多煤层近距离高瓦斯的开采研究

多煤层近距离高瓦斯的开采研究

齐电水

山东省山东能源枣矿集团公司山东枣庄277100

摘要：基于某煤矿多煤层群的赋存条件，探讨了8#煤层作为11#煤层上保护层开采的必要性，分析了关键上保护层8#煤层开采期间瓦斯涌出状况、特点及影响因素，研究了近距离煤层上保护层煤与瓦斯共采技术，即：底板穿层预抽下邻近层采动卸压瓦斯、顶板钻孔抽采上覆煤层裂隙瓦斯、采空区埋管抽采采空区瓦斯。现场应用结果表明，通过在X40806工作面的运输巷、回风巷对邻近层打钻预抽，有效治理了X40806工作面的瓦斯，保证了工作面正常生产，实现了煤与瓦斯共采。

关键词：近距离煤层群；上保护层；煤与瓦斯共采；底板穿层钻孔；顶板高位钻孔

1前言

保护层开采是突出煤层区域防突最有效、最经济的措施，也是实现煤与瓦斯突出煤矿安全生产的根本保证。长期以来，国内外学者对保护层开采技术进行了大量的研究，但是多煤层群保护层开采仍存在诸多难点，其中，最为突出的难题之一就是保护层开采后，大量被保护煤层（一层或几层煤）中瓦斯将通过层间裂缝涌至保护层的开采空间，给保护层回采工作面带来巨大的瓦斯防治压力，容易造成保护层工作面瓦斯超限。可见，近距离保护层开采保护效果虽好，但是保护层开采期间瓦斯治理比较困难，容易发生瓦斯事故。因此，在开采近距离保护层时，必须研究保护层煤与瓦斯共采技术。某煤矿为解决11#煤层的突出危险问题，首先开采8#煤层作为关键上保护层，但是在回采8#煤层期间，工作面瓦斯涌出来源除本煤层外，还来自上下邻近层瓦斯，由于邻近层瓦斯大量进入采面，造成回采期间瓦斯涌出量增大，针对这种情况，结合某煤矿实际条件，分别采取了底板穿层预抽下邻近层采动卸压瓦斯、顶板钻孔抽采上覆煤层裂隙瓦斯、采空区埋管抽采采空区瓦斯等抽采方式，有效地解决了近距离煤层上保护层开采期间的瓦斯超限问题。

2矿井概况

某煤矿核定生产能力270万t/a，分为平硐和斜井两个独立生产井，其中平硐150万t/a，斜井120万t/a。某煤矿开采煤层位于上二叠统宣威组的上段（上煤组）和中段（中煤组），含煤层三十余层，倾角8°～14°。该井田内一般只开采1#、7#、8#、11#煤层，各煤层平均厚度：1#煤层为1.63m、7#煤层为1.59m、8#煤层为1.19m、11#煤层为6.58m。1#与7#煤层层间距为32m，7#与8#煤层层间距为9m，8#层与11#煤层层间距为41m。某煤矿属于煤与瓦斯突出矿井，特别是主采11#煤层瓦斯含量大、突出严重，且具有自然发火倾向的特点。

本文以某煤矿斜井为工程背景，该斜井共划分为4个采区，其中+1500m水平以上分斜一、二、三3个采区，+1500m水平以下为斜四采区。斜井在+1500m水平以上基本采空，现已延深至+1300m标高，正在开采斜四采区，布置有X40806综采工作面1个，布置有X41106回风巷掘进工作面1个。矿井为抽出式通风，采区风量5689m3/min，工作面U型通风，工作面回风风量1186m3/min。斜井采面接替为X40806→X40702→X41106工作面。

3关键上保护层开采必要性分析

斜井X41106作为斜井四采区的最后一个综放工作面，所采煤层是煤矿的主采煤层11#煤层，与地表垂深730m，煤层厚度7.0m，煤层倾角12°～15°，设计走向长760m、倾斜长160m，储量128万t。由于11#煤层原始瓦斯含量高（19.8m3/t）、瓦斯压力大（2.5MPa），必须采取区域防突措施后，方可掘进或回采。保护层开采和专用瓦斯巷预抽是区域防突的主要措施。该矿井影响区域防突措施选择的主要因素有：

图1上保护层开采对被保护煤层的卸压瓦斯抽采效果图

1）主采的1#、7#、8#、11#、14#煤层均有突出危险性，从掘进到回采都必须采取防突措施。由于其他煤层赋存不稳定且层间垂距小，构造及其复杂，导致11#煤层消突专用瓦斯巷层位难以选择。另外，如果选择了专用瓦斯巷预抽11#煤层瓦斯进行消突，在施工专用瓦斯巷的过程中，为了防止误揭煤，需要补充工程和辅助工程较多，机械化水平不高，势必导致掘进效率低下。

2）其他接替采区还在施工开拓巷道，不具备放面条件，如果通过专用瓦斯巷打钻预抽来布置斜井X41106采煤工作面，至少需要1.5a才能将瓦斯巷施工完毕，加上打钻抽采至少还需要0.5a的时间，再进行工作面运输巷、回风巷掘进还需要1.0a时间，这样势必导致3a内占矿井产量45%的采区没有采煤工作面，煤矿的产能无法释放，投入产出不匹配，严重影响企业的可持续发展。综上分析，保护层开采是11#煤层区域防突的主要措施，因此，选择8#煤层作为斜井X41106工作面的保护层，开采上保护层对被保护层的卸压瓦斯抽采效果如图1所示。

