近距離煤層群綜采工作面瓦斯治理優(yōu)選措施

薛彥平

(1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司， 遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 撫順 113122)

0 引言

相對(duì)于單一煤層或其他煤層群開(kāi)采，近距離煤層群在重復(fù)采動(dòng)條件下，覆巖破壞、裂隙發(fā)育及瓦斯分布運(yùn)移更為復(fù)雜，由此帶來(lái)的瓦斯治理問(wèn)題也更為復(fù)雜[1-3]。文獻(xiàn)[4-5]通過(guò)數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方法研究了定向長(zhǎng)鉆孔在近距離煤層群中的抽采參數(shù)設(shè)計(jì)及應(yīng)用效果。文獻(xiàn)[6]對(duì)煤層群抽采巷布置進(jìn)行了優(yōu)化研究。文獻(xiàn)[7]通過(guò)模擬及比較的方法研究了順層鉆孔布置參數(shù)及抽采效果。文獻(xiàn)[8]對(duì)近距離煤層群條件下采空區(qū)動(dòng)態(tài)拖管瓦斯抽采技術(shù)進(jìn)行了分析研究。文獻(xiàn)[9]對(duì)近距離煤層群上行開(kāi)采瓦斯治理措施進(jìn)行了探討。文獻(xiàn)[10-11]采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐等方法對(duì)近距離煤層群下行開(kāi)采應(yīng)力分布及瓦斯治理措施進(jìn)行了研究。以上研究側(cè)重于單一措施參數(shù)的確定及效果分析，或多措施結(jié)合時(shí)只對(duì)應(yīng)力或瓦斯等單一層面的影響進(jìn)行分析，對(duì)瓦斯治理措施在時(shí)間、空間層面之間的聯(lián)系的研究不夠深入，對(duì)綜合瓦斯治理措施的優(yōu)選組合、具體參數(shù)的確定依據(jù)及措施采取后的效果分析研究較少[12-15]。針對(duì)上述問(wèn)題，本文以山西陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司一礦(以下簡(jiǎn)稱陽(yáng)煤一礦)81403綜采工作面為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)值模擬方式，分析了近距離煤層群條件下開(kāi)采應(yīng)力分布及演化過(guò)程，在此基礎(chǔ)上優(yōu)選出適合該工作面瓦斯涌出特點(diǎn)的治理措施，為順層鉆孔、穿層鉆孔、高抽巷等具體參數(shù)的確定提供依據(jù)，同時(shí)探討了各措施在時(shí)間和空間上的交互關(guān)系，旨在保證工作面回采安全，為近似賦存情況煤層提供參考。

1 近距離煤層綜采工作面基本情況

陽(yáng)煤一礦81403綜采工作面位于15煤層北條帶十四采區(qū)西北部，東部為十四采區(qū)主巷，南部為81405綜采工作面，西部為十六采區(qū)，北部為其他2個(gè)整合煤礦。上覆12煤層平均厚度為2.7 m，最小煤層層間距為30 m。81403綜采工作面煤層賦存相對(duì)穩(wěn)定，工作面走向長(zhǎng)度為1 300 m，傾向長(zhǎng)度為180 m，采高為4.5 m。通過(guò)分源法預(yù)測(cè)得出綜采工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為28.6 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為6.1 m3/t。

2 采動(dòng)覆巖結(jié)構(gòu)變化模擬分析

瓦斯治理措施制定的根本依據(jù)是瓦斯涌出來(lái)源的分析與確定，而在下伏煤層開(kāi)采過(guò)程中，采動(dòng)覆巖結(jié)構(gòu)的變化及裂隙的發(fā)育是影響瓦斯涌出的根本因素。通過(guò)數(shù)值模擬方法可以直觀地觀察在開(kāi)采過(guò)程中上覆巖層的變化過(guò)程，并對(duì)“三帶”高度進(jìn)行估算測(cè)量，與計(jì)算數(shù)值進(jìn)行驗(yàn)證比較，研究裂隙等發(fā)育變化規(guī)律，為鉆孔設(shè)計(jì)等抽采瓦斯治理措施的制定提供理論基礎(chǔ)。

