大涌出量為58 m3/min，平均為32.58 m3/min。通過實(shí)地檢測，W2713工作面釋放瓦斯占總瓦斯釋放量20%～30%，其余為采空區(qū)內(nèi)瓦斯釋放量。

在工作面正式開采前，待開采煤層、上覆巖層與賦存瓦斯構(gòu)成穩(wěn)定狀態(tài)。隨著工作面推進(jìn)形成采空區(qū)，其上覆巖層失穩(wěn)斷裂，頂板逐漸垮落，三者之間的穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，上覆巖層破壞變形，形成縱橫交錯(cuò)的裂縫，賦存瓦斯經(jīng)由這些裂縫涌出到開采工作面。隨著工作面向前推進(jìn)、開采煤層破碎過程中，煤層賦存的瓦斯也會(huì)涌出，在工作面形成瓦斯積聚區(qū)。

W2采區(qū)薄煤層工作面瓦斯來源主要為采空區(qū)游離瓦斯、采空區(qū)煤壁涌出瓦斯與鄰近層內(nèi)游離瓦斯，占總瓦斯涌出量70%～80%。采空區(qū)內(nèi)部涌出的瓦斯一方面是在工作面回采過程中采空區(qū)上下兩側(cè)預(yù)留煤柱在采動(dòng)應(yīng)力作用下發(fā)生裂隙直至向兩側(cè)深部延伸，致使裂隙發(fā)育區(qū)內(nèi)煤層賦存瓦斯涌入；另一方面是回采遺煤邊角煤炭賦存瓦斯在采空區(qū)內(nèi)得到釋放。上覆巖層受到采動(dòng)影響，形成的裂隙向上發(fā)育，致使鄰近4-2煤層內(nèi)部的賦存瓦斯通過裂隙涌入采空區(qū)內(nèi)，這是小青煤礦W2采區(qū)薄煤層工作面瓦斯主要來源。

2 W2713工作面立體瓦斯抽采技術(shù)

2.1 采空區(qū)深部瓦斯治理

小青煤礦W2713工作面頂板巖層發(fā)育，偽頂為平均厚0.80 m的泥巖；夾雜泥巖的粉、中砂巖互層平均厚5.20 m，為直接頂；主要以砂礫巖為主的老頂為砂巖層。采區(qū)所屬地質(zhì)構(gòu)造瓦斯易賦存，各煤層瓦斯賦存條件適宜。由于頂板砂巖層裂隙構(gòu)造豐富，加之其含水量大，增加了抽采難度。只利用頂板鉆孔并不能有效解決W2713工作面采空區(qū)瓦斯大量涌出的問題，故采取地面鉆孔負(fù)壓抽采的方法。

地面鉆孔布置靠近W2713回風(fēng)順槽，距其40 m依次布設(shè)10個(gè)地面鉆孔，間距為150～200 m，鉆孔最淺478 m，最深528 m，平均深503 m；各部件中心線一致，孔斜誤差范圍不超過1%。用閥門對地面鉆孔進(jìn)行控制，通過閥門井對鉆孔內(nèi)的積水和瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行觀測。地面鉆孔布置見圖1。

圖1 地面鉆孔布置

2.2 采空區(qū)淺部瓦斯治理

2.2.1 頂板斜交鉆孔法

由于工作面上覆巖層“O”型空間結(jié)構(gòu)[9-13]運(yùn)動(dòng)引起的變形、破斷、失穩(wěn)和頂板冒落，根據(jù)其狀況的不同，結(jié)合經(jīng)歷時(shí)間長短，將采空區(qū)在縱向空間劃分為裂隙帶、冒落帶和彎曲下沉帶；同時(shí)，根據(jù)采空區(qū)矸石、浮煤壓實(shí)程度將采空區(qū)在橫向空間劃分為載荷影響區(qū)、自然堆積區(qū)和壓實(shí)穩(wěn)定區(qū)。在受到采動(dòng)影響作用下，上覆巖層處在失穩(wěn)狀態(tài)形成離層及裂縫，將鉆孔布置在裂隙帶中，可以充分抽采。

由于W2713工作面相較中厚煤層工作面采動(dòng)裂隙發(fā)育階段、活躍階段、穩(wěn)定階段均滯后20 m左右，采動(dòng)裂隙發(fā)育較充分區(qū)域的高度僅為10 m左右。因此，將鉆孔最大限度地布置在處于活躍階段內(nèi)的采動(dòng)裂隙發(fā)育較充分區(qū)域。W2713頂板斜交鉆孔布置參數(shù)見表1。鉆場超前備用接續(xù)2個(gè)抽采鉆場，再超前施工一個(gè)接續(xù)鉆場為宜。

表1 W2713頂板斜交鉆孔參數(shù)

