近水平中近距离煤层群煤与瓦斯协调开采技术研究*

黄振飞，李生舟，刘 军

（1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037）

0 引言

量理论与实践证明开采保护层是增大煤层透气性、提高瓦斯抽放率、防治煤与瓦斯突出的一种安全高效措施，我国相关法规政策也要求“可保必备”[1～3]。

目前我国在保护层开采方面开展了大量的试验工作，总结了不少保护层开采方面的成果及经验。但我国幅员辽阔，具体到不同矿区煤层群赋存条件以及矿区大的构造应力环境下，保护层开采保护范围参数及保护效果又有很大的差异[4～6]。

陕西陕煤韩城矿业有限公司下峪口煤矿开采中近距离煤层群2#和3#煤层，其中2#煤层属于薄～极薄突出煤层，且发生过疑似冲击的动力灾害，但总体而言，其突出危险性较3#煤层小，因此矿井开采近距离薄煤层2#煤层作为严重突出3#煤层的上保护层。

2#煤层回采前从工作面顺槽内施工下向穿层钻孔预抽被保护层卸压瓦斯。基本上能够解决主采3#煤层的突出灾害防治问题，但多年来未对具体的保护参数、抽采时空规律等研究，仅靠大概经验进行相关“采、掘、抽”工作安排，因此未能充分利用保护层开采的保护效果。

1 试验工作面概况

下峪口煤矿4216工作面长623.7m，可采长度503.9m，切眼宽169m。工作面煤层底板标高+355～+411.4m，距地表垂深 497～538m。4216工作面2#煤层距上覆2#上煤层5.0～6.5m，距下伏3#煤层7.6～13.2m。工作面煤层厚度0.5～2.2m，平均厚度0.97m。综合柱状如图1所示。

4216工作面采用倾斜长壁采煤法，综合机械化后退式仰斜采煤，全部垮落法管理顶板，工作面通风系统为Y型通风。21326工作面位于4216工作面的下部呈内错布置。21326工作面进顺内错上覆4216工作面进顺13m，回顺内错4216工作面运顺11m，沿煤层顶板掘进。

图1 试验区保护层与被保护层相对位置图

2 近距离上保护层开采卸压角考察结果

保护层开采后围岩应力重新分布和煤岩体变形是被保护层瓦斯动力参数变化的根本原因，被保护层变形和瓦斯动力参数存在因果关系，被保护层的有效保护特征是卸压膨胀变形达到一定数量和残余瓦斯压力或含量等参数降低到安全值以下；《防治煤与瓦斯突出规定》等有关规范要求被保护层法向膨胀变形不小于3‰，残余瓦斯压力小于0.74MPa（或残余瓦斯含量小于8m3/t）。4216工作面开采对3#煤层有效保护范围通过考察被保护煤层在保护层开采膨胀变形来确定，采用BC-I型变形测定仪进行了卸压角考察。考察结果如图2所示。

图2 上保护层开采对下伏3#煤层走向保护范围剖面图

韩城矿区存在6级浅源地震地压背景，井田煤系地层层滑构造发育、煤层走向主应力显著增大；2#煤层走向高侧压系数减小防突卸压保护角。因此，下峪口煤矿2#煤层保护层工作面倾斜条带开采后其走向卸压角相对减小。

3 煤层群开采协调开采方案优选

基于保护层开采保护范围考察结果及上保护2#煤层厚度薄、地应力主导动力危险的特点，提出了两种可行的煤层群煤与瓦斯协调开采方案。

方案I：3#煤层工作面底板布置两条底板岩巷，距3#煤层底板法向距离15m，一条底板岩巷相对于2#煤层工作面运顺内错20m，一条岩巷相对2#煤层工作面回顺外错20m，3#煤层两顺布置在2#煤层保护范围内，2#煤层下一工作面采用留小煤柱(3m)沿空掘巷或充填留巷，巷道布置如图3所示。

图3 方案Ⅰ巷道布置平面示意图

3#煤层底板巷穿层钻孔预抽2#煤层煤巷条带区域防突，顺槽掘进后从两顺施工顺层钻孔预抽2#煤层工作面回采区域煤层瓦斯；3#煤层采取上保护层2#煤层开采结合底板巷穿层钻孔卸压瓦斯抽采进行区域防突。

图4 方案I穿层钻孔布置示意图

方案II：2#煤层上保护层采掘工作面采取顺层长钻孔区域抽采等综合防突措施，在其回采巷沿空充填留巷施工下向孔抽采被保护层卸压瓦斯区域防突，并在回风巷施工高位钻孔(若存在上邻近层)、采空区埋管进行采空区埋管抽采预防保护层开采瓦斯超限；被保护层3#煤层采掘工作面顺层钻孔强化“抽采达标”实现放顶煤开采。3#回采巷道布置2#煤层保护范围内，保层工作面采用沿空留巷，如图5所示。

