上覆巨厚油頁巖近距離煤層群瓦斯防治技術(shù)

張東旭

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

瓦斯災(zāi)害是煤礦的主要災(zāi)害之一[1-2]。煤層的賦存條件直接影響煤層瓦斯的大小。煤層瓦斯的賦存影響因素較多，其中包括煤的變質(zhì)程度、煤層厚度、煤對(duì)瓦斯吸附性能、頂?shù)装鍘r性及透氣性、埋藏深度、地質(zhì)構(gòu)造等。國內(nèi)外大量的實(shí)驗(yàn)表明：在相同的瓦斯壓力下煤的變質(zhì)程度越高，煤的吸附性能越好，煤吸附的瓦斯量越大[3]。很多專家學(xué)者研究了構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存的影響，提出密閉型構(gòu)造能夠較好的保存瓦斯不利于瓦斯流動(dòng)，瓦斯壓力和含量明顯大于其它區(qū)域，開放型構(gòu)造瓦斯有較好的擴(kuò)散通道，瓦斯壓力和含量低于其它區(qū)域。魏國營[4]、張建國[5]、邵國安[6]、李如波[7]、張鐵崗[8]、申建[9]等專家學(xué)者分析了平頂山礦區(qū)構(gòu)造對(duì)煤層瓦斯賦存的影響。張子敏等提出了煤礦瓦斯賦存的構(gòu)造逐級(jí)控制理論，指出：瓦斯賦存主要受地質(zhì)構(gòu)造作用控制、構(gòu)造擠壓剪切作用控制著高瓦斯和構(gòu)造煤分布、瓦斯和構(gòu)造煤分布存在區(qū)域控制礦區(qū)、礦井控制采區(qū)采面的逐級(jí)控制特征。我國地域廣闊，地形地貌復(fù)雜，成煤年代和成煤條件也各不相同，受地質(zhì)條件影響，每一個(gè)礦區(qū)的煤層瓦斯賦存差異較大，其治理方法也各不相同。國內(nèi)外的專家學(xué)者在煤的變質(zhì)程度、煤對(duì)瓦斯吸附性能、頂?shù)装鍘r性及透氣性、埋藏深度、地質(zhì)構(gòu)造等對(duì)煤層瓦斯賦存影響做了大量研究，取得了豐碩的科研成果。但針對(duì)巨厚油頁巖頂板賦存條件下近距離煤層群瓦斯的賦存規(guī)律及治理技術(shù)研究還相對(duì)較少，為此，在前人研究的基礎(chǔ)上，提出了上覆巨厚油頁巖近距離煤層群瓦斯防治技術(shù)[10-14]。

1 礦井概況

1.1 礦井地質(zhì)概況

依蘭煤田位于哈爾濱市依蘭縣境內(nèi)。該區(qū)構(gòu)造位于新華夏系第二隆起帶張廣才嶺隆起北緣。本區(qū)斷層比較發(fā)育，主要有北東向、北西向2組斷層，以正斷層為主，逆斷層次之，北東向斷層發(fā)育。本區(qū)已查明斷層19條[15]。含煤地層為第三系達(dá)連河組地層，煤層集中分布于含煤段。本區(qū)含煤段最小厚度為7.78 m，最大厚度為100.34 m，一般在10～60 m，含煤段平均厚度為41.92 m?，F(xiàn)已查明含煤3個(gè)層組，5層煤（上1、上1-上2、上2、中、下），其中可采煤層4層，分別為上1、上2、中及下煤層，均為長焰煤，煤層變質(zhì)程度較低[15]。油頁巖段（E2d3）位于煤層群上部，主要由巨厚的油頁巖和薄層粉細(xì)砂巖組成，最小厚度為32 m，最大厚度為165 m，一般厚度70～140 m。油頁巖段有由北向南變薄的趨勢，中部厚，四周薄；受下部砂礫巖段的影響，砂礫巖向南增厚，油頁巖段變薄[15]。

礦井設(shè)計(jì)首采上1煤層，首采工作面走向長200 m，傾向長800 m，采用傾向長壁采煤，綜采放頂煤開采。

1.2 礦井地質(zhì)賦存特點(diǎn)

