黄白茨煤矿9#、10#近距离煤层综合瓦斯治理技术

陈宾

(中煤科工集团重庆研究院，重庆 400037)

黄白茨煤矿9#、10#近距离煤层综合瓦斯治理技术

陈宾

(中煤科工集团重庆研究院，重庆 400037)

针对黄白茨煤矿9#和10#近距离煤层开采时的瓦斯超限问题，在分析9#煤层开采底板破裂规律、对其开采顶板三带进行数值模拟以及确定工作面瓦斯来源的基础上，提出9#煤层采前定向长钻孔预抽、开采期间顶板走向高位水平长钻孔抽采，10#煤层卸压拦截抽采、采面采掘期间上下顺槽上向钻孔抽采及两煤层采空区埋管抽采的综合瓦斯治理技术方案。效果分析结果表明，正常通风情况下，9#煤层回风巷、上隅角瓦斯体积分数分别保持在0．36%和0．50%左右。该方案有效解决了9#和10#近距离煤层开采时的瓦斯涌出问题，为类似矿井的瓦斯治理提供了参考。

瓦斯治理;近距离煤层;定向长钻孔;高位水平长钻孔;卸压拦截抽采

收稿日期:2012－12－19
第一作者简介:陈 宾(1981－)，男，山西省运城人，工程师，硕士，研究方向:采矿工程，E-mail:binchenaust@163．com。

神华集团乌达黄白茨矿业有限责任公司(以下 简称黄白茨煤矿)隶属于神华乌海能源有限公司，地处内蒙古自治区西部乌海市，矿井设计生产能力为120万t/a，服务年限为52 a。该矿主采的9#和10#煤层层间距约为3.5 m，两煤层相对瓦斯含量均达到8 m3/t左右，局部区域达到11 m3/t左右。目前，该矿先行开采上覆的9#煤层。由于两煤层距离较近，9#煤层开采时，除本煤层瓦斯涌出外，其下伏的10#煤层会有大量的卸压瓦斯涌至9#煤层工作面，造成工作面瓦斯超限，给安全生产带来隐患。为有效治理9#煤层开采时的瓦斯超限问题，根据该矿地质条件，分析9#煤层开采顶底板破裂规律，确定工作面瓦斯来源，并在此基础上提出有效的瓦斯抽采方法。

1 开采顶底板破裂规律及瓦斯来源

1．1 开采底板破坏裂隙规律

9#煤层开采时工作面的四个应力区带中，沿工作面推进方向，瓦斯渗流能力的变化为，原始渗流区(原始应力区)→渗流减速减量区(压缩区)→渗流急剧增速增量区(卸压膨胀陡变区)→渗流平稳增速增量区(卸压膨胀平稳区)[1]，如图1所示。

图1 煤层开采时底板应力与破坏裂隙分布规律Fig．1 Floor stress and crack distribution law when exploiting coal seam

由图1可知，煤柱区煤层底板应力一直处于上升(增压)状态，底板煤岩体处于压缩状态;而在采空区下方底板应力总是处于下降(卸压)状态，底板煤岩体处于膨胀状态，且随着工作面推进重复出现。在压缩区与膨胀区的交界处，底板岩体容易产生剪切变形而发生剪切破坏;处于膨胀状态的底板岩体则容易产生离层裂隙及破断裂隙。所以，岩体在煤柱边缘区内最容易产生裂隙并发生破坏。煤层底板受开采矿压作用，岩层连续受到周期性破坏，其底板导气性也发生明显变化，下部卸压瓦斯将沿着裂隙以扩散和渗流的方式进入上部采掘作业空间[1－2]。

1.2 开采顶板三带数值模拟

9#煤平均厚度为2.19 m，倾角10°，顶板为黏土岩，底板为页岩，容重1.3 t/m3;10#煤平均厚度为2 m，倾角10°，顶板为黏土岩，底板为砂质页岩，容重1.45 t/m3。利用ANSYS大型有限元软件对9#煤层工作面开采时的顶板三带高度进行数值模拟分析。根据最大主应力、最小主应力及剪应力变化判断垮落带、断裂带、整体弯曲下沉带的范围。图2为工作面推进170 m时的最大主应力、最小主应力及剪应力云图。