4关键上保护层瓦斯抽采技术

4.1工作面瓦斯来源分析

斜井X40806工作面位于斜井四采区北翼，南至斜四采区井筒保护煤柱线，所采煤层是上煤组8#煤层。与地表最大高差为695.6m，最小高差为579.1m。工作面走向长平距727m，倾斜长157m，煤层倾角11°～16°。煤层结构复杂，断层及层间滑动构造影响，伴生构造发育且极为复杂，煤层厚度1.55～0.28m。斜井X40806综采工作面瓦斯涌出主要来源为上邻近层7#煤层和下邻近层11#煤层及本煤层，预测生产时期的瓦斯涌出量为33.07m3/min（其中，本煤层4.5m3/min，上覆煤层6.15m3/min，底板涌出22.42m3/min），实际生产过程瓦斯涌出量达到61m3/min。可见，在X40806工作面回采期间，工作面瓦斯涌出来源除本煤层外，还来自上下邻近层瓦斯。因此，X40806工作面回采过程中，必须施工穿层钻孔对上下邻近层卸压瓦斯进行抽采，减少邻近层卸压瓦斯涌入X40806工作面，防止X40806工作面瓦斯超限。

4.2X40806综采工作面瓦斯抽采方案

根据X40806工作面瓦斯涌出和瓦斯来源情况，分别采取底板穿层预抽下邻近层采动卸压瓦斯、顶板钻孔抽采上覆煤层裂隙瓦斯、采空区埋管抽采采空区瓦斯等抽采方式。

4.2.1底板穿层预抽下邻近层采动卸压瓦斯

图2顶底板拦截钻孔布置示意图

在X40806工作面运输巷和回风巷分别布置底板穿层预抽钻孔，对邻近煤层的卸压瓦斯进行拦截抽采，确保工作面瓦斯浓度不超限。钻孔布置如下：钻场间距50m，每个钻场内布置2排扇形钻孔，钻孔开孔位置距煤层底板200～300mm，开孔间距500mm，钻孔孔底间距10m，钻孔直径为65～75mm，扩孔孔径115mm，封孔9m。第1排钻孔深为110m，第2排钻孔深为80m，钻孔穿过11#煤层底板5m，控制工作面倾斜方向运输巷往上（下）80m范围。底板穿层钻孔布置如图2所示。

4.2.2顶板钻孔抽采上覆煤层裂隙瓦斯

在X40806工作面回风巷钻场内施工顶板高位钻孔，对采空区裂隙带高浓度瓦斯进行抽采。钻孔布置如下：钻场间距50m，每个钻场内布置2排钻孔，每排钻孔分别施工7个钻孔，上排孔深120m，下排孔深100m，钻孔孔底控制层位为顶板裂隙带内和工作面的上隅角附近，高度控制在8#

煤层顶板30m左右，终孔间距8m，控制回风巷往下40m范围。顶板高位钻孔布置如图2所示。

4.2.3回风巷留管抽采采空区瓦斯

沿回风巷在巷道上帮安装瓦斯管进入采空区，回采期间采用低负压抽采系统对采空区进行瓦斯抽采，管径为Φ300mm螺旋钢管，间隔30m安装一个带蜂窝状的“T”形三通并留调节闸阀，保证采空区瓦斯进入抽采系统，减少上隅角及回风流的瓦斯涌出量。利用回风隅角埋管抽采采空区瓦斯时，在工作面回采过程中应及时延接迈步管保证抽采效果，及时构筑隔离墙提高采空区抽采瓦斯浓度。

4.3瓦斯抽采效果分析

1）通过采取以上措施，底板穿层钻孔抽采主管瓦斯浓度56%，混合瓦斯流量28m3/min，抽放纯量15.68m3/min；顶板高位钻孔抽采主管瓦斯浓度46%，混合瓦斯流量21m3/min，抽放纯量9.66m3/min；采空区留管抽采主管瓦斯浓度35%，混合瓦斯流量75.16m3/min，抽放纯量26.3m3/min。综上，X40806工作面瓦斯抽采纯量达到51.6m3/min，抽采率达到84.6%，杜绝了瓦斯超限。

2）X40806工作面生产原煤23.16万t，有效保护11#煤层128万t。少施工专用瓦斯抽采巷1680m，节约资金

2016万元。

3）减少采煤工作面脱节时间1a以上，11#煤层提前出面1.5a以上。

4）抽采的瓦斯除作为矿区6200户职工家属燃气供应外，每月确保瓦斯发电150.75万kW·h。

5结束语

通过8#煤层关键上保护层开采，使下部被保护层11#煤层瓦斯压力得到一定的释放，同时在保护层开采期间施工底板拦截钻孔抽采被保护层卸压瓦斯，提前对被保护层进行预抽，被保护层瓦斯含量进一步降低，并在保护层实施本层预抽、采空区埋管预抽等方法，保证了X40806工作面安全回采，同时提前对被保护层工作面X41106工作面进行预抽，解决了X41106工作面放面期间的防突问题，对矿井安全高效生产具有重要的意义，对采掘接续起到积极的作用，也将对水城矿区乃至西南片区其他有突出危险的煤层开采和区域性消突具有普遍的指导意义和推广应用价值。

参考文献：

[1]姚晓旭.近距离煤层群首采上位被保护层工作面瓦斯运移规律及治理研究[D].湖南科技大学，2017.

[2]李兴.近距离煤层群瓦斯抽采技术优选及抽采模式研究[D].湖南科技大学，2016.

[3]程志恒.近距离煤层群保护层开采裂隙演化及渗流特征研究[D].中国矿业大学（北京），2015.