低瓦斯矿井高产高效工作面瓦斯地面抽采技术

张 为，李 兵，张永成

(1.煤与煤层气共采国家重点实验室,山西 晋城 048012；2.山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司,山西 晋城 048006； 3.易安蓝焰煤与煤层气共采技术有限责任公司,山西 晋城 048012)

低瓦斯矿井高产高效工作面，具有综合机械化程度高、采煤强度大、采煤速度快等特点，单位生产时间内瓦斯(甲烷)涌出量逐渐增大，工作面安全生产隐患逐渐增多。采面瓦斯涌出量激增和涌出不均衡，极易造成工作面和局部瓦斯超限，尤其是上隅角瓦斯超限，上隅角瓦斯超限是低瓦斯矿井高产高效工作面面对的共性问题。为了缓解通风压力，降低瓦斯超限风险，一般工作面采用高抽巷等常规瓦斯治理方式，易造成工作面衔接方面困难，降低生产效率[1-3]。

塔山煤矿是大同矿区低瓦斯含量高涌出量矿井的典型代表。提出低瓦斯矿井高产高效工作面瓦斯地面抽采技术，期望解决的问题：获取一种地面钻孔抽采回采工作面瓦斯的新方式，解决矿井抽采掘衔接压力大的问题；本着地面抽一方，井下少一方的原则，降低风排量、回风巷瓦斯浓度；降低上隅角等局部瓦斯浓度峰值；降低采空区瓦斯浓度。

1 工作面概况

1.1 8204工作面

8204工作面是塔山矿3～5号煤层第1个留设小煤柱的工作面，工作面走向长度为983m、可采走向长度719m、倾向长度为161.5m；煤层厚度9.72～17.76m，平均14.2m。该工作面位于二盘区8202工作面与8206工作面之间，8206工作面于2010年8月底回采结束，8204巷与8206工作面采空区相邻，留设煤柱仅为6m。

8204工作面于2015年6月16日正式回采，截止到2015年9月18日已回采561m，经历了2次见方来压。

1.2 工作面瓦斯来源及涌出特点分析

根据矿井瓦斯涌出量分源预测法定义，工作面回采时瓦斯涌出由煤壁瓦斯涌出、落煤瓦斯涌出和采空区瓦斯涌出3部分组成[4]。

以往塔山矿8105，8106，8107，8210，8212工作面瓦斯实测资料研究分析表明：塔山煤矿为典型的高强度开采条件下瓦斯涌出，受工作面采动超前矿压影响，工作面煤层在超前工作面一定范围内形成卸压区域，该区域煤层裂隙增加，透气性提高，煤体解析瓦斯量增大，工作面绝对瓦斯涌出量随产量的增加而增加，呈初期线性后期曲线关系[5]；同时受到8206工作面采空区瓦斯等有害气体的影响，特别是回采期间对上隅角的影响，通过增加配风也无法解决。

1.3 矿压规律

根据塔山矿矿压监测资料，基本已掌握了首采面的矿压显现规律。顶煤的初次垮落步距为12m；直接顶初次来压距离为34～36m，周期来压步距工作面正常推进时为16～18m；推进不正常，速度缓慢时，周期来压步距缩短为10～14m；基本顶初次折断距离为50m，由于工作面倾斜长度大，顶煤厚度大，因此每次来压时工作面压力较大，达到10000kN以上，由于工作面倾斜长度较大中部压力显现比较明显。

2 采动井组设计

2.1 钻井平面位置确定

钱鸣高等[6]通过实验模拟、实践分析，对工作面采动区上覆岩层运动规律及裂隙分布特征进行研究，揭示“O”形圈分布特征，并应用于卸压瓦斯抽放钻孔布置，效果显著；李宗翔等[7]提出形成采空区周边采动裂隙分布的“O”形圈是由于采空区上方的离层裂隙基本分布在采空区边界(图1)。

图1 “O”形圈裂隙分布特征平面

2.1.1 “O”形圈裂隙区

“O”形圈宽度(或范围)的确定可按照以下经验公式[8]：

D(M)=0.011M3-0.64M2+10.22M+13.514

(1)

式中，D(M)为“O”形圈宽度,m；M为采高，取3.8m。

由公式(1)计算可得“O”形圈宽度为43.71m，亦由该式可知采高和“O”形圈宽度呈正比，即采高越大“O”形圈宽度亦越大，反之亦然。

2.1.2 重新压实区

重新压实区宽度(或范围)的确定可按照以下经验公式[8]：

D′=0.033M3+1.057M2-24.412M+208.057

(2)

式中，D′为重新压实区宽度，m。

通过计算可知，8204工作面重新压实区范围约为132m。

2.2 抽采层段的确定

2.2.1 采矿“上三带”理论及其范围

根据采矿理论，随着工作面的推进，煤层顶底板受采动影响在垂向上会出现典型的分带特征，自上至下可分为弯曲下沉带、裂缝带和垮落带。理论和实践表明裂缝带下部及垮落带上部裂隙发育充分，瓦斯大量积聚，是抽采的理想区域[9]。

2.2.2 最大垮落带高度

根据采矿经验公式：

(3)

式中，H为垮落带最大高度，m；θ为煤层倾角，取2°；K为岩石的碎胀系数，取1.25。

经计算，8204工作面最大垮落带高度为36.19m。

2.2.3 最大卸压裂缝带高度

导水裂缝带高度在一定程度可以表征导气裂缝带高度，实际上气体分子比水分子小，因此导气裂缝带高度应大于导水裂缝带高度，但二者差值不大。

根据塔山矿建井地质报告中导水裂缝带高度修正公式计算：

(4)