2.1 模擬基礎(chǔ)模型建立

陽(yáng)煤一礦81403綜采工作面巖層賦存地質(zhì)條件較為復(fù)雜，根據(jù)該工作面煤層的具體賦存情況，為了提高模擬的整體性，在模型建立的過(guò)程中將厚度較小、巖性較為接近的巖層合并為同一模擬巖層，并根據(jù)相關(guān)研究資料補(bǔ)充其相關(guān)力學(xué)性質(zhì)。按照工作面前進(jìn)方向，模型長(zhǎng)度設(shè)置為300 m，高度設(shè)置為100 m，模型最小單位為300×100=30 000個(gè)。工作面標(biāo)高為590～640 m，上覆巖層自重應(yīng)力設(shè)置為 5.6 MPa，水平方向的位移為0。工作面開(kāi)采步距為5 m，模擬的總步數(shù)設(shè)置為40，總模擬回采長(zhǎng)度為200 m。數(shù)值模擬巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值模擬巖體力學(xué)參數(shù)Table 1 Numerical simulation mechanical parameters of rock mass

2.2 采動(dòng)覆巖結(jié)構(gòu)及移動(dòng)破壞過(guò)程

隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)頂板垮落，上覆巖層逐步垮塌穩(wěn)定，在巖層內(nèi)達(dá)到新的應(yīng)力平衡，并形成了垮落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶。采動(dòng)覆巖移動(dòng)破壞過(guò)程以及產(chǎn)生的裂隙分布對(duì)采空區(qū)瓦斯抽采影響較大，是瓦斯治理措施研究的重要方向。利用RFPA 2D對(duì)陽(yáng)煤一礦81403綜采工作面開(kāi)采過(guò)程中覆巖破壞過(guò)程進(jìn)行模擬，如圖1所示。根據(jù)軟件生成的覆巖垮落破壞及裂隙變化情況，選取圖像清晰、變化明顯、具有代表性的幾組模擬圖像，分析討論工作面上覆巖層“三帶”變化及裂隙發(fā)育規(guī)律。

(a) 回采20 m

利用數(shù)值模擬分析可以較為直觀地顯示工作面回采過(guò)程中覆巖的變化過(guò)程及裂隙的發(fā)育情況。從圖1可看出，在工作面回采初期，上覆巖層的力還處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，沒(méi)有較大幅度的位移及破壞；當(dāng)工作面回采至40 m時(shí)，采空區(qū)上覆巖層垂直裂隙得到發(fā)育，頂板有垮落的跡象；當(dāng)工作面回采至60 m時(shí)，基本頂形變形態(tài)相對(duì)明顯，周期運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)發(fā)展趨勢(shì)，裂隙在橫向、縱向上不斷發(fā)育，以縱向裂隙為主的發(fā)育已于上覆12層煤出現(xiàn)連通，形成了能供瓦斯運(yùn)移的通道；當(dāng)工作面推進(jìn)到100 m時(shí)，工作面開(kāi)采對(duì)上覆12層煤的影響明顯，12煤層出現(xiàn)了水平和剪切應(yīng)力作用下的破壞，瓦斯運(yùn)移通道充分形成；當(dāng)工作面回采至130 m時(shí)，大面積垮落明顯，回采到160 m時(shí)，“三帶”的發(fā)育范圍逐漸趨于穩(wěn)定，高度和區(qū)域動(dòng)態(tài)形成一個(gè)比較合理的區(qū)間，動(dòng)態(tài)過(guò)程顯現(xiàn)清晰。

2.3 “三帶”演化結(jié)構(gòu)分析

工作面回采至200 m時(shí)“三帶”分布如圖2所示。從圖2可看出，在煤層開(kāi)采過(guò)程中，上覆巖層的形變從下而上不斷發(fā)展，裂隙、斷裂等破壞形式相繼發(fā)生，形成瓦斯流動(dòng)的良好通道。當(dāng)工作面開(kāi)采至200 m時(shí)，上覆巖層穩(wěn)定，形成了較為完整的“三帶”分布，其中垮落帶模擬高度為13.8 m左右，斷裂帶模擬高度為13.8～39.5 m，彎曲下沉帶為39.5 m以上直至地表。

