★ 煤矿安全 ★
近距离突出煤层群首采面瓦斯综合治理技术应用
随着开采深度的不断增加,煤层瓦斯压力、瓦斯含量和地应力增大,煤与瓦斯突出和冲击地压灾害日趋严重[1]。且由于深井地质条件复杂多变，瓦斯突出诱发的瓦斯异常涌出在不同地点呈现非均衡性特征，增加了回采期间瓦斯治理难度。对于突出矿井煤层群开采过程中，普遍认为开采保护层是最经济、最有效的区域防突措施，但在煤层间距小于10 m的近距离煤层群开采条件下，若上保护层超前开采后，被保护煤层底板下方15～25 m深度范围内的煤岩层受采动影响形成底鼓断裂带，范围内的煤岩层发育有沿层理的顺层裂隙与垂直、斜交层理的穿层裂隙，煤岩层透气性系数大幅增加，被保护层卸压瓦斯在煤层瓦斯压力与保护层通风负压作用下，通过穿层裂隙渗流至保护层回采空间，经过工作面回风隅角向工作面回风流中涌出，造成回采工作面上隅角瓦斯频繁超限，给安全生产带来安全隐患[2-7]。当保护层和被保护层都具有突出危险时，工作面瓦斯治理难度将会异常增大，回采期间面临着瓦斯突出和瓦斯涌出超限两大难题[8]。
1 复杂地质条件下近距离煤层群赋存特点
根据煤层赋存、瓦斯参数测定结果及工作面瓦斯涌出量预测结果和开采条件综合分析，依兰三矿具有以下特点：
(1)开采深度深。井筒深度均大于700 m，开采深度在400～1200 m之间，矿井设计水平标高为-595 m。作为矿井首采区的一采区最浅煤层埋深也在400 m以上。随着开采的继续，矿井将进入深部开采的行列。
(2)近距离煤层群开采。该矿共计4层煤可采，各煤层间距均在10 m以内，无论先开采哪一煤层，其余煤层均在卸压范围内，邻近层瓦斯势必涌向开采空间，首采层瓦斯涌出量最大。
(3)矿区地质构造复杂，煤岩体松散软弱，煤层赋存及伴生条件复杂。矿区发育有北东向和北西向等一系列断裂构造发育，受断裂构造的影响，井田内各煤层形成一系列走向长约500～1200 m的区域块段。区内褶皱、断层发育。断层落差较大，一般都在50 m以上。该矿断层发育，断层附近可能会出现煤层瓦斯压力变大的情况。
(4)可采煤层的顶底板岩性以油页岩为主,泥岩、砂质泥岩及粉砂岩极易风化为碎块及土状。顶底板岩石质量等级较差，属软弱岩类，煤层顶板为不稳定～稳定性中等，对于瓦斯抽采钻孔施工影响较大。
(5)煤层瓦斯压力大。该矿实测4个可采煤层瓦斯压力均超过0.74 MPa，具有煤与瓦斯突出的可能性。
(6)首采工作面瓦斯涌出量较大。从首采面瓦斯涌出量预测结果来看，首采层的瓦斯涌出量都远大于下一个开采层，首采层的瓦斯治理难度较大。
2 首采面瓦斯治理技术路线及开采顺序分析
2.1 瓦斯治理技术路线
瓦斯抽采应结合消突工作，根据瓦斯涌出源及开采布置情况，采用本煤层预抽、顶(底)板巷穿层钻孔预抽邻近层瓦斯及采空区抽采等相结合的综合瓦斯抽采方法。工作面的抽采，应在采掘之前就进行预抽卸压。采空区瓦斯抽采的方法较多，最常用的抽放方法为高位钻孔、采空区埋管抽放、顶板高抽巷、高位预埋立管抽放和顶板走向巷道等方法[9]。若采取顶板高抽巷消突，就选用高抽巷密闭抽采；若采用底板巷道消突，则选用高位钻孔抽采和采空区埋管。工作面瓦斯综合治理技术研究路线见图1。
图1 瓦斯综合治理技术路线图
根据以上特点，依兰三矿的瓦斯治理首先是消突，其次是开采期间瓦斯治理。防治煤与瓦斯突出应坚持“区域防突措施先行、局部防突措施补充”，区域防突措施应首选保护层开采，该矿具备保护层开采的条件。保护层开采应优先选择上保护层开采。该矿属于近距离煤层群开采，首采工作面回采期间3个邻近层和采空区的瓦斯会大量涌入开采空间，因此，开采期间应以采空区和邻近层抽采为主。
2.2 开采顺序分析
