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近距离煤层群覆岩裂隙带瓦斯治理措施优化及效果分析

2024-01-12 69 上传者：管理员

摘要：为解决近距离煤层群综采工作面回采中上隅角瓦斯治理难题，保障综采工作面有效衔接，实现连续安全高效生产，利用同位素测定分析技术明确了近距离煤层群卸压瓦斯涌入覆岩裂隙带内的规律特征，提出施工地面L型钻孔以优化原有的覆岩裂隙带瓦斯治理技术，降低综采工作面上隅角瓦斯体积分数。结果表明：屯兰矿2号煤层综采工作面的覆岩裂隙带高度附近，工作面自切眼回采的95 m范围内，02号煤卸压瓦斯抽采占比逐渐降低，2号和4号煤层的卸压瓦斯抽采占比逐渐升高，95 m后，02、2和4号煤卸压瓦斯抽采占比趋于稳定，占比分别为60%、25%和10%.优化后的“以孔代巷”技术“高位钻孔+低位钻孔+高位走向长钻孔+地面L型钻孔”将上隅角平均瓦斯体积分数由0.65%降低至0.25%.地面L型钻孔的施工在空间和时间上保障了井下综采工作面的连续稳定生产，对井下工程不形成干扰，有助于解决上隅角瓦斯超限问题，实现了综采工作面的安全高效连续生产。

关键词：
L型钻孔
上隅角
效果分析
煤层群
瓦斯
覆岩裂隙带
近距离
采动卸压
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煤层群赋存是我国煤田地质的普遍现状，近距离煤层群开采时，受采动卸压影响，邻近煤层内的卸压瓦斯涌入到综采工作面，给矿井通风和瓦斯抽采带来显著压力，严重制约矿井安全高效生产[1,2]。近年来，浅部煤层资源枯竭，矿井开采的深度逐年增加，近距离煤层群卸压瓦斯治理需求愈发迫切[3,4]。

国内学者针对我国煤层及瓦斯赋存特点，相应地开展了煤层群开采卸压理论及卸压瓦斯运移规律方面的大量研究。张礼[5]根据采动卸压后围岩裂隙发育规律及应力变化特征，将采动卸压的围岩划分为“五带五区”。卢平等[6]以理论研究为基础，结合模型试验，揭示了煤层群采动卸压后，采动影响区内顶、底板岩层裂隙的时空演化特征和卸压瓦斯的运移规律，唐建华等[7]采用相似材料模拟与现场试验相互结合的方法，研究了近距离煤层群采动卸压后的围岩应力-裂隙演化特征规律。

前人的研究多集中在煤层群采动卸压下的裂隙发育特征及瓦斯运移规律方面的研究，而对煤层群采动卸压瓦斯在覆岩裂隙带的积聚规律和现场优化改造措施方面的研究较少。为解决井下工作面空间狭小，工作面回采过程中上隅角瓦斯体积分数较高，矿井安全生产能力受限问题，笔者基于屯兰矿的煤层群赋存特征，采用同位素测定技术分析了煤层群采动卸压瓦斯向覆岩裂隙带运移的规律，并针对综采工作面12507Ⅰ的上隅角瓦斯治理难题，提出采用地面L型钻孔抽采覆岩裂隙带瓦斯，以优化高位走向钻孔抽采覆岩裂隙带瓦斯的整理方案，为近距离煤层群卸压瓦斯治理提供经验借鉴。

1、工作面概况

西山煤电屯兰矿为典型的近距离煤层群开采的煤与瓦斯突出矿井，矿井工作面采用倾斜长壁后退式一次采全高全垮落的综合机械化采煤方法。矿井先采山西组的2+3号煤层，后采太原组的8+9号煤层。上下两层主采煤层的邻近煤层均为突出煤层，属近距离煤层群开采，如图1所示。

屯兰矿12507综采工作面走向长1 644 m, 倾向长220 m, 受断层影响，将工作面分为长533 m的12507Ⅰ和770 m 的12507Ⅱ两个综采工作面，两工作面间设置长232 m的煤柱，12507综采工作面采用2+3号煤层合采，采高4.57 m.12507综采工作面井下位于南五盘区左翼，东邻12505工作面(已形成回采工作面),西为南五盘区左翼未布置工作面，南邻富开洗煤厂保护煤柱，北邻南五盘区大巷。工作面采用U型通风的轨道巷进风，胶带巷回风，12507工作面2号煤原始瓦斯含量：7.91～13.94 m3/t, 原始瓦斯压力：0.64～2.84 MPa.12507综采工作面采用以孔代巷技术治理覆岩裂隙带瓦斯。

图1 屯兰矿12507工作面综合柱状图

2、覆裂隙带瓦斯来源

2.1 近距离煤层群采动卸压瓦斯运移特征

工作面回采导致围岩卸压实现增透，岩层间渗透性得到提高；岩层卸压将使邻近层吸附态瓦斯解吸。根据采动卸压后围岩裂隙发育规律及应力变化特征，将采动卸压的围岩划分为“五带五区”,如图2所示。