2.2.2 頂板水平鉆孔法

根據(jù)小青礦W2713工作面地質(zhì)條件，確定水平鉆場長350 m，間距為280 m，鉆孔水平方向呈小扇形，覆蓋靠近回風(fēng)側(cè)1/2工作面。鉆孔布置在頂板離層裂隙帶內(nèi)，鉆孔布置參數(shù)見表2。鉆孔呈拋物線形，鉆孔軌跡頂點(diǎn)至孔底孔內(nèi)積水，沉淀少量巖粉，頂板巖層斷裂后鉆孔積水流出。水平鉆孔抽采薄煤層工作面采空區(qū)前部富集區(qū)瓦斯，與斜交鉆孔相比，后期管理有抽采周期工作量小、抽采量大、效率高的特點(diǎn)，是薄煤層工作面主要抽采方法之一。

表2 W2713頂板水平鉆孔參數(shù)

2.2.3 鉆孔氣水分離裝置

由于W2采區(qū)地質(zhì)條件多變，頂板砂巖層含水量大，且含水層裂隙發(fā)育導(dǎo)致鉆孔涌水量較大，如處理不好涌水，將嚴(yán)重影響抽采量。采用人工排水容易導(dǎo)致水進(jìn)入抽采管路，降低抽采效率，甚至升高工作面瓦斯?jié)舛?，影響正常生產(chǎn)[14]。采用二級(jí)氣水分離裝置提高抽采量，裝置結(jié)構(gòu)見圖2。其過程為鉆孔內(nèi)的瓦斯與水進(jìn)入一級(jí)氣水分離器進(jìn)行初次分離后，經(jīng)由4寸鋼絲軟管進(jìn)入二級(jí)氣水分離器，實(shí)現(xiàn)瓦斯與水的分離。

2.3 采區(qū)回風(fēng)上隅角瓦斯治理

對采空區(qū)深部瓦斯進(jìn)行地面鉆孔抽采，同時(shí)在采煤工作面回風(fēng)上隅角附近進(jìn)行交叉鉆孔來抽采采空區(qū)淺部瓦斯，回風(fēng)上隅角的瓦斯?jié)舛热猿^1%。為進(jìn)一步提高立體抽采效果，采用珍珠巖封堵工作面上隅角[15]，通過大流量移動(dòng)泵明管抽采回風(fēng)上隅角瓦斯后，改變回風(fēng)上隅角附近區(qū)域流場原來的分布狀態(tài)，使得上隅角瓦斯?jié)舛冉档汀?/p>

圖2 鉆孔二級(jí)氣水分離裝置示意

3 立體瓦斯抽采效果

采用立體抽采技術(shù)后， W2713工作面回風(fēng)上隅角瓦斯?jié)舛茸兓€見圖3。可以看出，回風(fēng)上隅角瓦斯?jié)舛鹊陀?.7%，滿足安全生產(chǎn)的需要。

圖3 W2713工作面回風(fēng)上隅角瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

W2713工作面立體瓦斯抽采量匯總見表3?？梢钥闯觯诹Ⅲw抽采技術(shù)應(yīng)用過程中，總抽采量為27.15 m3/min，占總涌出量的83.77%；大流量移動(dòng)泵抽采3.00 m3/min，占總抽采量的11.05%；工作面交叉鉆孔抽采13.31 m3/min，占總抽采量的49.02%，地面鉆孔抽采10.84 m3/min，占總抽采量的39.93%；瓦斯抽采率的提高改善了工作面的安全狀況。

表3 W2713抽采情況匯總 m3/min

4 結(jié) 論

(1)W2采區(qū)薄煤層工作面瓦斯來源主要為采空區(qū)游離瓦斯、采空區(qū)煤壁涌出瓦斯與鄰近層內(nèi)游離瓦斯涌出，其中受采動(dòng)影響，采空區(qū)上覆巖層發(fā)育使鄰近4-2煤層內(nèi)部的賦存瓦斯通過裂隙涌入采空區(qū)。

(2)通過立體抽采方案的實(shí)施，使得小青煤礦W2713薄煤層工作面內(nèi)的瓦斯?jié)舛让黠@降低，回風(fēng)上隅角瓦斯?jié)舛鹊陀?.7%，瓦斯抽采率明顯提高，改善了工作面的安全狀況，解決了上隅角瓦斯超限問題。

(3)采用地面鉆孔負(fù)壓抽采采空區(qū)深部瓦斯與水平鉆孔、斜交鉆孔協(xié)同負(fù)壓預(yù)抽淺部瓦斯，根據(jù)工作面上覆巖層“O”型裂隙圈的形成特點(diǎn)，將鉆孔布設(shè)在采動(dòng)裂隙發(fā)育較充分區(qū)域。

(4)地面鉆孔瓦斯抽采量大穩(wěn)定，濃度高，鉆孔服務(wù)時(shí)限長，管理維護(hù)簡單安全；當(dāng)采場封閉后，仍會(huì)有較長時(shí)間的穩(wěn)定產(chǎn)量，可作為清潔能源進(jìn)行利用。