1）根據(jù)礦井的地質(zhì)資料，該礦井可采煤層間距均小于10 m，為近距離煤層群。煤層群上覆巖層為70～140 m的巨厚油頁巖，油頁巖上部為砂泥巖，煤層群的底部為海西期花崗巖，巖層致密。從頂?shù)装鍘r性來看，煤層群圍巖的透氣性不好，為煤層群內(nèi)的瓦斯封存提供了有利條件。

2）區(qū)內(nèi)大斷層較多，有正斷層也有逆斷層。斷層直接影響煤層瓦斯賦存，開放性斷層，為煤層瓦斯逸散提供條件，斷層附近的瓦斯含量和瓦斯壓力減?。环忾]性斷層阻止瓦斯逸散，斷層附近的瓦斯含量和瓦斯壓力增大，可能形成高瓦斯區(qū)。

3）隨著埋深的增加，地應(yīng)力增加，煤層中瓦斯向外逸散的通道受阻，瓦斯含量和瓦斯壓力隨之增大。實(shí)踐表明，瓦斯壓力和瓦斯含量會(huì)隨著埋藏深度呈線性增加，增加的趨勢因地質(zhì)條件而定?，F(xiàn)礦井開采水平為+600 m水平，水平大巷埋深700 m。

1.3 礦井瓦斯賦存規(guī)律

地勘期間瓦斯采樣測試顯示，本區(qū)自然瓦斯含量最高為6.38 m3/t，最小為0.10 m3/t，平均為2.37 m3/t。本區(qū)煤層瓦斯有由淺至深、由東至西逐漸升高的趨勢。

井下實(shí)測瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)見表1。由表1可知，礦井瓦斯賦存不均衡，主要是區(qū)內(nèi)斷層較多，而已正斷層為主，因此煤層瓦斯壓力測定的測點(diǎn)有2/3左右的數(shù)值較低，1/3左右的測點(diǎn)數(shù)值較大。測定的煤層瓦斯壓力最大值均超過了煤與瓦斯突出臨界值0.74 MPa，具有潛在突出危險(xiǎn)性。各煤層瓦斯壓力在同等標(biāo)高下數(shù)值相近，主要是由于各煤層間距近，各煤層的之間的巖層為各煤層間瓦斯流動(dòng)提供了較多的通道。根據(jù)上部開采期間的瓦斯情況來看，整體上是隨著埋藏深度的增加瓦斯呈增大趨勢。從瓦斯含量測試數(shù)據(jù)來看，也體現(xiàn)了瓦斯賦存的不均衡性，其中，中煤層瓦斯含量超過了8 m3/t。從測試數(shù)據(jù)來看煤層透氣性各煤層差異較大，上1、上2和下煤層為可抽煤層，中煤層為較難抽采～可以抽采。

表1 井下實(shí)測瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)Table 1 Underground measured gas foundation parameters

1.4 上覆巨厚油頁巖近距離煤層群瓦斯賦存特點(diǎn)

1）煤系地層位于巨厚油頁巖和堅(jiān)硬花崗巖之間，煤層群頂、底板通氣性不好，不利于瓦斯逸散，為瓦斯的封存創(chuàng)造了條件。雖然煤層變質(zhì)程度低，但實(shí)際測定的瓦斯壓力及含量較高。

2）礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，斷層發(fā)育，以正斷層為主、逆斷層次之，斷層的影響造成了瓦斯賦存不均衡。

3）煤層埋藏深度超過700 m，地應(yīng)力較大，且煤層透氣性不好，不利于瓦斯流動(dòng)。

4）近距離煤層群開采，各煤層之間瓦斯壓力相近，說明各煤層瓦斯有相互連通的通道，開采首采層時(shí)，受采動(dòng)影響其它煤層瓦斯會(huì)大量涌入首采層采動(dòng)空間，首采層的瓦斯治理難度較大。

5）各煤層瓦斯壓力均超過0.74 MPa，存在煤與瓦斯突出可能，應(yīng)首先考慮煤與瓦斯突出防治。

2 上覆巨厚油頁巖近距離煤層群瓦斯治理技術(shù)