图2 工作面推进170 m时的应力云图Fig．2 Stress nephogram when working face advancing 170 meters

由图2可以初步判断，乌达矿区9#煤层垮落带最大高度约为8.7 m，裂隙带最大高度约为25.9 m，其上覆岩体属整体弯曲下沉带。

1.3 回采工作面瓦斯来源

因工作面采动影响，9#开采煤层的顶、底板在一定范围内会形成大量裂隙，这些裂隙为邻近煤层的泄压瓦斯提供了涌至回采工作面的通道和空间[3]。瓦斯密度约为空气密度的0.55倍，上浮时在采空区、工作面或裂隙带内向上运动，随着工作面的推进，下邻近煤层的大量泄压瓦斯会涌向该工作面及其采空区。如图3所示，邻近层卸压瓦斯涌到采空区后经漏入采空区的微弱风流带入回采工作面，在回采工作面与回风巷交界处形成一片高浓度瓦斯积聚区域(上隅角瓦斯积聚区域)，从而造成瓦斯超限。

图3 上、下邻近层的瓦斯向采空区的流动Fig．3 Gas’s flow to gob between adjacent coal seam

2 综合瓦斯治理方案及效果分析

2．1 综合瓦斯治理方案

根据9#煤层回采工作面瓦斯超限原因，提出9#煤层采前定向长钻孔区域预抽、顶板走向高位水平长钻孔抽采，10#煤层卸压抽采、工作面顺槽上向钻孔抽采，采空区埋长短双管抽采的瓦斯治理方案[4－7]。

(1)9#煤层工作面采前走向顺层长钻孔预抽

采用定向钻机施工分段走向顺层长钻孔对9#煤层工作面区域进行预抽，钻孔孔径一般为93 mm，抽采半径为10 m，具体方案如下:

①在工作面下顺槽巷道开口位置施工走向顺层钻孔。设计三个钻孔，孔底间距为15 m，其中一个钻孔位于顺槽中部，其余两个钻孔位于巷道的上帮和下帮区域。上述三个钻孔施工结束后，再施工工作面区域内的走向顺层钻孔(图4a)。

图4 分段走向顺层钻孔抽采方案钻孔布置Fig．4 Borehole layout of subsection consequent landside gas extraction plan

②施工第二分段抽采钻孔。下顺槽加强抽采，待该区域抽采达标后，先行掘进下顺槽，第一分段顺槽掘进到位后，施工第二分段抽采钻孔(图4b)。

(2)10#煤层卸压拦截抽采

根据瓦斯涌出量计算，9#煤层回采时，工作面瓦斯涌出有60%以上来自10#煤层卸压瓦斯，因此，在9#煤层回采工作面的运输顺槽布置2～3个钻场，利用千米钻机施工10#煤层的走向顺层长钻孔，对该煤层的卸压瓦斯进行拦截抽采[8]，钻孔布置如图5所示。

图5 10#煤层走向顺层长钻孔瓦斯抽采钻孔布置Fig．5 Borehole layout of long borehole coal consequent landside gas extraction plan

(3)9#煤层回采面顶板走向高位水平长钻孔抽采

根据近距离煤层群特点、顶底板岩性、工作面回采高度、数值模拟结果确定9#煤层工作面上覆岩层三带高度，同时参考类似工作面高位钻孔应用经验[9]，在9#煤层工作面顶板裂隙带内，共布置2～3组不同层位的钻孔，每组钻孔2～3个，控制在与回采工作面距回风巷30～45 m的位置[6]。

(4)10#煤层工作面上、下顺槽上向钻孔抽采

在10#煤层采掘期间，该煤层工作面上覆的9#煤层采空区内积聚有大量瓦斯，为避免回采时9#煤层采空区瓦斯回流至10#采掘工作面，影响安全生产，在10#煤层工作面上、下掘进顺槽内，紧跟10#煤层掘进头，每隔20 m布置一个钻场，每个钻场内向上部采空区施工两个钻孔，孔深一般为6 m，如图6所示。其中，1#钻孔与运输巷进风方向夹角为135°，2#钻孔与运输巷进风方向夹角为45°，每个钻场中的两个钻孔开孔位置不小于1 m[6]。

图6 10#煤层工作面上、下顺槽抽采上部采空区钻孔布置Fig．6 Borehole layout of adjacent top crossheading gas extraction plan

