厚煤层开采卸压瓦斯抽采技术研究

关瑞斌

摘 要：针对3603工作面开采的3号煤层厚度大、瓦斯涌出量高、采面瓦斯容易超限等问题，本文采用理论分析方法分析确定了覆岩冒落带、裂隙带发育高度及最佳瓦斯抽采区域，提出采用低、中、高三种抽采钻孔对裂隙瓦斯进行抽采，并进行现场应用。结果表明，3603综放工作面开采后最佳瓦斯抽放区域为顶板上覆35～55 m，采用低、中、高抽采鉆孔抽采裂隙瓦斯后，采面上隅角、回风巷瓦斯浓度降低至0.6%、0.5%以内，确保了厚煤层综放开采工作面生产安全。

关键词：综放开采;覆岩裂隙;高位钻孔;冒落带

中图分类号：TD712.6文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）20-0098-03

Abstract： In view of the problems such as large thickness of No.3 Coal Seam in 3603 working face， high gas emission and easy overrun of gas in mining face， the development height of overburden caving zone and fracture zone and the best gas drainage area were analyzed and determined by theoretical analysis method， and three kinds of drainage boreholes， namely low， medium and high， were proposed to extract fracture gas， and field application was carried out in this paper. The results show that the best gas drainage area after mining in 3603 fully mechanized caving face is 35～55 m overlying the roof. After low， medium and high drainage boreholes are used to extract the fractured gas， the corner of the mining face and the return air lane gas The concentration was reduced to within 0.6% and 0.5%， which ensured the production safety of fully mechanized caving mining face in thick coal seams and achieved remarkable application results.

Keywords： fully mechanized caving;overburden cracks;high-level drilling;caving zone

煤炭开采受到瓦斯、水、地质构造等诸多不利因素制约，给矿井生产带来诸多影响[1]。特别是厚煤层采用综放开采时，由于一次开采厚度大采空区内遗煤多，在回采过程中，瓦斯涌出量大，时常造成上隅角瓦斯超限，制约矿井生产安全[2-4]。采空区瓦斯涌出是厚煤层综放开采工作面瓦斯涌出的主要来源之一，高位裂隙瓦斯抽采是采空区瓦斯治理的常用手段，众多研究学者对高位卸压瓦斯抽采进行研究。其中，姚晓旭等[5]对被保护层卸压瓦斯进行治理，并分析了覆岩裂隙演化及瓦斯运移规律，为瓦斯治理方案的制订提供一定的参考;刘超等[6]采用微震监测技术对煤层开采后的上覆岩层裂隙进行识别，为高位裂隙抽采钻孔布置提供一定借鉴。本文以山西某矿3605综采工作面为工程背景，对厚煤层开采后引起的上覆裂隙分布情况进行分析，并具体设计高位裂隙瓦斯抽采钻孔，有效治理了采空区瓦斯涌出，应用效果显著。

1 工程概况

某矿设计产能为600万t/a，现阶段开采的3号煤层，埋深平均为350 m，瓦斯含量介于4.6～5.8 m3/t，煤层厚度平均为4.2～20.m（平均12 m），为近水平煤层。3603采面采用综放开采方式，采用全部垮落法管理顶顶板，采放比为1∶1.02，采用U型通风方式，直接顶为泥岩、砂质泥岩，基本顶为粉砂岩，具体顶底板岩性如表1所示。

虽然3号煤层原始瓦斯含量不高，且进行了采前预抽，但是由于煤层透气性差、松软，预抽后的煤层内残余瓦斯含量较高，预计3603采面开采期间瓦斯涌出量可达24.9 m3/min，上隅角瓦斯处于临界状态，因此有必要根据采面情况制定合理的高位卸压瓦斯抽采钻孔。

2 厚煤层开采后覆岩裂隙发育情况

煤层开采后覆岩发育与岩性、煤层开采方式等有密切关联。煤层开采后覆岩垮落下沉，形成的穿层裂隙、离层裂隙相互交错，最终形成一个类似于帽形的裂隙发育带，具体如图1所示[7]。