根據(jù)該礦區(qū)的地質(zhì)條件及瓦斯賦存特點(diǎn)，首先應(yīng)考慮煤層的開采順序，其次應(yīng)考慮煤與瓦斯突出防治，最后考慮回采期間瓦斯超限的治理[16-17]。

2.1 開采順序的選擇

井下實(shí)測上1煤層最大瓦斯壓力為1.23 MPa，上2煤層最大瓦斯壓力為0.95 MPa，中煤層最大瓦斯壓力為1.4 MPa，下煤層最大瓦斯壓力為1.58 MPa。從瓦斯壓力測定結(jié)果來看，這4個(gè)煤層具有潛在突出危險(xiǎn)性。根據(jù)突出礦井的瓦斯治理應(yīng)堅(jiān)持區(qū)域防突措施先行、局部防突措施補(bǔ)充的原則。礦井為煤層群開采，應(yīng)首先考慮保護(hù)層開采。

1）從保護(hù)層開采的角度分析。結(jié)合礦井的煤層賦存情況，中煤層作為主采煤層，應(yīng)優(yōu)選上1或上2煤層作為保護(hù)層開采。由于上1、上2均有突出危險(xiǎn)可能性，則可考慮將上1煤層作為保護(hù)層開采，原因是從防治煤與瓦斯突出角度分析首采上1煤層有利于各煤層的消突，而且上1煤層采完后再采上2煤層時(shí)，在卸壓范圍內(nèi)的上2煤層在經(jīng)過區(qū)域驗(yàn)證后無突出危險(xiǎn)情況下可以不對(duì)上2煤層回采工作面進(jìn)行預(yù)抽，減少預(yù)抽鉆孔工程量。

2）開采下保護(hù)層不破壞被保護(hù)層的最小層間距。保護(hù)層的選擇原則中規(guī)定“開采下保護(hù)層時(shí)，不得破壞被保護(hù)層的開采條件”，開采下保護(hù)層時(shí)，上部被保護(hù)層不被破壞的最小層間距應(yīng)根據(jù)礦井開采實(shí)測資料確定；如無實(shí)測資料時(shí)且煤層傾角小于60°時(shí)，可參照式（1）進(jìn)行確定。具體為：①上2保護(hù)層厚度為2.59 m，煤層角度為14°計(jì)算出允許最小間距為25.1 m；②中保護(hù)層厚度為6.8 m，煤層角度為14°計(jì)算出允許最小間距為65.98 m；③下保護(hù)層厚度為1.94 m，煤層角度為14°，計(jì)算出允許最小間距為18.82 m。可以看出，分別開采上2、中、下煤層作為保護(hù)層時(shí)，均破壞了上部煤層的開采條件，因此應(yīng)先開采上1煤層作為保護(hù)層，然后自上至下依次開采下部各煤層。

式中：H為允許采用的最小層間距，m；K為頂板管理系數(shù)，垮落法管理頂板時(shí)，取10，充填法管理頂板時(shí)，取6[18]；M為保護(hù)層的開采厚度，m；a為煤層傾角，（°）。

3）保護(hù)層開采后的殘余瓦斯壓力分析。從上1煤層作為保護(hù)層開采消除被保護(hù)層瓦斯突出危險(xiǎn)性來看，上1煤層開采后，上2煤層計(jì)算殘余瓦斯壓力為0.28 MPa，中煤層殘余瓦斯壓力為0.84 MPa，下煤層殘余瓦斯壓力為1.4 MPa，采上2后中煤層殘余瓦斯壓力為0.45 MPa，下煤層殘余瓦斯壓力為0.98 MPa。從殘余瓦斯壓力來看，首采上1煤層，從上至下依次開采，能夠消除被保護(hù)層的突出危險(xiǎn)性。

4）從瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果分析。首采各煤層回采工作面時(shí)瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果見表2。

表2 首采各煤層回采工作面時(shí)瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果Table 2 Prediction results of gas emission at working face of each coal seam in the first mining face