Ⅰ-垮落帶；Ⅱ-斷裂帶；Ⅲ-彎曲下沉帶。

3 綜合瓦斯治理措施優(yōu)選

瓦斯治理措施主要有引導(dǎo)風(fēng)流法、瓦斯抽采法、風(fēng)壓調(diào)解法、充填置換法等，瓦斯治理措施優(yōu)選的核心是根據(jù)瓦斯來(lái)源分析，確定工作面回采過(guò)程中瓦斯來(lái)源，并對(duì)措施參數(shù)進(jìn)行合理確定。根據(jù)陽(yáng)煤一礦礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)可知，81403綜采工作面瓦斯主要來(lái)源是煤層解吸瓦斯、上鄰近層卸壓瓦斯、采空區(qū)瓦斯等，針對(duì)不同瓦斯涌出源頭采取順層鉆孔預(yù)抽+高抽巷+高位鉆孔+采空區(qū)埋管的瓦斯抽采措施，在開(kāi)采前充分預(yù)抽減少煤層解析瓦斯量，通過(guò)高位鉆孔、高抽巷處理鄰近層瓦斯涌入，采用埋管治理上隅角瓦斯局部聚集，在時(shí)間和空間上形成綜合的治理體系，從而達(dá)到瓦斯治理目的。

3.1 順層鉆孔預(yù)抽

81403綜采工作面順層鉆孔采用平行布置的方式，如圖3所示。利用百米鉆機(jī)通過(guò)進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷對(duì)本煤層施工水平鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯，按照抽采鉆孔影響范圍使抽采影響區(qū)域覆蓋整個(gè)開(kāi)采空間。工作面鉆孔間距為3 m，鉆孔采用交錯(cuò)布置方式，下排鉆孔距離底板1.5 m，上排鉆孔與下排鉆孔間距為1.5 m，鉆孔直徑為113 mm，進(jìn)風(fēng)巷鉆孔深度為110 m，回風(fēng)巷道鉆孔深度為80 m。

圖3 工作面順層鉆孔布置Fig.3 Bedding borehole layout along working face

3.2 高抽巷

高抽巷處于開(kāi)采工作面和上覆煤層中間，既能對(duì)采空區(qū)瓦斯聚集的“O”形圈內(nèi)的瓦斯進(jìn)行聚集抽采，也能對(duì)上覆煤層涌入的瓦斯起到攔截抽采的作用。模擬確定煤層頂板垮落帶高度為13.8 m，斷裂帶高度為39.5 m，高抽巷最佳布置位置取垮落帶高度的1.5倍，距離開(kāi)采煤層20 m。確定高抽巷水平位置的主要依據(jù)：既要保證其處于垮落帶范圍，又要兼顧工作面通風(fēng)的影響，高抽巷在回風(fēng)巷的水平投影長(zhǎng)度必須不小于防止瓦斯巷道被破壞的水平投影長(zhǎng)度；在采空區(qū)距離回風(fēng)巷20～40 m的區(qū)域，瓦斯聚集的體積分?jǐn)?shù)最高，通過(guò)計(jì)算及結(jié)合本礦其他工作面開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，在水平位置上，將高抽巷布置在距離回風(fēng)巷25 m的位置，如圖4所示。

圖4 高抽巷平面布置Fig.4 Plane layout of high extraction roadway

3.3 綜采工作面高位鉆孔

由于高抽巷的影響范圍及煤層透氣性、地質(zhì)條件等多方面原因影響，高抽巷不能完全達(dá)到對(duì)上覆煤層和采空區(qū)瓦斯的抽采，這樣就需要高位鉆孔來(lái)補(bǔ)充，從而提高整體的抽采效果。高位鉆孔抽采瓦斯也是利用了受到采動(dòng)影響而發(fā)育的裂隙，將鉆孔施工在斷裂帶內(nèi)，可以對(duì)其間瓦斯進(jìn)行有效的抽采，降低其向工作面涌出的瓦斯量。鉆孔高度的確定既要考慮抽采效果，又要兼顧鉆孔施工的效率和工程的難易性，鉆孔應(yīng)該布置在垮落帶的上部和斷裂帶的中下部，這樣抽采的效果最好。由圖2“三帶”模擬分析可知斷裂帶高度為13.8～39.5 m，鉆孔垂高布置在距離開(kāi)采煤層頂板以上18～30 m范圍較合適，鉆場(chǎng)間距設(shè)計(jì)為60～80 m，鉆孔水平投影搭接長(zhǎng)度約為30 m，則鉆孔施工長(zhǎng)度為100 m左右。工作面高位鉆孔剖面圖如圖5所示。