(5)回采面上隅角埋管抽采

由于9#煤层回采期间瓦斯涌出量大，黄白茨煤矿在该工作面回风巷内(上侧)敷设长短两趟抽采管，管径均为219 mm。随着工作面的推进，一趟抽采管管口保持伸入采空区不超过30 m，另外一趟抽采管管口保持伸入采空区不超过6 m，将采空区瓦斯抽出[6]。

在10#煤层工作面回风巷内(上侧)敷设抽采管，抽采管前端兼作埋管，管径设计为219 mm，随着工作面的推进，抽采管管口保持伸入采空区不超过30 m，将采空区瓦斯抽出。

2.2 效果分析

黄白茨煤矿在采用上述瓦斯抽采方法后，有效解决了9#和10#近距离煤层开采时瓦斯涌出问题。9#和10#煤层回采工作面在正常通风情况下，回风瓦斯体积分数保持在0.36%左右，上隅角瓦斯体积分数保持在0.50%左右，并且未出现瓦斯超限等异常情况。

3 结束语

在分析9#煤层开采底板破裂规律、煤层开采顶板三带及煤层开采时工作面瓦斯涌出来源的基础上，提出以9#煤层采前定向长钻孔区域预抽、回采期间顶板走向高位水平长钻孔抽采，下伏10#煤层卸压拦截抽采、工作面采掘期间顺槽上向钻孔抽采及采空区埋长短双管抽采的综合治理技术方案。该方案能够有效解决黄白茨煤矿9#和10#近距离煤层开采时的瓦斯涌出问题，为矿井安全高产提供了技术支持，同时也为其他类似矿井的瓦斯治理提供了参考。

[1] 翟 成．近距离煤层群采动裂隙场与瓦斯流动场耦合规律及防治技术研究[D]．北京:中国矿业大学，2008:25－27．

[2] 周世宁，林柏泉．煤层瓦斯赋存与流动理论[M]．北京:煤炭工业出版社，1999．

[3] 欧阳广斌．近距离保护层开采瓦斯运移规律[J]．煤炭科学技术，2008(9):50－52．

[4] 袁东升，张子敏．近距离保护层开采瓦斯治理技术[J]．煤炭科学技术，2009(11):48－50，62．

[5] 王世森．深部高瓦斯保护层工作面瓦斯综合治理技术[J]．煤矿安全，2009(6):14－17．

[6] 李文庆，王 振，冀超辉，等．近距离煤层群开采综合瓦斯治理技术[J]．中州煤炭，2012(10):106－108．

[7] 赵旭生，孙东玲．定向长钻孔综合抽放瓦斯方法[J]．煤炭科学技术，2001(3):13－15．

[8] 张景飞，郭德勇，张建国．综采工作面卸压瓦斯抽放技术的应用研究[J]．矿业安全与环保，2004(2):4－5，12．

[9] 张景飞，郭德勇，丁开舟．高位钻孔瓦斯抽放技术应用的研究[J]．煤矿安全，2004(7):5－7．

(编辑 荀海鑫)

Comprehensive gas control technology of 9#and 10#closed distance coal seam in Huangbaici coal mine

CHEN Bin
(Chongqing Research Institute of China Coal Technology＆Engineering Group Corporation，Chongqing 400037，China)

Aimed at addressing gas overrun occurring during the mining period in the 9#and 10#closed distance seams in Huangbaici coal mine，this paper describes an analysis of the floor demolish regulars of 9#coal seam，offers a simulation of three ceiling bands of 9#coal seam roof and determination of the sources of working face gas，and above all，proposes a comprehensive gas control scheme dominated by pre-mining drainage with directional long borehole drilling in 9#coal seam，drainage with roof strike high position horizontal long borehole drilling during mining，drainage with buried pipeline in the goaf and release of the pressure to intercept gas in 10#coal seam，drainage with upward drilling hole in two cross-headings during exploiting．Results show that，in the case of the normal ventilation，gas volume fraction is kept at 0．36%and 0．50%in return airway and upper corner．The scheme proves an effective solution to gas emission occurring during 9#and 10#closed distance coal seam mining and serves as reference for gas control in similar mines．

gas control;close distance seams;directional long borehole drilling;high position horizontal long borehole drilling;drainage with pressure relief interception

10．3969/j．issn．1671－0118．2013．01．002

TD712

1671－0118(2013)01－0006－04

A