賈 君

高瓦斯礦井大采高綜采工作面綜合抽采技術研究

賈 君

(山西焦煤霍州譚坪煤電有限責任有限公司，山西 臨汾市 031400)

為有效解決譚坪高瓦斯礦井大采高綜采工作面瓦斯抽采困難、瓦斯超限等問題，結合譚坪礦的礦山工程實際以及微震技術，通過工作面采動影響下裂隙發(fā)育演化過程的分析，提出了瓦斯沿頂板分帶、卸壓分區(qū)聚集的運移規(guī)律分析模型。并進一步結合運移規(guī)律分析，提出了有效解決該礦瓦斯抽放難題的綜合抽采技術方法。經工業(yè)試驗檢驗，該工作面實測瓦斯純量最大為8.19 m3/min，瓦斯?jié)舛茸畲鬄?7.64%，能滿足規(guī)程中的安全生產要求。

高瓦斯礦井;大采高;綜采工作面;綜合抽采

隨著煤礦逐漸走向機械化、自動化，大采高綜采工作面由于其推進速度快、安全性好以及能滿足產量需求等諸多優(yōu)勢，成為煤礦工作面開采方式發(fā)展的必然趨勢[1-3]。但伴隨著產量的增大、采高的加大，同時也給工作面開采帶來了更大的瓦斯涌出隱患，傳統(tǒng)的通風和單一的瓦斯抽采方法往往無法有效解決此類礦山的瓦斯治理難題。特別是當工作面受到采動影響時，其采場內的裂隙受震動及其他因素的影響，將得到進一步的發(fā)育，改變瓦斯原有的運移規(guī)律，導致從巖體內得以析出，并形成積聚，為工作面開采帶來隱患。因此，結合礦山實際地質概況，嘗試從分析巖層破壞入手，分析得出瓦斯運移規(guī)律，并結合瓦斯的運移特性，“因地制宜”地提出瓦斯抽采策略[4-5]，對于有效解決高瓦斯礦井內的瓦斯治理問題具有極為重要的現(xiàn)實意義，同時也能為其他類似礦山提供一定的理論指導和技術 借鑒。

1 譚坪1#礦地質概況

譚坪1#礦主采煤層為2#、3#、10#，其中2#煤屬于中灰分、特低硫、低磷、特高熱值貧煤，厚度3.05～7.15 m，平均厚度為5.33 m，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層；3#煤層屬中灰、中硫、低磷、高熱值貧煤，為可采性較差的局部可采煤層，厚度0.35～1.35 m，平均厚度0.95 m；2#、3#煤層間距1.5～4.2 m，平均2.1 m，埋深690～1100 m，煤層為近水平煤層，覆存底板等高線標高為+340～?420 m；10#煤層厚度0～4.7 m，平均厚度2.1 m，為中高硫煤，全區(qū)突水系數大于0.1 MPa/m。井下布置一個生產盤區(qū)，以一個大采高綜采工作面保證該礦4.0 Mt/a的產量，配備5個綜掘工作面，采掘比為1:5，采用傾斜長臂采煤法，大采高一次采全高綜采采煤工藝。根據《瓦斯涌出量預測報告》，該礦最大絕對瓦斯涌出量為301.93 m3/min，最大相對瓦斯涌出量為35.87 m3/t，屬于典型的高瓦斯礦井。

2 綜采工作面瓦斯運移規(guī)律研究

在綜采工作面，瓦斯運移存在一定的規(guī)律性，且這種規(guī)律性明顯受制于工作面的采動卸壓過 程[6]。通常，在隨綜采工作面回采任務進行過程中，頂板將首先經歷初次垮落，隨后呈現(xiàn)周期性的垮落。在上述垮落過程中，頂板上覆巖層將首先表現(xiàn)出彎曲下沉，頂板開始出現(xiàn)破碎、離層狀態(tài)，并逐漸形成垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，頂板完整性逐漸開始破壞，頂板裂隙開始逐漸發(fā)育，以致于最終完全垮落。因此，從這個過程來看，頂板垮落的整個過程均與工作面的回采推進有關。為進一步說明，隨采動卸壓過程上覆頂板巖層的碎裂過程，利用微震技術[7]來揭示采場內的圍巖空間破裂形態(tài)，其中該綜采工作面的微震檢測效果如圖1所示。結合圖1結果，考慮破裂密度曲線形態(tài)，確定出該綜采工作面高、低位破裂帶高度分別在75~100 m、40~70 m范圍。

