高瓦斯突出煤层群首采保护层立体式瓦斯综合治理技术及应用

廉常军，郭城铭，邓照玉，马宏宇

(1.中煤科工集团 重庆研究院有限公司，重庆 400037；2.云南煤矿安全监察局 曲靖监察分局，云南 曲靖 655000)

云南省恩洪矿区为煤层群赋存，属于高瓦斯突出矿区[1]。区内矿井生产期间，普遍存在采煤面上隅角瓦斯频繁超限、保护层采动卸压无法彻底消除被保护层的突出危险性等问题，极大制约着矿井的安全高效生产。因此针对该地区实际情况，开发一套科学有效的瓦斯综合治理技术是一项迫切且意义重大的工作。

1 恩洪矿区调研结果及瓦斯突出原因分析

1.1 调研结果

恩洪矿区分布有56对矿井，其中16对矿井发生过瓦斯突出事故或出现喷孔、顶钻等动力现象，47对矿井采煤面上隅角瓦斯频繁超限。区内含煤层约26～38层；其中可采煤层约7～12层，均为薄煤层～中厚煤层，可采煤层层间距为4～60m；各煤层瓦斯含量为6～17m3/t、瓦斯压力为0.30～1.94MPa。

区内矿井主要采用长壁式工作面布置，垮落法管理顶板；首采浅部煤层，形成卸压保护效应，之后依次开采下部煤层；采煤工作面瓦斯涌出量达8～27m3/min，常采用顺层钻孔、走向高位钻孔及上隅角埋管等抽采措施，但上隅角瓦斯依然频繁超限；个别矿井在上部煤层采空的情况下，M9，M11煤层生产过程中仍然有喷孔、顶钻现象，甚至发生瓦斯突出事故。

1.2 原因分析

针对区内矿井的调研结果，结合理论分析，认为造成区内矿井采煤面上隅角瓦斯超限及被保护层瓦斯突出的原因有3点。

(1)区内煤层瓦斯含量高、瓦斯压力大，可采煤层之间分布多层不可采煤层；当采面回采期间大量邻近层卸压瓦斯涌入作业空间，造成上隅角瓦斯超限。

(2)布置的顺层钻孔、走向高位钻孔普遍存在封孔效果差、终孔层位设计不准确，造成该煤层瓦斯及邻近层卸压瓦斯的抽采纯量小；上隅角埋管伸入采空区距离短，孔隙通透致使抽采瓦斯浓度不超过1%，造成采空区瓦斯的抽采纯量小。

(3)中、远距离被保护层在采动卸压作用下，穿层裂隙不发育致使卸压瓦斯无法充分排出，而其中未布置抽采钻孔，致使其突出危险性难以彻底消除。

2 高瓦斯突出煤层群瓦斯治理思路

2.1 类似条件矿区瓦斯治理实践

淮南矿区及松藻矿区均为多煤层高瓦斯突出矿区，均取得卓著的瓦斯治理成果并开发出高效的瓦斯治理技术，对恩洪矿区的瓦斯治理工作具有重要的借鉴意义。

淮南矿区开采深度为700～1200m，煤层间距为20～50m，瓦斯含量及瓦斯压力高达22m3/t，6.8MPa；形成的瓦斯治理技术主要有：关键保护层开采联合上下被保护层卸压瓦斯抽采技术、沿空留巷Y型通风工作面瓦斯治理技术、地面钻井瓦斯抽采技术[2-3]。

松藻矿区开采深度为500～700m，煤层间距为6～17m，瓦斯含量及瓦斯压力高达27m3/t，5.2MPa；形成的瓦斯治理技术主要有：上保护层开采联合被保护层卸压瓦斯抽采技术、水力割缝增透联合顺层钻孔及顶(底)板巷穿层钻孔瓦斯抽采技术、高抽巷工作面瓦斯治理技术[4]。

2.2 恩洪矿区瓦斯治理技术路线

依据区内矿井生产情况的调研分析，结合国内类似条件矿区的瓦斯治理实践，提出本矿区瓦斯治理工作技术路线。

(1)测定各煤层的瓦斯含量、瓦斯压力等参数，评估各煤层的瓦斯灾害等级。

(2)分析煤系煤岩层的物理结构特征，评估不同煤层采空区“上三带”及“下三带”卸压区的发育高度。

(3)兼顾经济合理性，选择低瓦斯非突出煤层为首采保护层，保护其上70m、下50m范围内的高瓦斯突出煤层，尤其是主采煤层[5]。

(4)开展首采保护层工作面瓦斯涌出量预测及被保护层保护效果评估。

(5)针对首采层、被保护层开展立体式的瓦斯抽采设计，不但要解决首采层工作面上隅角瓦斯超限难题，而且要彻底消除上、下被保护层的突出危险性[6]。

3 工程实践

3.1 矿井概况

吉克煤矿位于恩洪矿区核心区，分布有33层煤层，其中稳定可采煤层11层，分别为M2，M7，M9，M11，M12，M16，M20，M21，M22，M23，M24，并且M2，M9，M11煤层已经鉴定为突出煤层。各可采煤层间分布数层非可采煤层，可采煤层结构及瓦斯参数见表1。

表1 吉克煤矿可采煤层结构及瓦斯参数

矿井主要开采一、二采区的M2，M7，M9，M11，M12煤层，采煤面绝对瓦斯涌出量为17～26m3/min，采用顺层钻孔、走向高位钻孔及上隅角埋管的综合抽采方法开展瓦斯治理，但上隅角瓦斯仍频繁超限，且钻孔施工有喷孔现象。