根据现有测试结果来看，中煤层最大瓦斯压力为1.4 MPa，瓦斯放散初速度最大值为11.2，煤的坚固性系数最小值为0.48，破坏类型为III类，中煤层可以认定为突出煤层；上1煤层最大瓦斯压力为1.23 MPa，上2煤层最大瓦斯压力为0.95 MPa，下煤层最大瓦斯压力为1.58 MPa。根据《矿井瓦斯等级鉴定暂行办法》，该矿上1、上2、中、下4个煤层应该按突出煤层管理，矿井按突出矿井管理。突出矿井的瓦斯治理应坚持区域防突措施先行、局部防突措施补充的原则。
2.2.1 从保护层开采的角度分析
结合该矿的煤层赋存情况，中煤层作为主采煤层，应优选上1或上2 煤层作为保护层开采。如果上1、上2和下煤层均有突出危险性，则可考虑将上1煤层作为保护层开采，原因是从防治煤与瓦斯突出角度分析首采上1煤层有利于各煤层的消突，而且上1煤层采完后再采上2煤层时，在卸压范围内的上2煤层在经过区域验证后无突出危险情况下可以不对上2煤层回采工作面进行预抽，可以减少预抽钻孔工程量。
保护层的选择原则中规定“开采下保护层时，不得破坏被保护层的开采条件”，根据该矿各煤层层间距，分别开采上2、中、下煤层作为保护层时，均破坏了上部煤层的开采条件，因此，应先开采上1煤层作为保护层，然后自上至下依次开采下部各煤层。
2.2.2 保护层开采后的残余瓦斯压力分析
从上1煤层作为保护层开采消除被保护层瓦斯突出危险性来看，上1煤层开采后，上2煤层残余瓦斯压力为0.28 MPa，中煤层残余瓦斯压力0.84 MPa，下煤层残余瓦斯压力1.4 MPa，采上2煤层后中煤层残余瓦斯压力0.45 MPa，下煤层残余瓦斯压力0.98 MPa。从残余瓦斯压力来看，首采上1煤层，然后从上至下依次开采，能够消除被保护层的突出危险性。
2.2.3 从瓦斯涌出量预测结果分析
将上1煤层作为保护层开采后下部煤层回采期间工作面瓦斯涌出量明显减小，有利于瓦斯治理；首采上2煤层，对比上1煤层瓦斯涌出量最大，若只靠通风解决需要增加将近2000 m3/min风量，若抽采解决需要增加250 m3/min的抽采量；首采中煤层时本煤层瓦斯涌出量加大，且中煤层透气性不好，本煤层若不采取增透措施，能抽出的瓦斯量有限，而且要增大抽采量，预抽时间需要加长，影响开采进度。因此，从瓦斯涌出量大小和瓦斯治理难度的角度来看，首采上1煤层，然后从上至下依次开采较为合理。
3 首采面瓦斯综合治理方案
根据《煤矿安全规程》(2016)第208条规定，开采保护层时，应当同时抽采被保护层和邻近层的瓦斯。根据涌出量计算可知，即使上1煤层采完后，上2煤层工作面瓦斯涌出量也较大，为兼顾到上2煤层回采期间的瓦斯治理，同时综合考虑施工钻孔的经济性，选择在上1煤层顶板布置高抽巷施工下向钻孔对上1、上2煤层同时进行抽放，这样有利于上2煤层回采期间的瓦斯治理工作。
在首采面回采前首先以消除两条巷道及接替工作面运输巷道的煤与瓦斯突出危险为主，利用高抽巷施工上向网格式穿层钻孔解放首采面两条巷道后，在两条巷道施工平行钻孔预抽回采工作面煤层瓦斯，实现首采面的区域消突。结合矿井实际情况，消突方案可以考虑选择以下三类方案之一，即方案一：倾向顶板高抽巷网格式穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯+顺层钻孔预抽回采区域瓦斯；方案二：倾向底抽巷网格式穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯+顺层钻孔抽回采区域煤层瓦斯；方案三：千米定向钻机预抽中煤层巷道区域瓦斯+中煤层穿层钻孔预抽上1煤层条带瓦斯。考虑到近距离煤层群开采时受采动卸压影响，邻近煤层及围岩的瓦斯将有大部分涌向开采空间，即使首采面两条巷道消突后回采期间的瓦斯治理必然是一个难点。综合考虑，回采期间瓦斯治理采用高抽巷密闭抽采采空区和邻近层瓦斯、高位钻孔抽采采空区瓦斯、采空区埋管抽采采空区瓦斯等方法。
