急倾斜特厚煤层水平分段开采瓦斯预抽技术

陈建强，胡延伟，刘昆轮，王 刚，3，范酒源

(1.神华新疆能源有限责任公司，乌鲁木齐 830027； 2.山东科技大学安全与环境工程学院，青岛 266590；3.山东科技大学矿山灾害预防控制-省部共建国家重点实验室培育基地，青岛 266590)

中国是能源生产、消费大国，生产方面占全球总产量的18.9%，消费方面占全世界能源消费量的22.4%，两者之和净增长为49%，这里面的主要能源是煤，占全球生产总量的47.4%[1-2]。目前世界上的主要产煤国，如美国、中国、加拿大以及澳大利亚等均在进一步探索瓦斯抽采的方法，充分利用煤层瓦斯[3-6]。在矿井生产过程中，瓦斯事故[7]在中国煤矿灾害中占据重大的比例，而煤层瓦斯预抽[8]是对矿井瓦斯灾害产生防治的重要手段。

瓦斯抽采[9-11]对提高煤矿井下采掘效率、保障矿井生产安全有着至关重要的作用。中外专家学者研究表明[12-16]，对矿井煤层进行瓦斯预抽可以有效解决矿井巷道内瓦斯浓度超限问题，并能消除或降低采掘工作面煤与瓦斯突出的危险性。急倾斜煤层采用综采分段放顶煤采煤法后，采煤效率和生产延深速度大幅度提高，煤矿的瓦斯涌出绝对量和相对量都增加很快，特别是在瓦斯灾害防治的同时还需防治煤自燃、冲击矿压、顶煤及顶板过量垮落等，容易导致煤矿防灾治灾工程与采掘工程之间出现失调。因此更加需要研究急倾斜煤层水平分段开采预抽瓦斯，以保证生产的安全性和提高生产效率。

以乌东煤矿为例，通过对开采后的瓦斯来源与流动通道的分析，研究了急倾斜特厚煤层瓦斯的流动特征，进而为了降低开采过程中涌向开采分层工作面的瓦斯量，考虑到乌东煤矿瓦斯赋存情况，采用现场试验法和极限抽采时间法相结合的方式明确了乌东煤矿煤层瓦斯抽采半径，提出了“网”状分布钻孔的掘进工作面预抽煤层瓦斯技术，以期降低采煤期间发生瓦斯灾害的概率。

1 急倾斜特厚煤层水平段开采瓦斯流动特征

急倾斜特厚煤层开采后，顶板存在大量的裂隙通道，为瓦斯运移提供了裂隙条件，开采分段上部采空区遗煤所解吸出的瓦斯逐渐沿裂隙场向地表方向运移，但在距离开采分段较近的位置，受工作面负压通风的影响，部分解吸瓦斯会向开采分层运移，涌入采煤分层工作面的瓦斯量加大；本分层采空区遗煤解吸的瓦斯沿裂隙发育区域向上运移，在负压的作用下涌向工作面；底部煤体卸压程度较高，导致大量卸压瓦斯涌入生产空间，如图1所示。

图1 急倾斜特厚煤层开采瓦斯涌出来源Fig.1 Gas emission source of mining in steep and extra thick coal seam

2 工程概况

实施急倾斜特厚煤层水平分段开采瓦斯预抽技术研究的试验地点位于乌东煤矿，乌东煤矿位于中国西北部的新疆，采用水平分段综采放顶煤开采方法如图2所示，全部冒落法管理煤层顶板，工作面长度45 m，开采分段高度为22～25 m(设计采放比为1∶8～1∶7)，设计回采长度为1 124 m。地表标高+739.2～+934.0 m，主要开采45#煤层和43#煤层，煤层倾角45°。工作面地质构造较简单，无大的断层及构造，局部存在小的褶曲，并有裂隙、节理发育带，煤层破碎易冒落。+600 m水平43#煤层东翼工作面位于副井以东2 973 m，东部为铁厂沟河，南部为43#煤层顶板，西部为+600 m水平43#煤层西翼封闭巷道，工作面东部为+600 m水平45#煤层回采巷道，上部为+620 m水平43#煤层东翼回采采空区，工作面下部为原始43#煤层，没有采动影响。地表为荒山丘陵、无公路、河流及建筑设施，煤层的平均厚度40 m。该生产水平，设计阶段高度为20 m，工作面下部为原始43#煤层，没有采动影响。