由表2可知，首采上1煤層時(shí)，將上1煤層作為保護(hù)層開采后下部煤層回采期間工作面瓦斯涌出量明顯減小，有利于瓦斯治理[18]，綜上所述，從上向下依次開采對(duì)于瓦斯治理更為有利。首采上2煤層，瓦斯涌出量最大，若只靠通風(fēng)解決需要增加將近2 000 m3/min風(fēng)量，若抽采解決需要增加250 m3/min的抽采量。首采中煤層時(shí)本煤層瓦斯涌出量占比增大，而中煤層透氣性不好，本煤層若不采取增透措施，能抽出的瓦斯量有限，而且要增大抽采量，預(yù)抽時(shí)間需要增長，影響開采進(jìn)度。因此，從瓦斯涌出量大小和瓦斯治理的難度的角度來看，首采上1煤層，從上至下依次開采較為合理[18]。

從防治煤與瓦斯突出、防治瓦斯超限的角度綜合來看，應(yīng)優(yōu)先開采上1煤層，然后由上向下依次開采。

2.2 煤層瓦斯抽采技術(shù)

瓦斯抽采是有效解決瓦斯問題的必要手段，在首采上1煤層的基礎(chǔ)上，瓦斯抽采分為2部分：一部分是開采前對(duì)掘進(jìn)巷道和回采區(qū)域進(jìn)行消突，另一部分是回采期間瓦斯大量涌出的防治。由于上1煤層最大瓦斯壓力1.23 MPa，在進(jìn)入煤層前應(yīng)對(duì)揭露煤巷的條帶進(jìn)行預(yù)抽。煤層瓦斯壓力降低后掘進(jìn)煤巷形成工作面，在煤巷掘進(jìn)期間向回采區(qū)域施工順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯?；夭善陂g由于首采工作面瓦斯涌出量最大，應(yīng)采用大流量抽采系統(tǒng)抽采采空區(qū)和鄰近層瓦斯。為了攔截受采動(dòng)影響的下部煤層卸壓瓦斯，可在底抽巷向回采空間施工穿層鉆孔抽采下部煤層的卸壓瓦斯。

1）首采面消突的抽采方法。煤層消突的方法是預(yù)抽煤層瓦斯，預(yù)抽分為定向鉆孔預(yù)抽、底板/頂板穿層鉆孔預(yù)抽，考慮到礦井為近距離煤層群開采，從上1煤層頂板到下煤層底板30 m左右，根據(jù)煤層賦存條件選擇底板穿層鉆孔進(jìn)行預(yù)抽，在下煤層底板垂距15 m的位置施工2條底抽巷分別對(duì)進(jìn)回風(fēng)運(yùn)輸巷施工穿層鉆孔，抽采條帶瓦斯，鉆孔控制寬度超過巷道兩邊15 m。穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯方法如圖1。在煤巷條帶瓦斯消突之后，驗(yàn)證無突出危險(xiǎn)后，進(jìn)行煤巷掘進(jìn)，在煤巷掘進(jìn)期間，從進(jìn)回風(fēng)運(yùn)輸巷分別向回采空間施工鉆孔，鉆孔搭接距離為5 m。

圖1 穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯示意圖Fig.1 Strip gas schematic diagram of pre-drainage roadway through layer drilling

2）回采期間采空區(qū)瓦斯抽采方法。首采上1煤層采空區(qū)和鄰近層瓦斯涌出占69.67%。因此，采空區(qū)和鄰近層瓦斯是治理的重點(diǎn)，采空區(qū)和鄰近層瓦斯治理的主要手段有高抽巷、高位定向長鉆孔以孔代巷等抽采方法。每一種抽采方法都有一定的適用性。高抽巷適用于工作面涌出總量大、抽采量大的工作面瓦斯治理，但施工成本較高。高位定向長鉆孔以孔代巷適用于頂板巖石較硬，鉆孔不易塌孔的煤層瓦斯治理。因此，綜合考慮，由于工作面采用傾向俯采，工作面開切眼標(biāo)高在埋藏深度在400 m左右，上部的瓦斯含量和瓦斯壓力較小，因此，工作面回采初期瓦斯比后期要小，考慮到成本首采工作面開采初期可以采用定向鉆孔以孔代巷的抽采方法進(jìn)行抽采，后期采用高抽巷進(jìn)行抽采，高抽巷治理瓦斯示意圖如圖2。