圖1 微震監(jiān)測結果

在確定高、低位碎裂帶范圍后，這些裂隙的發(fā)育狀況將直接影響瓦斯的析出情況，從而影響瓦斯的運移狀態(tài)。故在前述碎裂帶范圍分析的基礎上，沿采空區(qū)橫、縱兩個方向對開采層位上的瓦斯析出分布區(qū)域又進行了分類，分類結果如圖2所示。

圖2 高卸壓瓦斯分布

（1）底鼓變形帶：結合層位關系判別，其內部裂隙隨采動形成，沿層位節(jié)理展開，多以順層張裂隙存在，對瓦斯有一定吸附作用，但當卸壓載荷過大時，極易出現(xiàn)層間空隙變大，吸附能力消失而釋放瓦斯；

（2）直接頂冒落帶：在采面直接頂附近位置形成，與采空區(qū)直鄰或易與漏風帶直接相通，是瓦斯抽采任務中最難處理的位置；

（3）富集區(qū)裂隙帶：該區(qū)域與采空區(qū)貫通，是整個工作面瓦斯聚集的最佳位置，該區(qū)域小裂隙吸附瓦斯能力極強，而當小裂隙逐漸演化為大型裂隙構造時，此處富集區(qū)存在瓦斯積聚隱患，因此，是綜合抽采重點治理的核心區(qū)域。

（4）彎曲下沉帶：彎曲下沉區(qū)域往往距離煤層層位較遠，相比于直接頂等富集區(qū)域，其屬于低卸壓瓦斯區(qū)，該層位雖有裂隙，但此部分裂隙只參與頂板變形，瓦斯積聚和吸附極少會穿越上覆巖層，故含量少，抽采率也是整個采面中最低的。

上述頂板分帶及瓦斯分布區(qū)域的確定，主要是解決Z方向上瓦斯流的運移規(guī)律，同樣的，在X-Y平面方向上，瓦斯流也存在明顯的富集現(xiàn)象，其富集狀態(tài)可采用圖3進行近似描述，其基本運移規(guī)律是由采運側向回風側聚集。

圖3 瓦斯流富集規(guī)律

3 譚坪礦綜采工作面綜合抽采設計

結合上述瓦斯運移和富集規(guī)律，同時考慮譚坪礦瓦斯抽采的切實需求，在兼顧采動卸壓的影響作用下，充分利用瓦斯抽采技術中的“卸壓增滲”原理，嘗試在瓦斯積聚以及瓦斯積聚隱患區(qū)域積極布置和增強抽采工程，重點在煤層、上覆巖層以及裂隙帶3大區(qū)域設置抽采鉆孔。

3.1 煤層抽采方案設計

為保證增加煤層滲透面積，提高瓦斯采出率，抽采方案在距煤層切眼35 m位置開始設計鉆孔，其中鉆孔為切斜均勻孔，其布置形式如圖4所示，兩側錯位孔距3.5 m，單排空隙間距3.2 m，鉆孔長度148 m，方位角為75°和82°，抽采鉆孔孔徑為113 mm，抽采側負壓為24~37 kPa。

圖4 煤層抽采鉆孔布置形式

由于煤層牽扯采動效應，導致其采前和采后的抽采操作存在一定的差異，為清楚描述抽采操作流程，從采前、采中以及采后3個階段分述抽采方案中的抽放流程。

（1）采前抽放。在布置好抽放鉆孔后，首先在煤層區(qū)域進行區(qū)域預抽，其目的在于降低煤層中的吸附瓦斯含量，以保證后續(xù)采煤、掘進作業(yè)具有安全保證。

（2）采中抽放。采中抽采主要考慮該面在采煤作業(yè)時，常出現(xiàn)上隅角瓦斯積聚問題，因此，其抽采操作應集中于上隅角附近，必要時可以考慮在上隅角鉆孔處敷設一組抽采管路，以降低采面瓦斯涌出量。