图2 急倾斜特厚煤层开采独特的开采方式Fig.2 Unique mining method for steep and thick seam mining

乌东矿区构造的分布特征，演化受博格达山的影响，主体是NE向展布。燕山运动开始发育的NE向构造，在喜马拉雅期得到快速发展。在乌东矿区瓦斯赋存受八道湾向斜控制作用明显，向斜南翼地层倾角大，瓦斯含量小，在向斜北翼，地层倾角缓，瓦斯含量大，并趋于向斜轴部瓦斯增大的趋势。

从乌东煤矿的煤层分布特征可知，急倾斜特厚煤层分布呈现立体大面积分布，所以预抽煤层瓦斯有别于常规矿井，为此研究煤层准确的解吸半径，并提出这种煤层构造方式下的特殊钻孔布置位置至关重要。

3 预抽煤层瓦斯技术研究

在急倾斜特厚煤层水平分层开采过程中，采取预抽钻孔进行开采煤层瓦斯抽采，达到降低开采过程中涌向开采分层工作面瓦斯量的目的，经过一定预抽时间之后，降低开采分层的煤层瓦斯含量和煤层瓦斯压力，满足抽采达标后，开始进行煤体开采。

3.1 预抽煤层瓦斯抽采有效半径考察试验

当前对抽采有效半径的考察主要有以下三种方法：降压法、瓦斯含量法和流量法。基于乌东煤矿实际情况采用瓦斯含量法测定抽采有效半径。

3.1.1 瓦斯抽采钻孔施工及实验

瓦斯抽采半径测定工作是在施工抽采钻孔(孔号ZK1)的过程中取煤芯，在实验室完成煤层瓦斯含量测定工作。钻孔的施工参数及抽采效果记录如表1所示。

将数据导入MATLAB进行多元回归数据处理，最终得到的上述数据符合式(1)，将数据拟合的公式计算数据反代回实测数据，得到实测数据和拟合数据之间的关系曲线和二者之间的误差曲线如图3所示。

y=5.322x0.271e0.091t

(1)

表1 钻孔的施工参数及抽采效果记录

图3 实测值与拟合值的关系及误差曲线Fig.3 Relationship between measured value and fitted value and error curve

通过拟合分析知：实测值和拟合值误差最大为6.2%，最小为0.9%，平均为3.59%，说明式(1)拟合度较高。

3.1.2 抽采半径研究

(1)极限抽采时间。

因钻孔抽采量的衰减规律呈负指数关系(图4)。当采用单孔抽采瓦斯实测，为避免不同钻孔的见煤长度和半径影响，将计量结果统一以百米钻孔抽采量表示，并进行回归分析。回归分析式为

qt=q0e-βt

(2)

图4 抽采钻孔流量衰减图Fig.4 Flow attenuation diagram of extraction borehole

式(2)中：t为钻孔抽采瓦斯时间，d；qt为百米钻孔抽采时间t时钻孔瓦斯抽采量，m3/(hm·min)；q0为初始抽采量，m3/(hm·min)；β为涌出衰减系数，由现场实际考察测得。

钻孔抽采瓦斯的影响范围是随着时间的延续而不断扩大的，但影响范围是有极限的，达到这个范围的时间为极限抽采时间，没有必要再延长抽采时间。极限抽采时间[17-18]表示为

(3)

(2)抽采半径确定。

乌东煤矿不是瓦斯突出矿井，没有明确的突出深度，因此确定抽采钻孔的抽采有效半径的依据为：《煤矿安全规程》规定预抽率达到30%。在抽采钻孔施工过程中，测得煤层原始煤层瓦斯含量为6.26 m3/t。当煤层瓦斯含量降低至6.26(1-30%)=4.382 m3/t时，认为瓦斯抽采达标，即当单个钻孔经过时间t抽采之后，瓦斯含量减低至4.382 m3/t处对应位置至钻孔中心线的距离定义为在乌东煤矿在当年抽采条件下进行抽采t时间后的抽采有效半径r。将瓦斯含量为4.382 m3/t代入，得：

(4)

可以得到乌东煤矿在当前抽采条件下抽采的半径与抽采时间关系如图5所示。

图5 抽采的半径与抽采时间关系Fig.5 Relation between extraction radius and extraction time

在抽采180 d时抽采半径为2.70；抽采90 d时瓦斯抽采半径为2.1 m。根据抽采极限时间得到抽采的极限半径为2.76 m。这与进行数值分析乌东煤矿合理的抽采间距抽采180 d在6 m左右基本吻合。通过抽采间距的确定进一步提出瓦斯抽采技术。