圖2 高抽巷治理瓦斯示意圖Fig.2 Gas control schematic diagram of high drainage roadway

3）底抽巷抽采鉆孔抽采回采區(qū)域卸壓瓦斯。在回采首采煤層時(shí)，受采動(dòng)影響下部煤巖層形成裂隙，為瓦斯流通提供便利，下部及圍巖中賦存瓦斯，涌向開采空間。為了攔截下部煤層瓦斯，可在底抽巷向回采空間施工間距較大的鉆孔(根據(jù)以往相似礦井施工經(jīng)驗(yàn)初步確定10 m×10 m）。這些鉆孔可以攔截下部煤層涌向開采空間，回采后抽采空區(qū)內(nèi)瓦斯。底抽巷抽采鉆孔抽采回采區(qū)域卸壓瓦斯示意圖如圖3。

圖3 底抽巷抽采鉆孔抽采回采區(qū)域卸壓瓦斯示意圖Fig.3 Schematic diagram of pressure relief gas drainage in mining area by bottom drainage roadway drainage borehole

2.3 瓦斯治理效果

根據(jù)以上抽采方法對(duì)上1煤層首采工作面進(jìn)行治理，采用底板抽采巷道施工穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯+順層鉆孔抽采回采區(qū)域瓦斯的方法進(jìn)行了首采面的消突,預(yù)抽2個(gè)月后的殘余瓦斯壓力為0.31～0.56 MPa，上1煤層掘進(jìn)期間瓦斯?jié)舛仍?.1%～0.5%，絕對(duì)涌出量在0.5～2.5 m3/min。未發(fā)生煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象。

回采前期采用定向鉆孔以孔代巷+采空區(qū)埋管+底抽巷鉆孔抽采回采區(qū)間采動(dòng)影響瓦斯的抽采方法，到工作面中部后采用高抽巷+底抽巷鉆孔抽采回采區(qū)間采動(dòng)影響瓦斯的抽采方法，由于前期煤層處于淺部，各煤層瓦斯含量低，此時(shí)采用定向鉆孔以孔代巷抽采，高抽巷位置在上1煤層頂板20 m，沿煤層傾向布置，最邊緣鉆孔距回風(fēng)巷水平投影距離20 m,鉆孔間距10 m，鉆孔數(shù)3個(gè)，鉆孔孔徑133 mm。工作面涌出量在6～10 m3/min，抽采量在10～15 m3/min。后期采用高抽巷抽采，高抽巷距上1煤層頂板20 m，水平投影距回風(fēng)巷20 m，巷道斷面2 m×2 m，瓦斯涌出量在10～15 m3/min，抽采量15～20 m3/min。隨著工作面的推進(jìn)及頂板周期來壓瓦斯瓦斯涌出及抽采量呈波動(dòng)性變化。回采期間未出現(xiàn)長時(shí)間超限現(xiàn)象，保證了首采工作面的安全開采。

3 結(jié) 語

1）通過對(duì)上覆巨厚油頁巖近距離煤層群加底板為花崗巖的特點(diǎn)分析，得出該條件下各煤層瓦斯壓力及含量大，首采工作面瓦斯涌出量大，治理難度較高。

2）從防治煤與瓦斯突出、防治瓦斯超限的角度綜合分析，應(yīng)優(yōu)先開采上1煤層，然后由上向下依次開采。

3）上覆巨厚油頁巖近距離煤層群瓦斯治理方法是采前消突+回采防超限。消突采用底板巷道施工穿層鉆孔預(yù)抽巷道條帶瓦斯+順層鉆孔預(yù)抽回采空間瓦斯。回采期間采用采用定向鉆孔以孔代巷+采空區(qū)埋管+底抽巷鉆孔抽采回采區(qū)間采動(dòng)影響瓦斯的抽采方法，到工作面中部后采用高抽巷+底抽巷鉆孔抽采回采區(qū)間采動(dòng)影響瓦斯的抽采方法。

4）采用該方法進(jìn)行治理，掘進(jìn)期間瓦斯?jié)舛仍?.1%～0.5%，絕對(duì)涌出量在0.5～2.5 m3/min，未發(fā)生煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象?；夭善陂g工作面涌出量在6～15 m3/min，抽采量在10～20 m3/min，未出現(xiàn)長時(shí)間超限現(xiàn)象。