（3）采后抽放。主要是針對采煤工作面作業(yè)結束后，除完成各高、低位鉆孔抽放任務以外，應及時將預留抽采管路，連接至采空區(qū)內的主抽放管路，從而降低工作面墻壁出現(xiàn)瓦斯涌出事故。

3.2 上覆巖層及裂隙帶抽采方案設計

由頂板分帶與瓦斯分布區(qū)域分析可知，頂板各分帶多處于高卸壓瓦斯區(qū)，同時有效解決此高卸壓瓦斯區(qū)內的瓦斯積聚問題也是實現(xiàn)合理化抽采方案設計的關鍵。為此，在頂板附近裂隙帶設置抽采傾斜鉆孔，孔距1.2 m，鉆孔長度87~115 m，具體的布置形式如圖5所示。按照煤層鉆孔的平面孔位就行分組，在巖層層位每組設置5組鉆孔，孔口采用聚氨酯封孔，孔徑在75 mm左右。

圖5 上覆巖層及破碎帶鉆孔布置形式

4 綜合抽采實施效果及評價

2018年5月12到2018年7月20日期間，針對該礦2701綜采工作面進行瓦斯抽采的工業(yè)性實驗，并實測瓦斯抽采純量和抽采濃度變化狀況。為進一步說明抽采效果，對5月15日~7月15日的巖層鉆場內的瓦斯抽采檢測數據進行了統(tǒng)計，其統(tǒng)計結果見圖6。

對比圖6中的數據可知，瓦斯抽采純量呈現(xiàn)逐漸增大?減小?再增大的一個過程，濃度也隨純量呈現(xiàn)出波動變化的狀態(tài)，在這累計的62 d中，瓦斯抽采純量以及抽采濃度一直處于一個平穩(wěn)的狀態(tài)，僅在6月中旬出現(xiàn)過一次階段性的抽采高峰，這與礦山實際生產中偶遇地質構造有關。結合統(tǒng)計結果，該礦瓦斯抽采最大純量為8.19 m3/min，瓦斯?jié)舛茸畲?7.64%，對比《煤礦瓦斯抽采評價暫行規(guī)定》，各項指標可滿足安全生產的切實要求。因此，綜合上述分析，文中所采用的頂板分帶以及巖層松碎區(qū)域的分析方法可有效解決分析抽采問題，同時設計的抽采方案有效解決了譚坪礦的瓦斯抽采困難 問題。

圖6 瓦斯監(jiān)測數據

5 結 論

高瓦斯礦井大采高綜采工作面常存在瓦斯抽采困難、且具有瓦斯超限風險等現(xiàn)實問題，文中結合微震技術從頂板破碎演化分析入手，提出了兼顧工作面采動影響的瓦斯積聚及運移規(guī)律模型，并進一步提出了改善譚坪礦瓦斯抽采設計的有效方案。工業(yè)實驗論證了上述方法切實有效，能為該礦安全生產提供有力的保障。同時，此類方法也為相似類型礦山的瓦斯抽采任務提供了有益參考。

[1] 劉慧志.某煤層瓦斯抽放方法與實踐研[D].山西:中北大學,2013.

[2] 方 亮.煤礦瓦斯綜合抽采技術研究及設計[J].科技經濟導刊,2016(21):61-62.

[3] 安朝峰.高位巷道瓦斯抽采對煤自燃三帶分布影響研究[J].陜西煤炭,2019,38(02):25-27+31.

[4] 李 杰.特厚煤層綜放工作面地面鉆孔抽采治理瓦斯技術[J].煤炭科學技術,2019,47(03):150-155.

[5] 陳 赟.綜放工作面瓦斯涌出特點及應對措施研究[J].煤礦現(xiàn)代化,2019(03):57-59+62.

[6] 王 亮.不同層位參數下高抽巷瓦斯抽采效果研究[J].能源與環(huán)保,2019,41(03):33-35+59.

[7] 楊永杰,陳紹杰,張興民,等.煤礦采場覆巖破壞的微地震監(jiān)測預報研究[J].巖土力學,2007(07):1407-1410.

(2019-04-18)

賈 君(1987—)，男，山西臨汾人，助理工程師，主要從事礦山開采設計、通風及瓦斯抽采等工作，Email: 2859618702@qq.com。