3.2 掘进工作面瓦斯抽采技术

根据前文内容提出掘进工作面瓦斯抽采技术，掘进工作面瓦斯治理是在本分层巷道掘进一帮施工瓦斯抽采硐室，相邻两个钻场之间的间距为120 m，施工顺层长钻孔进行煤层瓦斯抽采，以保证掘进工作面的正常掘进，在立体煤层中网状布置钻孔，掩护式边掘边抽钻孔布置如图6和图7所示。

图6 瓦斯抽放钻孔位置图Fig.6 Location of gas drainage borehole

图7 抽放钻孔剖面图Fig.7 Sectional drawing of extraction and drilling

3.3 预抽效果分析

为了分析掘进面采取掘进前预抽起到的瓦斯治理效果，对巷道+600 m水平45#西巷道在风量掘进过程中的瓦斯浓度以及巷道供风进行了统计，分析掘进预抽对巷道瓦斯治理的效果，为进一步提出合理参数提供理论依据。图8为掘进巷道迎头和掘进巷道回风瓦斯浓度变化图。

图8 掘进巷道迎头和回风平均瓦斯浓度分布Fig.8 Distribution of average gas concentration at the head and in return air of driving roadway

从图8中可以看出，在2014年6月瓦斯浓度与瓦斯涌出量均较大，巷道头的瓦斯浓度平均值的最大值为0.28%左右，巷道回风中瓦斯浓度平均值的最大值在0.54%左右，之后迎头瓦斯浓度平均降低到0.08%，回风巷道的平均瓦斯浓度降低到0.30%，根据巷道掘进情况，乌东煤矿45#西和45#东是交替掘进，由瓦斯涌出量较小可知，该期间巷道尚未掘进。从2014年7月下旬开始瓦斯浓度以及瓦斯涌出量逐渐开始增加，在2014年8月中旬巷道在掘进过程中回风巷瓦斯浓度平均值在0.6%左右，而掘进期与非掘进时期瓦斯浓度大约相差0.1%。因此，在巷道迎头布置钻孔预抽瓦斯，期间巷道内平均瓦斯浓度、瓦斯涌出量逐渐减小，这是因为巷道并没有先前掘进，随着巷道暴露时间的增加，煤壁瓦斯涌出量逐渐降低。钻孔进行拆除之后，进行了巷道掘进，巷道与2015年1月22日开始掘进，截至2015年1月31日，巷道迎头的平均瓦斯浓度在0.1%左右，巷道回风平均瓦斯浓度为0.38%，巷道累计掘进91 m，平均进尺9 m/d。巷道在2015年2月1日—2015年2月8日掘进过程中，其巷道迎头瓦斯浓度在0.20%左右，巷道回风瓦斯浓度平均为0.47%，长期维持在0.5以上，最大瓦斯浓度达到0.66%，巷道掘进共计6 d，累计进尺44.8 m，平均进尺为7.4 m/d。

从预抽效果可知，乌东煤矿急倾斜巷道掘进进行预抽时，钻孔可以控制到巷道顶、底板一侧，巷道底部控制至少5 m，在预抽瓦斯钻孔施工长度为150 m情况下，可以正常掘进90 m，掘进90 m左右之后巷道瓦斯涌出量则会明显增加。对明确瓦斯灾害治理方案的研究具有重要的工程意义。

4 结论

(1)通过分析急倾斜特厚煤层水平段开采瓦斯流动特征，得到瓦斯来源较多，且煤层瓦斯涌出量大，提出了研究预抽煤层瓦斯的必要性。

(2)通过对钻孔取芯数据的统计分析，拟合出预抽煤层瓦斯抽采有效半径的计算公式，进行实测值和拟合值的误差分析后可知误差范围在0.9%～4.02%，平均值为3.59%，可以证明拟合度较高，应用性强。

(3)通过极限抽采时间的方法，确定出有效半径为6 m左右，提出针对急倾斜特厚煤层中“网”状分布钻孔的掘进工作面瓦斯抽采技术，该技术应用于乌东煤矿后，分析掘进巷道迎头和回风巷的平均瓦斯浓度分布，验证可知预抽效果较好，对于后期瓦斯灾害治理具有重要指导意义。