图2 采动卸压分区分带示意

垂向自上而下分为弯曲下沉带、裂隙带、垮落带、底鼓裂隙带、底鼓变形带。水平向分为原始应力区、应力集中减透减流区、初始卸压增透增流区、卸压充分高透高流区、地压恢复减透减流区[5]。围岩采动卸压后产生的大量裂隙与工作面形成导通的裂隙网络，本煤层及邻近层瓦斯卸压、解吸、渗流和扩散，在升浮作用和渗流作用驱动下沿裂隙网络在覆岩裂隙带内形成高浓度的瓦斯积聚。积聚的卸压瓦斯可通过裂隙网络进入采空区，故采空区裂隙带瓦斯高效抽采是降低上隅角和回风巷瓦斯超限的根本方法[8,9]。

2.2 覆岩裂隙带瓦斯来源的时空演化规律

煤岩层瓦斯赋存状态和工作面开采技术是采动覆岩裂隙带瓦斯来源的决定因素，综放开采形成的采动裂隙带积聚瓦斯主要来自工作面的煤岩和邻近煤岩层[10]。通过同位素δ(13C/12C)测定值对煤层群卸压瓦斯来源的分析是较可靠的分源预测手段[11]。

屯兰矿2+3号煤回采过程中下伏煤岩体发生卸压，卸压至工作面的瓦斯主要来源于02号、2号和4号煤层。通过收集工作面不同回采距离时上隅角瓦斯进行稳定同位素的精确测定，分析下伏煤岩体采动卸压瓦斯涌出特征及占比。屯兰矿12507和12505综采工作面相邻，以12505综采工作面回采过程中测定的稳定同位素占比分析比较，不同回采距离下覆岩裂隙带瓦斯涌入占比的动态变化规律[12]如图3所示。

图3 12505工作面近距离煤层群卸压瓦斯运移规律

结合围岩采动卸压及瓦斯积聚理论分析，12505工作面回采过程中，垂向卸压瓦斯涌出积聚特征：

1) 高抽巷与顶板长钻孔抽采的瓦斯均为覆岩裂隙带瓦斯，故两条曲线变化趋势相近；

2) 近距离煤层群受采动卸压影响，邻近煤层瓦斯向覆岩裂隙带内积聚，覆岩裂隙带附近，工作面自切眼回采95 m内，02号煤卸压瓦斯抽采占比逐渐降低，2号和4号煤层的卸压瓦斯抽采占比逐渐升高；95 m后02、2和4号煤卸压瓦斯抽采占比趋于稳定，占比分别为60%、25%和10%.

3、覆岩裂隙带瓦斯抽采

为确保12507工作面实现安全高效生产，覆岩裂隙带瓦斯抽采采取“普钻+定向钻”的“以孔代巷”瓦斯治理技术，具体施工参数为：

普钻：12507工作面二切眼外胶带布置高低位邻近层钻孔125个，孔间距8 m, 孔深100 m.

定向钻：12507轨道回风联络巷、胶带巷150 m, 500 m处共布置3个钻场，施工顶板走向长钻孔。12507工作面胶带巷道内共设3个钻场，每个钻场施工4个沿胶带巷道走向布置的顶板走向长钻孔，位于煤层顶板以上30 m, 钻孔孔径215 mm, 孔深600 m(图4),4个钻孔由里向外编号依次为4号～1号，1号钻孔内错胶带巷道水平距离为17 m, 各钻孔终孔的水平间距为15 m, 钻孔垂距为12～30 m.

图4 12507综采工作面L型钻孔实钻轨迹剖面图

根据12507工作面Ⅰ顶板走向长钻孔钻场瓦斯抽采参数统计，工作面回采过程中布置的顶板走向大孔径长钻孔抽采的瓦斯纯量和体积分数较为稳定，在回采250～350 m范围内瓦斯抽采体积分数为83.5%左右，钻场纯流量为6.7 m3/min左右，上隅角瓦斯体积分数整体在0.5%～0.9%之间，综采工作面回采期间瓦斯治理难度大(图5)。仅使用“普钻+定向钻”的“以孔代巷”瓦斯治理技术无法很好地控制上隅角瓦斯体积分数，急需采取其他措施以加强对覆岩裂隙带瓦斯的抽采治理，实现工作面的安全、高产和高效。

图5 顶板走向大孔径长钻孔瓦斯抽采

4、覆岩裂隙带瓦斯抽采优化

为解决近距离煤层群卸压上隅角瓦斯积聚难题，提高综采工作面安全生产能力，屯兰矿通过施工地面L型钻孔来保障井下采煤工作平稳进行。地面L型钻孔是通过在矿井地面施工钻孔，将钻孔的水平段布置在覆岩裂隙带内实现对瓦斯的高效抽采，以减少上隅角瓦斯积聚引发的安全隐患。

4.1 地面L型钻孔定向钻完井关键技术

TL-L-12507井位于南五盘区左翼12507工作面Ⅱ,2019年5月30日开钻钻井，历时40 d, 于2019年7月8日完井。该井完钻井深1 117.92 m, 水平段内错胶带73 m布置，水平段长度737.40 m, 采用裸眼完井，着陆点位于2号煤顶板上48.30 m, 靶点位于2号煤顶板上38.19 m, 完钻目的层位为2号煤层顶板裂隙带，见图4.井身结构：Φ311.15 mm×(0～52.99)m+Φ241.3 mm×(52.99～579.78)m+Φ171.4 mm×(579.78～1 117.92)m; 套管程序：Φ273.1 mm×(0～52.99) m+Φ193.7 mm×(0.00～577.87) m.