根据3603综采工作面煤岩特征，并依据式（1）～（2），计算得出冒落带、裂隙带高度分别为27～36 m（平均31.5 m）、83～141 m（平均112 m）。

3603采面开采后裂隙带发育高度达到110 m，在裂隙带上覆裂隙渗透性显著降低，同时由于瓦斯重量较空气轻，采空区内的瓦斯会沿着冒落裂隙向上扩展。根据相关研究学者采用数值模拟、相似模拟研究成果[8-9]，并结合工程类比法，判定3603综放工作面顶板上覆35～55 m范围为瓦斯抽采有利区域。

3 高位裂隙钻孔设计

3.1 钻孔布置方案

由于3号煤层开采后的裂隙带发育高度平均达到112 m，为了对卸压上覆裂隙瓦斯进行有效抽放，降低采空区瓦斯涌出量，提出采用低、中、高三种裂隙瓦斯抽放钻孔相结合方式对上覆裂隙瓦斯进行抽放。在3603回风巷内每隔80 m布置一个瓦斯抽放钻场，并向采空区方向施工抽采钻孔，具体情况如图2所示。

在回风巷内布置的钻场宽、深、高依次为4、4、3m，每个钻场内分3排布置12个钻孔，低、中、高钻孔距离煤层顶板间距依次为35、45、55m，每一种钻孔布置4个，具體高位瓦斯抽采钻孔参数如表2所示。

3.2 瓦斯抽采效果

在3603综放工作面顶板上覆35～55 m范围内布置高位瓦斯抽采钻孔，用以对裂隙瓦斯进行抽放，具体瓦斯抽采钻孔抽采情况如表3所示。

从2019年6月中旬高位瓦斯抽采钻孔陆续接抽，通过布置高位瓦斯抽采钻孔，3603综放工作面内瓦斯浓度显著降低，具体采面回风巷及上隅角监测到的瓦斯浓度变化情况如表3所示。从图3可知，采面回风上隅角位置处瓦斯浓度始终在0.6%以内，回风巷内瓦斯浓度始终在0.5%以内，采面内瓦斯浓度在0.4%以内，风排瓦斯量降低至7.5 m3/min，回采工作面内各监测点瓦斯浓度均在《煤矿安全规程》规定范围内，通过布置高位瓦斯抽采钻孔，解决了采面瓦斯超限问题，确保了回采工作面生产安全。

4 结语

采用理论计算法对3603综放工作面开采后的顶板的冒落带、裂隙带发育高度进行计算，具体得到的冒落带、裂隙带高度分别为27～36 m（平均31.5 m）、83～141 m（平均112 m）。在对采面采动裂隙透气性分布规律及瓦斯上覆扩散规律进行分析的基础上，确定在距离煤层顶板35～55 m范围内最为有利于裂隙瓦斯抽放。

根据对3603综放工作面采空区覆岩裂隙瓦斯抽采有利区域的分析结果，以及矿井3号煤层开采厚度大、裂隙带发育高度高等特点，提出采用低、中、高瓦斯抽放钻孔相结合瓦斯钻孔抽采布置方案，并进行现场工程应用。结果表明，采面上隅角瓦斯浓度均在0.6%以内，回风巷瓦斯浓度降低至0.5%以内，采面内个点瓦斯浓度均满足《煤矿安全规程》有关规定，现场应用取得显著效果。

参考文献：

[1]李洋，徐遵玉，刘怀付.综放工作面高位钻孔瓦斯抽采技术研究[J].能源技术与管理，2020（2）：28-30.

[2]龚选平，武建军，李树刚，等.低瓦斯煤层高强开采覆岩卸压瓦斯抽采合理布置研究[J].采矿与安全工程学报，2020（2）：419-428.

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[4]尉新全.采动条件下工作面卸压瓦斯运移特征及综合治理技术研究[J].煤矿现代化，2020（2）：59-61.

[5]姚晓旭，李树清，李洪生.近距离煤层群上行开采条件下高位被保护层工作面瓦斯的治理[J].安全，2017（11）：19-21.

[6]刘超，李树刚，薛俊华，等.基于微震监测的采空区覆岩高位裂隙体识别方法[J].中国矿业大学学报，2016（4）：709-716.

[7]邓明明，陈虎.高瓦斯被保护层煤与瓦斯分源共采技术研究及应用[J].中国煤炭，2019（10）：61-65.

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