图5 方案Ⅱ巷道布置示意图

2#煤层突出危险性相对较小同时具有弱冲出倾向性，采用顺钻孔卸压为主预抽为辅进行区域防治，即顺层钻孔预抽回采区域、煤巷条带区域煤层瓦斯；3#煤层保护区采用在沿空留巷的两帮施工下向穿层钻孔进行强化抽采卸压瓦斯，在保护层工作面两顺超前施工下向穿层钻孔预测未保护区煤巷条带、回采区域煤层瓦斯，如图6所示。

图6 方案Ⅱ钻孔布置示意图

对于上述三种方案，从下峪口煤矿突出煤层瓦斯治理方案瓦斯治理工程、投资对比分析见表1，安全可靠性等方面的对比分析见表2。

上保护层2#煤层为极薄～薄煤层，具有突出危险，主要表现为应力主导型动力灾害，2#煤层动力灾害防治措施以卸压为主，瓦斯抽采为辅，综合考虑安全及技术经济效益，采用方案III沿空留巷下向穿层钻孔卸压瓦斯抽采。

表1 防突工程及投资对比分析

表2 方案优缺点比较分析表

4 卸压瓦斯抽采与工作面的时空关系

为掌握被保护3#煤层钻孔瓦斯抽采量与保护层工作面动态时空关系，对下向穿层钻孔卸压瓦斯抽采随工作面推进情况进行了考察。

4.1 保护层开采卸压效果考察

4215采面切眼附近测压钻孔随工作面开采的瓦斯压力变化曲线如图7所示，3#煤层瓦斯压力(未抽采)由1.68MPa逐渐变化为0.78MPa，2#煤层开采后的2个月左右内为3#煤层瓦斯移动的活跃期，以后瓦斯缓慢释放。测压区域2＃煤距下部3＃煤18～23m，虽2#煤层的开采使3#煤层瓦斯压力明显下降，但若不结合卸压瓦斯抽采，3#煤层仍具有一定的突出危险性。

图7 3#煤层瓦斯压力随2#煤层开采的变化曲线

4.2 下向钻孔卸压瓦斯抽采效果考察

下峪口煤矿对2#煤层保护层4216回采工作面两顺设计施工下向钻孔抽采3#煤层被保护层卸压瓦斯，距采面切眼5m开始布置第一组，每组6个钻孔，开孔间距1m，3#煤层底板终孔间距25m，设计施工钻孔36组，每组间距15m，共216个钻孔。

为掌握被保护3#煤层钻孔瓦斯抽采量与保护层工作面动态时空关系，选择第12组钻场对抽放瓦斯流量、浓度进行跟踪考察，钻孔卸压瓦斯抽采效果与保护层工作面动态时空关系如图8所示；不同钻孔抽采浓度随抽放时间的变化关系曲线如图9所示。

图8 卸压瓦斯抽采与保护层工作面动态关系曲线

图9 钻孔抽采浓度随抽放时间的关系曲线

1）根据工作面与钻孔位置关系分析，在保护层工作面采过后，第12组钻孔接入抽采系统，在距工作面迎头23m范围内，卸压瓦斯抽采浓度2%～16%，流量0.13～0.21m3/min；在滞后工作面24～42m范围内，受采动影响，下伏3#煤层裂隙发育扩展，煤层透气性显著提高，抽采浓度和抽采流量明显增加，为之前的1.9～25倍，卸压瓦斯抽采浓度30%～50%，抽采流量0.85～1.13m3/min；随着3#煤层瓦斯的抽采，在滞后工作面43m后，由于采动裂隙闭合及煤层瓦斯的消耗，瓦斯抽采浓度开始波动下降，考察的第12组钻孔瓦斯抽采浓度降低至3%～17%。

从卸压瓦斯抽采效果分析得上覆2#回采后，采空区后方24～42m范围内对应的下伏3#煤抽采瓦斯浓度和纯流量为最佳区域，说明滞后工作面24～42m为卸压瓦斯最活跃区域。

2）卸压瓦斯抽采一定时间后，瓦斯抽采浓度及流量均会出现一定的衰减，因而保护层4216工作面回采期间底板穿层钻孔卸压瓦斯抽采量、浓度总体较小，抽采瓦斯浓度6.8%～16.5%，抽采瓦斯流量 3.8～9.4m3/min。

3）根据图9可知，卸压瓦斯抽采浓度随着抽采时间增长而逐步衰减，钻孔瓦斯抽采浓度大于10%的时间可维持约2个月。

5 结论

针对下峪口煤矿中近距离煤层群开采条件，通过现场考察得出保护层保护卸压角，分析对比选择密集顺层长钻孔预抽2#煤层采掘工作面，回采巷沿空充填留巷施工下向孔抽采下伏被保护层卸压瓦斯区域防突的开采方案最适合矿井灾害治理实际。中近距离上保护层开采期间，采动影响能够有效卸压，提高被保护层的透气性，滞后保护层工作面24～42m为卸压瓦斯最活跃区域，卸压瓦斯抽采浓度大于10%时间可维持2个月左右。

下峪口煤矿近水平中近距离煤层群煤与瓦斯协调开采技术研究成果能够指导矿井其他区域相似条件上保护层开采瓦斯治理相关工作，取得较好的经济、技术价值。