通过分析对比首选方案三：千米定向钻机预抽中煤层巷道区域瓦斯+中煤层穿层钻孔预抽上1煤层条带瓦斯。该方案可在现有大巷内施工，不用单独施工岩石巷。由于中煤层赋存稳定，厚度在6 m左右，可以先利用千米钻机具有导向功能的特点在回风大巷中煤层施工顺层钻孔，钻孔均匀布置并使最外侧钻孔距离巷道两侧轮廓线外15 m，优先解放中煤层首采面的两条巷道，利用中煤层两条巷道每隔30 m布置一个钻场，向上1煤层打穿层钻孔，这样既可以将中煤层采面提前圈出来，又可以对上1煤层进行区域预抽，从而解放上1煤层瓦斯。钻孔开孔间距0.5 m，钻孔终孔间距5 m。穿层钻孔的封孔段长度不得小于5 m，进行上1、上2煤层瓦斯预抽，钻孔在见煤点呈网格式布孔，并在预抽煤层的范围内均匀分布，钻孔要求穿透煤层全厚，使整个区段都在钻孔控制范围之内。千米钻机预抽中煤层巷道瓦斯+穿层钻孔预抽上1煤层条带瓦斯预抽孔布置具体情况如图2所示。
图2 千米钻机预抽中煤层巷道瓦斯+穿层钻孔预抽上1煤层条带瓦斯预抽孔布置示意图
在上1煤层工作面回采期间，在工作面运输、回风巷道每隔5 m距离施工平行钻孔，钻孔平均长度65 m，使两侧钻孔保持5 m搭接距离，并进行回采工作面煤层瓦斯预抽。平行钻孔预抽回采区域瓦斯抽采钻孔布置如图3所示。
图3 平行钻孔预抽回采区域瓦斯抽采钻孔布置图
通过工作面瓦斯涌出量计算可知，在回采期间瓦斯主要来自于邻近层和采空区，为截取上邻近层的瓦斯向回采空间涌出，可以通过回风巷道布置钻场施工高位下向钻孔抽采上2煤层瓦斯。高位下向钻孔抽采邻近层和采空区瓦斯情况如图4所示。
图4 高位下向钻孔抽采邻近层和采空区瓦斯示意图
4 瓦斯综合治理效果分析
4.1 千米钻机长钻孔抽采负压与抽采量的关系
如图2所示，利用千米钻机共计施工8个长钻孔进行预抽，钻孔平均长度760 m。以其中具有代表性的3#钻孔为例，钻孔抽放浓度为80%以上，抽采负压为20.5 kPa，抽采纯量大部分时间维持在70 m3/min。随着抽采时间的增加，钻孔瓦斯抽采量越来越小[10]。3#钻孔抽采负压与抽采量关系如图5所示。
图5 抽采流量、浓度与负压关系
4.2 穿层钻孔预抽上1煤层条带瓦斯前后首采面瓦斯浓度对比
利用千米钻机施工长钻孔预抽能够保证中煤层两条巷道掘进期间的消突，在首采面两条巷道施工前还要在中煤层两条煤巷施工穿层钻孔预抽上1煤层条带瓦斯，从而保证上1煤层首采面巷道的掘进和回采前预抽。预抽后中煤层两条巷道瓦斯浓度明显下降，回风流瓦斯体积分数基本稳定在0.4%以下，巷道总风量由2400 m3/min降至1650 m3/min，工作面通风能力和安全生产保证系数大幅提高[11]。中煤层巷道抽采前后瓦斯浓度对比曲线如图6所示。
图6 中煤层巷道抽采前后瓦斯浓度对比曲线
5 结论
(1)首采面布置在上1煤层有利于区域消突及回采期间瓦斯治理，通过施工千米定向钻机预抽中煤层巷道区域瓦斯+中煤层穿层钻孔预抽上1煤层条带瓦斯能够较好对中煤层两条巷道进行消突，回采期间工作面采用高位钻孔+顺层钻孔的治理瓦斯方法。
(2)采用以上瓦斯治理方法能够有效解决工作面瓦斯超限，达到了区域消突的目的，能够有效持续抽采。千米钻机长钻孔抽放浓度维持在80%以上，回风流瓦斯体积分数基本稳定在0.4%以下。
(3)针对极复杂地质条件下高瓦斯突出煤层群开采，采用多种方法立体式联合抽采的瓦斯治理模式，有效的保证了保护层和被保护层安全回采，建立了适用于该矿的瓦斯治理体系。
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