超厚煤層開采瓦斯抽采工藝研究與實踐

李長杰?尹訓(xùn)濤?李明鑫?李新秋

摘要：針對超厚單一煤層綜放工作面瓦斯治理難題，以陜西郴縣水簾洞煤礦為主要試驗基地，應(yīng)用相似材料模擬試驗和數(shù)值模擬方法、“O”型圈、瓦斯運移[1–4]相關(guān)理論，研究了大采高綜放工作面單一煤層覆巖破斷的移動特性、煤體內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律及卸壓區(qū)瓦斯運移規(guī)律，探索出卸壓開采瓦斯抽采理論，優(yōu)化了瓦斯抽采工藝，解決了單一超厚煤層煤與瓦斯共采工程技術(shù)難題，實現(xiàn)了安全高效開采。

關(guān)鍵詞：單一超厚煤層；卸壓開采；瓦斯；抽采

水簾洞煤礦礦井采煤工藝為綜采，主采4煤層，煤層平均厚度12.20m，屬單一煤層大采高開采。礦井瓦斯含量高，在開采過程中煤巖體裂隙發(fā)育，瓦斯運移通道暢通，工作面順槽回風(fēng)流瓦斯經(jīng)常超限，采用單一加大風(fēng)量沖淡瓦斯?jié)舛鹊姆椒ㄒ巡豢赡軐崿F(xiàn)，瓦斯治理問題是嚴(yán)重制約礦井安全高效生產(chǎn)的技術(shù)難題。因此，必須針對煤礦煤層及瓦斯特性，結(jié)合開采工藝，進(jìn)行瓦斯抽采工藝的研究與優(yōu)化，確定合理、經(jīng)濟(jì)、高效的礦井瓦斯綜合治理方案。

一、大采高工作面卸壓開采[5–8]瓦斯抽采技術(shù)理論體系

（一）上覆巖層“三帶”[1]的形成

工作面采出后，其上覆巖層要發(fā)生破壞和位移，經(jīng)長期現(xiàn)場觀測證實：覆巖破壞和位移具有明顯的分帶性，其特征與地質(zhì)、采礦等條件有關(guān)，在采用長壁全部冒落法開采緩傾斜煤層開采條件下，當(dāng)采深達(dá)到一定深度（100m左右），覆巖的破壞和移動出現(xiàn)“三帶”冒落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶。

（二）關(guān)鍵層破斷形式對巖層移動及瓦斯釋放的影響

由于煤系巖體的分層特性差異，各巖層在巖體活動中的作用是不同的。有些較為堅硬的厚巖層在活動中起控制作用，在采場覆巖層中存在著多層巖層時，對巖體活動中起控制作用的巖層稱之為關(guān)鍵層，它本身具有很強的抗擾動能力，工作面初采或開采厚度較小時不能使其破斷失穩(wěn)，它一方面形成某種力學(xué)結(jié)構(gòu)（板或簡化為梁，如砌體梁等）形式支撐其上覆巖體的載荷，另一方面又以這種結(jié)構(gòu)保護(hù)著回采空間，阻止覆巖的垮落、斷裂及彎曲變形向上發(fā)展；當(dāng)開采空間足夠大（如連續(xù)大面積開采及采厚加大）到一定臨界尺寸時，該堅硬厚巖層所形成結(jié)構(gòu)將破斷失穩(wěn)，由上述關(guān)鍵層力學(xué)分析可知，這種破斷失穩(wěn)具有周期性。由此可知，關(guān)鍵層的斷裂導(dǎo)致全部或相當(dāng)部分的上覆巖層產(chǎn)生整體運動，其斷裂步距即為上部巖體中部分或全部巖層的斷裂步距，從而引起明顯的巖層運動和礦壓顯現(xiàn)，它對處于上覆巖層中的被保護(hù)層瓦斯的釋放和卸壓起關(guān)鍵作用。

（三）水簾洞煤礦瓦斯抽采的可行性研究

1.本煤層瓦斯抽采可行性

開采層瓦斯抽采的可行性是指在原始透氣性條件下進(jìn)行預(yù)抽的可能性。對水簾洞礦井4煤層透氣性系數(shù)為0.41m2/MPa2.d，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.033d–1，因此此煤層屬于可以抽采煤層。

2.鄰近層抽采瓦斯可行性

礦井主采4煤層，屬單一煤層[12]開采，其上部有兩層局部可采的薄煤層，距離4號煤層平均41.99m，且均為薄煤層，瓦斯含量較低，所以不考慮對鄰近層瓦斯的抽采。

3.采空區(qū)瓦斯抽采可行性

采空區(qū)瓦斯抽采是屬于卸壓瓦斯抽采，礦井4煤層3801回采工作面，煤厚12.20m，綜采放頂煤回采工藝，全部垮落式管理頂板，由于煤層厚度大，加之采用綜放工藝，因此采空區(qū)丟煤較多，瓦斯涌出必然較大，采空區(qū)存在的大量瓦斯在風(fēng)壓的作用下涌向回采工作面，是造成工作面回風(fēng)隅角和回風(fēng)巷道的瓦斯超限主要原因。因此進(jìn)行采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)上是可行的，同時瓦斯抽采[10–11]能保證產(chǎn)量，所以經(jīng)濟(jì)上也是合理的；因此，抽采空區(qū)瓦斯是可行的。

二、3801工作面開采上覆巖層應(yīng)力及變形特性數(shù)值分析

根據(jù)對3801工作面地質(zhì)特征、工程地質(zhì)特征和開采技術(shù)條件分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了典型化相似材料模擬試驗研究[9]。模型原型按水簾洞煤礦煤巖柱狀，采厚和放煤高度，以及開采參數(shù)參照作業(yè)規(guī)程，相似材料鋪設(shè)總厚度105.21m，即模擬自煤層底板—煤層—頂板共四十八層，模擬煤層厚度11.5m，煤層及頂、底板分層厚依據(jù)水簾洞煤礦地層綜合柱狀圖確定，相應(yīng)的巖石力學(xué)參數(shù)按類似覆巖巖性確定。通過相似材料模擬試驗，模擬3801工作面推采過程，上覆巖層位移變化規(guī)律，對開采過程中頂板垮落狀況、裂斷巖梁波及范圍及運動發(fā)展規(guī)律、覆巖垂直移動規(guī)律、煤體內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行研究，了解其變化規(guī)律及影響因素。經(jīng)分析研究得出，綜放工作面覆巖冒落帶高度45m～55m，冒高采厚比3.91～4.78，裂隙帶高度93.0m～100.7m，裂高采厚比8.1～8.8。綜放采場超前支承壓力的峰值位置深入煤體距離約為10m～15m，其應(yīng)力集中系數(shù)K為2.96左右，在工作面前方30m范圍內(nèi)受超前支承壓力影響劇烈，而超前支承壓力影響范圍，可達(dá)工作面前方70m。

三、結(jié)論

本文采用理論分析、相似材料模擬實驗、數(shù)值模擬和現(xiàn)場效果考察等研究手段，對水簾洞煤業(yè)煤層與瓦斯賦存特點、抽采工藝進(jìn)行了研究與實踐，瓦斯抽采是超厚單一煤層條件下治理瓦斯的探索與實踐的結(jié)果，解決了回采工作面推采過程中瓦斯超限問題，提高了回采效率，是實現(xiàn)高瓦斯礦井安全、高效、經(jīng)濟(jì)開采的有效措施，同時進(jìn)行瓦斯利用，響應(yīng)國家政策，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

參考文獻(xiàn)：

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