4.2 地面L型钻孔抽采效果

统计12507Ⅱ综采工作面地面L型钻孔瓦斯抽采参数，地面L型钻孔运行期间抽采的纯量与体积分数不稳定，呈现先增加后减少，然后再增加的波动变化，瓦斯抽采的体积分数为40%～67%,平均53.03%,瓦斯纯量为8～12.50 m3/min, 平均10.2 m3/min.地面L型钻孔运行期间各参数虽然波动较大，但产气速度与抽采体积分数整体较好，生产280 d时，累积产量达到4 114 580 m3,见图6.

图6 12507Ⅱ综采工作面L型钻孔瓦斯抽采曲线

12507Ⅱ综采工作面采用高位钻孔、低位钻孔、高位走向长钻孔和地面L型钻孔解决覆岩裂隙带积聚的卸压瓦斯。正常回采期间，工作面绝对瓦斯涌出量约为56 m3/min, 其中瓦斯抽采量约为48 m3/min, 覆岩裂隙带瓦斯抽采量合计26 m3/min, 其中L型钻井平均抽采量约为10.2 m3/min, 占到覆岩裂隙带瓦斯抽采总量的39.23%.综采工作面12507Ⅱ与2507Ⅰ相比(表1),瓦斯涌出总量由48 m3/min升高至56 m3/min, 但上隅角瓦斯体积分数为0.1%～0.41%,平均瓦斯体积分数降低至0.25%,保障了综采工作面的安全高效回采。

5、结语

1) 近距离煤层群受采动卸压影响，邻近煤层瓦斯向覆岩裂隙带内积聚。覆岩裂隙带高度附近，工作面自切眼回采的95 m范围内，02号煤卸压瓦斯抽采占比逐渐降低，2号和4号煤层的卸压瓦斯抽采占比逐渐升高，95 m后02、2和4号煤卸压瓦斯抽采占比趋于稳定，占比分别为60%、25%和10%.

表1 12507综采工作面瓦斯参数

2) 针对综采工作面12507Ⅰ的上隅角瓦斯积聚问题，提出采用由“高位钻孔+低位钻孔+高位走向长钻孔+地面L型钻孔”组成的“以孔代巷”技术治理覆岩裂隙带瓦斯，优化后的覆岩裂隙带瓦斯治理方案能够实现对上隅角瓦斯的高效治理，将上隅角平均瓦斯体积分数由0.65%降低至0.25%.12507Ⅱ综采工作面回采过程中上隅角瓦斯体积分数大幅降低，试验方案为近距离煤层群卸压瓦斯治理提供了经验借鉴。

3) 地面L型钻孔的施工，在空间和时间上保障了井下综采工作面的连续稳定生产，与井下工程不形成干扰，有助于解决上隅角瓦斯超限问题，实现了综采工作面的安全高效连续生产。

参考文献:

[1]谢和平,周宏伟,薛东杰,等.我国煤与瓦斯共采:理论､技术与工程[J].煤炭学报,2014,39(8):1 391-1 397.

[2]李大冬,李德慧.高瓦斯矿井综采工作面低抽巷布置及抽采效果分析[J].煤,2023,32(1):25-27,31.

[3]王恩元,张国锐,张超林,等.我国煤与瓦斯突出防治理论技术研究进展与展望[J].煤炭学报,2022,47(1):297-322.

[4]宋选民,朱德福,王仲伦,等.我国煤矿综放开采40年:理论与技术装备研究进展[J].煤炭科学技术,2021,49(3):1-29.

[5]张礼.采动裂隙环形体理论模型及其在卸压瓦斯抽采中的应用[D].北京:中国矿业大学,2020.

[6]卢平,袁亮,程桦,等.低透气性煤层群高瓦斯采煤工作面强化抽采卸压瓦斯机理及试验 [J].煤炭学报,2010,35(4):580-585.

[7]唐建华,吴吉南,余伟健.近距离煤层瓦斯抽采覆岩应力-裂隙场演化规律研究[J].矿业安全与环保,2023,50(3):48-55.

[8]傅邦郡,黄致鹏,董林生.低瓦斯矿井瓦斯异常区域综合治理技术研究[J].煤,2016,25(1):7-10.

[9]袁亮.卸压开采抽采瓦斯理论及煤与瓦斯共采技术体系[J].煤炭学报,2009,34(1):1-8.

[10]林海飞.综放开采覆岩裂隙演化与卸压瓦斯运移规律及工程应用[D].西安:西安科技大学,2009.