特厚煤层高强度综放开采地面钻孔抽采瓦斯技术研究

1 项目背景

该项目于2019 年12 月通过了中国煤炭工业协会组织的科技成果鉴定，研究成果为国际先进水平。

近年来，随着矿井开采深度增加，大同矿区部分矿井向石炭二叠系煤层转移，瓦斯问题逐渐凸显，特别是综放工作面开采强度大，虽然煤层瓦斯含量较低，但瓦斯绝对涌出量却较大。塔山矿是同煤集团第一个大规模开采石炭系煤层的千万吨级矿井，是典型的低瓦斯赋存高强度开采高瓦斯涌出开采条件，现主要开采石炭二叠系3-5#煤层，平均厚度为15.72 m，煤层瓦斯含量低、瓦斯压力小，但在高强度综放开采条件下，综采落煤、放煤瓦斯涌出以及采空区瓦斯涌出叠加，造成其工作面瓦斯涌出量较大，正常回采期间工作面瓦斯涌出量在20 m3/min～40 m3/min之间，瓦斯异常涌出时可以达到50 m3/min。针对同煤集团塔山矿特厚煤层高强度综放开采条件，大同煤矿集团有限责任公司与平安煤矿瓦斯治理国家工程研究中心有限责任公司联合开展了“特厚煤层高强度综放开采地面钻孔抽采瓦斯技术研究”，项目主要研究地面垂直钻孔抽采瓦斯技术，以解决工作面瓦斯涌出量大的难题，保证矿井安全高效开采。

2 研究内容

塔山矿最早采用工作面布置顶抽巷抽放治理工作面瓦斯，同时配合上隅角插管抽采、上下隅角粉煤灰墙封堵减少漏风、悬挂风帘处理局部瓦斯积聚等综合治理措施。矿井从2014 年开始研究地面抽放治理井下瓦斯新途径，首先在地面“L”型钻孔抽采瓦斯技术方面进行了工程实践。为进一步提高瓦斯治理成效，解决采空区瓦斯涌出量大的难题，探索应用地面垂直钻孔抽采瓦斯技术，但是在钻孔布置位置、布置间距、抽采控制等方面需要针对性的理论研究和技术经验支撑，开展相关研究内容有：

（1）塔山矿低瓦斯赋存高强度开采条件下瓦斯涌出规律分析：（1）收集塔山矿3-5#煤层瓦斯基础参数，分析煤层瓦斯赋存规律；（2）统计分析工作面、上隅角、回风等瓦斯监控参数，研究回采落煤、放煤、周期来压等条件对工作面瓦斯涌出的影响，分析上述开采条件下的瓦斯涌出特征。

（2）基于工作面开采应力场、裂隙场、瓦斯场“三场”耦合规律的地面钻孔最佳终孔位置及“一孔多用”方案研究：（1）以塔山矿8203综放工作面为研究对象，通过理论分析、相似材料模拟等手段研究采场围岩运动、应力场和裂隙场的演化、渗透率分布、覆岩裂隙“O”形圈特征以及瓦斯运移富集规律等，综合分析掌握综放开采工作面“三场耦合”规律；（2）研究有利于地面垂直钻孔瓦斯抽采的钻孔最佳终孔位置，实现钻孔抽采效率最大化；（3）根据采场覆岩运动和应力分布特征研究地面钻孔“一孔多用”方案，实现钻孔利用最大化。

（3）地面垂直钻孔布置参数优化研究及瓦斯治理效果考察：（1）研究地面垂直钻孔在不同布置间距、内错回风巷距离、孔径等抽采条件下对采空区瓦斯浓度场的影响，优化地面垂直钻孔布置参数；（2）考察分析地面垂直钻孔抽采期间抽采浓度、抽采量变化特征，以及地面钻孔抽采对工作面上隅角、回风流瓦斯浓度和工作面瓦斯涌出的影响。

（4）地面垂直钻孔抽采治理综放工作面瓦斯技术综合评价：根据地面垂直钻孔抽采工业试验考察结果，综合评价其技术、经济效果，指导矿井的瓦斯治理技术决策。

3 主要研究成果

（1）特厚煤层综放开采顶板破断运动特征：从切眼开始回采，工作面推进到35 m 时，部分顶煤及直接顶出现裂隙，当工作面推进到40 m时，直接顶初次垮落，到42 m时直接顶完全冒落；到80 m时老顶第一次周期来压，顶板初次来压后，顶板破坏形式基本上属于梁破断，呈周期性，模型实测的周期来压步距平均为22m。见图1、图2。

图1 相似模拟实验模型整体图

图2 相似模拟实验周期来压

（2）采空区覆岩垮落下沉规律：开采尺寸由40 m推进到140 m时，垮落带高度由4 m逐渐增加到65 m，当开采到180 m以后时，垮落带高度趋于稳定，达到最大值70 m，约为采厚的4.6倍。

（3）超前支承压力分布规律：煤体中超前支承压力影响范围54 m，峰值位置距工作面煤壁15 m，平均应力峰值系数1.7；直接顶中超前支承压力影响范围66 m，峰值位置为距工作面煤壁19 m，平均应力峰值系数1.5；老顶中超前支承压力影响范围78 m，峰值位置为距工作面煤壁24 m，平均应力峰值系数1.4。

（4）综放开采工作面“三场耦合”规律及地面钻孔最佳终孔位置：在垂直向划分为导气裂隙带、卸压解吸带和不易解吸带，在水平向划分为侧向裂隙区、“O”型圈裂隙区和重新压实区，地面钻孔最佳终孔位置应设置在竖向的导气裂缝带的上部且偏向回风方向一侧的“O”形圈内。见图3、图4

图3 不同回采距离采空区瓦斯浓度等值线图

图4 地面钻孔抽采条件下工作面回采255m时采空区瓦斯浓度分布

（5）地面钻孔“一孔多用”方案：在钻孔超前工作面20～25 m 时，开始进行采动卸压抽采；在工作面推过钻孔0～180 m范围主要进行采空区瓦斯抽采；在工作面推过钻孔180 m 后可停止采空区抽采，利用地面立孔进行采空区自然发火监测和治理。

（6）地面钻孔最佳布置参数：首个地面抽采钻孔设置在距切眼30 m 以内，第2～N 个抽采钻孔合理间距在50～60 m；与回风巷的内错距离宜在15～25 m；抽采钻孔孔径设置宜在200～400 mm。见图5

图5 地面钻孔“一孔多用”方案示意图

4 应用效果

项目研究成果在塔山矿进行了现场应用，通过工作面回采期间的现场考察和数据分析得出，在地面垂直钻孔超前工作面20 m左右开始，抽采浓度快速上升，钻孔进入采空区0～120 m期间各钻孔的平均抽采浓度在3.92～6.71%，120 m 后各钻孔的平均抽采浓度在1.81～4.66%。抽采期间回风瓦斯浓度变化范围一般在0.04%～0.58%，上隅角瓦斯浓度变化范围一般在0.02%～0.78%，通过地面垂直钻孔抽采措施，解决了正常回采条件下的上隅角和回风瓦斯浓度超限问题。