3.2 首采保护层确定及工作面瓦斯涌出量预测

依据2.2节中瓦斯治理技术路线，结合表1中相关煤层结构及瓦斯参数，计算评估后选择M7煤层为新区域首采保护层。

新区域M7煤层首采面120704设计生产能力为1200t/d，瓦斯涌出量预测结果见表2。

表2 120704工作面瓦斯涌出量预测结果

由表2分析可知：

(1)工作面正常回采期间，绝对瓦斯涌出量为20.08m3/min，其中本煤层占25%，上邻近层占29%，下邻近层占46%。

(2)为了解决上隅角瓦斯超限，必须同时对本煤层、采空区及上下邻近被保护层采取瓦斯抽采措施。

(3)M7煤层采空区顶板垮落带及裂缝带下部内分布有数层不可采煤层，其内穿层裂隙发育，卸压瓦斯富集且能直接涌入采煤空间；必须要针对该区域瓦斯采取抽采措施，方可降低上隅角瓦斯聚集。

(4)M2，M9，M11，M12煤层属于中远距离被保护层，其内穿层裂隙不发育；必须在中远距离被保护煤层中布置钻孔直接抽采卸压瓦斯，方可彻底消除其突出危险性。

3.3 首采保护层立体式瓦斯综合治理技术

3.3.1 顺层钻孔预抽本煤层瓦斯

120704工作面倾向长度为110m，在进风巷及回风巷中分别布置顺层钻孔，孔长60m，间距为5m，搭接长度为10m，共布置240个钻孔。封孔长度为15m，孔口负压不低于13kPa，工作面预抽时间为3个月。钻孔布置如图1所示。

图1 120704工作面顺层钻孔布置

3.3.2 走向高位钻孔抽采裂缝带富集瓦斯

在工作面回风巷施工高位抽放钻场，向煤层顶板中施工大直径走向高位钻孔，抽采裂隙区富集瓦斯。具体如下：

(1)终孔层位 考虑到M7煤层顶板30m范围内分布有3层不可采煤层，为上邻近层卸压瓦斯的主要来源；同时裂缝带下部为高浓度游离瓦斯富集区，而垮落带发育高度：H=(4～6)M[7]，M为煤层厚度。本次，高位钻孔设计层位采用“上-中-下”配合[8]，终孔位于煤层顶板以上6～30m处。

(2)钻孔布置 在回风巷中每间隔30m布置1个钻场，每个钻场中布置“上-中-下”3组钻孔，每组3个钻孔，控制回风巷内侧40m范围。孔径为120mm，钻孔封孔深度为12m，孔口负压为7～10kPa。钻孔设计参数及布置如表3、图2、图3所示。

表3 回风巷钻孔设计参数

注：钻孔方位角以回风巷走向为基础，迎着切眼方向左偏。

图2 120704工作面回风巷高位钻孔布置平面

图3 120704工作面回风巷高位钻孔布置剖面

3.3.3 上隅角埋管抽采采空区瓦斯

首先在工作面上下隅角处构筑密闭墙，降低采空区漏风；然后沿工作面的回风巷敷设一条瓦斯抽采管，每隔20m设1个三通，并安阀门。随着工作面的推进，瓦斯管道一端逐渐埋入采空区，当工作面推进至下一个埋管口三通处，将埋在采空区里的前一埋管段控制阀门关闭，打开下一循环的埋管口阀门，以此达到利用埋管不断抽采采空区的瓦斯的目的，孔口负压约为5kPa。具体布置参数如图4所示。

图4 120704工作面上隅角埋管抽放布置

3.3.4上下底板巷布置上向穿层钻孔抽采中远距离被保护层卸压瓦斯[9-10]

按照120704工作面布置图，提前在上部M2煤层底板10m处布置1条底板巷，并向M2煤层施工上向网格式穿层钻孔，钻孔见煤处间排距为15m；在下部M12煤层底板13m处布置1条底板巷，并向M9，M11，M12煤层施工上向网格式穿层钻孔，钻孔见煤处最大间排距为18m。钻孔封孔长度为10～15m，孔口负压不低于13kPa。该抽放钻孔布置参数如图5所示。

图5 120704工作面上下底板巷钻孔布置

3.4 效果考察

回采过程中，对工作面的瓦斯治理效果进行了考察，结果如下：

(1)工作面绝对瓦斯涌出量为25.99m3/min，其中风排瓦斯量为5.25m3/min，上部底板巷抽采量为5.41m3/min，下部底板巷抽采量为9.57m3/min，高位钻孔抽采量为4.14m3/min，埋管抽采量为1.62m3/min，工作面瓦斯抽采率为80%，回风流瓦斯浓度为0.35%，上隅角在整个回采期间未超限。

(2)M2，M9，M11，M12煤层在M7煤层开采前瓦斯压力分别为0.83MPa，1.62MPa，1.24MPa，0.96MPa；在M7煤层开采后分别为0.26MPa，0.54MPa，0.44MPa，0.37MPa，消除了诸煤层的突出危险性。

4 结 论

(1)采用“现场调研分析+工程类比参考”的方法，开发出针对恩洪矿区的高瓦斯突出煤层群瓦斯治理技术路线，实践证明，该技术路线是科学有效的。

(2)“首采保护层立体式瓦斯综合治理技术”不仅解决了吉克煤矿120704工作面上隅角瓦斯超限问题，而且消除了中远距离被保护层M2，M9，M11，M12煤层的突出危险性，瓦斯治理工作成效显著。

(3)吉克煤矿的成功实践，为恩洪矿区其他矿井的瓦斯治理提供了有益的借鉴。