式中，Hf为导水裂缝带高度，m；ML为累计采厚，取18.05m；n为煤分层层数，取2。

根据以上计算，3～5号煤层开采后其导水裂缝带高度取最大值，为233.56m。

2.3 采动井组设计原则与要求

采动区地面瓦斯抽采井组设计本着根据应用条件的需要、井位、井身结构、易受破坏位置防护、安全抽采等进行逐级优化分析与设计的原则，以保障安全抽采与提升抽采效果[10]。

采动井在井下回采工作面上形成采动井组，井组随着工作面采煤推进形成滚动式地面瓦斯抽采系统；采动井组与采煤形成的裂缝带多点接触、沟通，加速瓦斯抽采速度；采动井组负压抽采工作面和上覆围岩中的瓦斯；一井双用，采动抽、采空抽；采空区瓦斯抽采，降低采空区瓦斯浓度。

2.4 钻井平面布置

采矿“O”形圈理论，“O”形圈域内离层裂隙和竖向破断裂隙发育且彼此导通性、透气性较好，同时是采空区卸压瓦斯流动通道和贮存空间[11-12]，为了大面积、长时间地抽放卸压瓦斯,抽放钻孔应打到“O”形圈内[3]。

采动井平面设计首先应与井下抽、掘、采衔接情况相结合；其次“O”形圈理论以及塔山矿矿压规律分析研究；最后遵循钻孔难易度、钻孔孔径保护、合理井距及有利地面环境等原则来布置。采动井布置在采面回风侧，在瓦斯抽采流量和浓度上效果较好[13]。再结合钻孔抽采稳定性和实际生产需要，距离切眼20m，距离回风巷15～30m处，孔距50m。

第1个地面钻孔布置在距工作面切眼20m处，内错回风巷30m；第2个孔布置在距工作面切眼70m，内错回风巷15m；依次类推，沿工作面走向方向每隔50m布置1个，第奇数个孔内错回风巷30m，第偶数个孔内错回风巷15m(如图2，3所示)。

图2 地面垂直采动井组平面布置示意

图3 地面垂直采动井组剖面示意

2.5 井身结构

根据采矿理论分析和实际生产需要，简化施工工艺，降低瓦斯治理成本，在保证抽采效果的情况下，采动区钻井整体结构为两次钻井设计。完井井身结构见图4。

(1)一开采用φ425mm牙轮钻头，钻穿基岩风化带10m后，下φ377.7mm×10mm钢级J55表层套管，封固地表疏松层，注水泥全封固。

(2)二开采用φ311.1mm钻头进行钻进，钻至煤层完钻，裸眼完井。

图4 采动井井身结构示意

2.6 抽采工程设计简述

(1)完成钻井后，随着工作面采煤推进，采煤形成的裂缝带与地面采动井沟通时，采用地面移动泵站开始负压抽采。

(2)采煤后形成采空区，通过地面管汇连接新钻孔，两孔或多孔同时抽采瓦斯(图5)。

图5 采动井联合抽采示意

3 抽采效果

3.1 同煤塔山矿采动井组工作面瓦斯治理效果

8204工作面正常生产期间，工作面绝对瓦斯涌出量在35m3/min左右，地面垂直立孔抽出瓦斯浓度最高可达28.69%，平均浓度3.5%左右；单孔抽排瓦斯纯量最高可达15m3/min，3个垂直采动井同时抽采瓦斯纯量在15～30m3/min之间，占工作面绝对瓦斯涌出总量的46%～70%左右；回风巷瓦斯浓度从0.8%逐步降低，上隅角瓦斯浓度迅速下降至0.4%以下，杜绝了瓦斯超限(如图6所示)。

图6 工作面回风巷、上隅角瓦斯浓度变化曲线

3.2 采动井抽采采空区瓦斯治理试验

采动井抽采采空区瓦斯试验系统布置如图7所示。抽采初期，1号采动井可抽出最高瓦斯浓度为13%，抽排气体混合量为95m3/min，随着地面抽采工作的不断进行，抽出瓦斯浓度逐渐降低。

2015年5月27日，2号采动井施工完毕，开始连接抽采系统实施抽采，2号孔抽采初期抽出瓦斯浓度为4.07%，随着抽采工作的不断进行，抽出瓦斯浓度逐渐降低。

截至2015年6月15日，8206采空区地面采动井累计抽采瓦斯纯量537842m3。地面1号、2号采动井抽出瓦斯浓度均降至2.0%左右。取样化验数据显示8206采空区瓦斯浓度降至1.5%以下，8206采空区束管监测瓦斯浓度降至0.4%左右。

图7 采动井抽采采空区瓦斯试验系统布置

4 结 论

(1)根据“O”形圈理论、采矿“上三带”理论及矿压规律确定塔山矿采动井组距离回风巷15～30m，孔距50m，第1个地面钻孔布置在距工作面切眼20m处；井身结构采用二开裸眼完井。

(2)塔山矿8204工作面推进至13.7m，1号采动井开始抽采，工作面回风流瓦斯浓度从0.8%开始下降，上隅角瓦斯浓度迅速降至0.4%以下，1号、2号采动井同时开始抽采后，瓦斯浓度均保持在0.2%左右，杜绝了瓦斯超限。

(3)采空区瓦斯抽采试验表明，通过采动井组抽采，塔山矿8206工作面采空区瓦斯浓度控制在1.5%以下，束管监测瓦斯浓度降至0.4%左右。