圖5 工作面高位鉆孔剖面圖Fig.5 High borehole profile on working face

3.4 采空區(qū)埋管抽采

對(duì)采空區(qū)埋管抽采瓦斯來(lái)說(shuō)，抽采預(yù)留管路位置對(duì)抽采效果起關(guān)鍵作用，81403綜采工作面采空區(qū)涌出帶和過(guò)渡帶的深度為15～20 m，結(jié)合本礦其他工作面開(kāi)采實(shí)踐，確定抽采口最佳位置為距離工作面20 m處，預(yù)留抽采口高度確定為2.5 m。

4 瓦斯治理效果分析

4.1 采前預(yù)抽鉆孔效果

工作面回采前共預(yù)抽6個(gè)月，單孔最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)為90%，單孔最大抽采純量為1.12 m3/min，共抽采瓦斯3.36 Mm3，預(yù)抽率達(dá)到48.6%。預(yù)抽后測(cè)定煤層可解析瓦斯含量為2.98 m3/t，工作面設(shè)計(jì)日回采煤量為3 600 t，符合《煤礦安全規(guī)程》中可解析瓦斯含量小于6.0 m3/t的預(yù)抽達(dá)標(biāo)要求。

4.2 回采涌出治理效果

統(tǒng)計(jì)81403綜采工作面2019-06-01—10-30回采期間瓦斯抽采純量，如圖6所示，高抽巷平均抽采純量為12.9 m3/min，平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為36.1%，抽采純量占抽采總純量的62.9%；穿層鉆孔平均抽采純量為5.1 m3/min，平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為51.2%，抽采純量占抽采總純量的24.9%；采空區(qū)埋管平均抽采純量為2.5 m3/min，平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為6.7%，抽采純量占抽采總純量的12.2%，平均瓦斯抽采率達(dá)89.9%，滿足《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定的工作面瓦斯抽采率大于40%的要求。表明根據(jù)模擬數(shù)據(jù)基礎(chǔ)制定的抽采措施符合實(shí)際工作需要，保證了抽采的有效性。

圖6 工作面回采期間瓦斯抽采純量隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Change curves of gas extraction volume with time during face stoping

4.3 上隅角及回風(fēng)巷治理效果

工作面回采期間回風(fēng)巷、上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)如圖7所示。81403工作面2019-06-01開(kāi)始回采，在開(kāi)采初期抽采效果相對(duì)較差，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)處于一個(gè)相對(duì)較高的水平，隨著抽采措施實(shí)施,效果逐漸顯現(xiàn)，回風(fēng)巷及上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)都符合《煤礦安全規(guī)程》要求，瓦斯體積分?jǐn)?shù)小于1%，并處于一個(gè)較低的區(qū)間。這樣充分驗(yàn)證了通過(guò)本煤層預(yù)抽、高抽巷抽采、工作面高位鉆孔、采空區(qū)埋管抽采綜合瓦斯治理措施在時(shí)間和空間上的應(yīng)用，能夠保證工作面的安全回采。

圖7 工作面回采期間回風(fēng)巷、上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)Fig.7 Gas volume fraction in air return airway and upper corner during face stoping

5 結(jié)論

(1) 通過(guò)模擬上覆巖層圖像的變化，分析出了“三帶”的大致高度及分布范圍，垮落帶模擬高度為13.8 m左右，斷裂帶模擬高度為13.8～39.5 m，彎曲下沉帶為39.5 m以上直至地表，為瓦斯抽采措施制定提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(2) 根據(jù)近距離煤層賦存特點(diǎn)，制定了順層預(yù)抽鉆孔、高抽巷抽采、高位鉆孔、采空區(qū)埋管抽采等綜合瓦斯治理措施。實(shí)際應(yīng)用表明，工作面回采期間，高抽巷平均抽采純量為12.9 m3/min，穿層鉆孔平均抽采純量為5.1 m3/min，采空區(qū)埋管平均抽采純量為2.5 m3/min，平均瓦斯抽采率達(dá)89.9%?；仫L(fēng)巷及上隅角瓦斯保持在1%以下，符合安全回采相關(guān)要求。