高突煤层群卸压瓦斯定向抽采技术与实践

高 明，李志亮，陈 亮，高浩斌，程志恒，曹家琳

(1. 潞安化工集团有限公司 阳泉五矿，山西 泉阳 045099；2. 华晋焦煤有限责任公司 沙曲一号煤矿，山西 吕梁 033399；3. 华北科技学院 矿山安全学院，北京 东燕郊 065201；4. 华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201；5. 华北科技学院 经济管理学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

据统计，我国高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井占比31%[1]，2021年度我国原煤产量达到41.3亿吨，同比增长5.7%，随着开采深度和强度持续性增加，浅埋单一煤层资源逐渐减少，煤层群开采备受重视[2]，但是由于其采场卸压瓦斯涌出量大、涌出源分散，极易造成采掘工作面瓦斯超限。因此，高突煤层群开采卸压瓦斯高效抽采[3-6]的意义重大。

针对煤层群开采瓦斯抽采理论与技术研究，前人学者做了大量研究。袁亮等[7]研究了淮南矿区保护层开采效果，指出多次采动的叠加卸压效应大于单一煤层，程志恒等[8]分析了近距离煤层群采动裂隙演化及卸压瓦斯运移规律，得出双重卸压强度和瓦斯富集度均大于单一煤层。程远平等[9]研究了上(下)保护层开采+顶(底)板岩巷穿层钻孔群抽采技术。袁亮等[10]实践了保护层无煤柱开采+底抽巷穿层钻孔群抽采。张铁岗等[11]指出优选顶板薄岩层作保护层开采，卸压抽采效果明显。近年来随着瓦斯抽采技术与装备发展，地面面井和定向钻机逐渐被推广应用[12.13]。李国富等[14]在晋城矿区成功时间了直井、L型井及丛式井+井下区域递进式预抽；薛俊华等[15]研究了保护层开采+采动地面井与井下抽采技术的应用效果；苏士龙等[16]研究了上保护层开采+底抽巷定向长钻孔群区域立体抽采方法。贺天才等[17]研究了地面L型井分段压裂、井下长钻孔水力压裂等井上下增透促抽技术；鲜保安等[18]分析了应用多分支水平井技术抽采煤矿区煤层群瓦斯的可行性。上述研究多采用地面井、井下顺层+穿层钻孔逐层抽采瓦斯，针对煤层群条件下本煤层和上、下邻近层卸压瓦斯运移规律及区域协同抽采研究较少，且相应定向长钻孔的形态设计、孔径、孔间距等参数难以确定，缺乏合理的科学依据。马美超等[19]利用Fluent软件模拟采空区不同工作面风量以及工作面长度情况下,综采面U型通风方式下采空区流场分布、瓦斯运移规律,得到高瓦斯综放工作面采空区流场和瓦斯分布规律,以及影响采空区瓦斯浓度的因素主要和进风量之间的关系。孟祥军等[20]分析了采动上覆岩层的裂隙发育形态特征和演化趋势,且运用经验公式对微震监测结果加以验证,并结合监测结果对高位钻场瓦斯抽采参数进行了优化,检验了卸压瓦斯抽采效果。

笔者以沙曲一矿煤层群开采为例，基于2号煤层开采过程沿倾向和走向卸压保护范围及采动裂隙分析，研究2号煤层和下邻近层(3+4#、5#煤层)卸压瓦斯运移及富集规律，以确立2号煤层本煤层、采动裂隙带以及3+4#煤层卸压瓦斯定向长钻孔高效抽采的关键技术参数，并进行了工程试验验证。

1 矿井概况

沙曲一矿属于典型的突出煤层群开采，可采煤层7层(图1)，即山西组2#、3+4#、5#煤层，太原组6#、8#、9#、10#煤层，当前主采2、3+4#煤，为稀缺的优质主焦煤，素有“中华瑰宝”之称。矿井主要采用综采倾斜长臂采煤法，全部垮落法管理顶板，分区式通风方式年设计产能为5 Mt/a，2021年全矿井绝对瓦斯涌出量221.31 m3/min,相对瓦斯涌出量为46.98 m3/t，山西组各煤层瓦斯基础参数实测平均值(包括煤层瓦斯含量W，瓦斯压力P，坚固性系数f以及瓦斯放散初速度△p)见表1。

图1 沙曲一矿山西组可采煤层柱状图

表1 沙曲一矿各煤层瓦斯参数表

沙曲一矿瓦斯赋存复杂且瓦斯涌出量较大，呈现“层层突出”、“近距离煤层群”、“一层开采多层卸压”等特点，瓦斯治理难度艰巨，传统的逐层分治效果不佳，瓦斯超限频繁，严重制约矿井产能(实际产能仅为3 Mt/a)，亟需开展针对本煤层和邻近层卸压瓦斯的协同高效抽采。

2 采动卸压瓦斯运移规律

为进一步研究2号煤层开采过程本煤层卸压瓦斯以及下部3+4、5#煤层卸压瓦斯运移规律，以矿井2201工作面为例，其几何尺寸为1538 m×150 m，也是沙曲一矿2#煤层首采面，区内煤层整体受控于向西缓倾伏并呈单斜构造，倾角为4°，对应标高为+396～+486 m，厚度约为1.1 m。该工作面采用无煤柱沿空留巷方式采煤，通风方式为Y型通风，该工作面下方3+4#煤层的4208工作面顺槽正在掘进中，5#煤层尚未开采。工作面布置见图2，采用分源预测法计算工作面瓦斯涌出量得出，当工作面日产量为871.4t时，本煤层瓦斯涌出量6.48 m3/min，占比27.1%，邻近层瓦斯涌出量17.42 m3/min占比72.9%。说明被保护层卸压瓦斯大量涌入2201工作面，造成瓦斯量涌出量偏高，在采用传统本煤层瓦斯抽采方法时，上隅角瓦斯平均浓度0.65，瓦斯超限经常出现，制约了回采面日产量。

图2 2201工作面布置图

2.1 本煤层采动卸压瓦斯运移规律

为了系统分析2#煤层采动卸压瓦斯三维运移规律，以工作面切巷与回风巷交汇处为原点，沿工作面推进方向为X轴，沿切巷方向为Y轴，垂直方向为Z轴，建立三维坐标系。

(1) X轴方向上的卸压瓦斯运移规律

2#煤层作为上保护层开采，下邻近层(3+4#、5#煤层)卸压瓦斯经过解吸-运移并涌向2#煤层回采工作面。沿X轴推进方向邻近层卸压瓦斯涌出过程可划分为卸压瓦斯开始期、活跃期和衰退期。如图3所示，受采动底板破断步距的影响，卸压瓦斯开始期始于工作面推进30～40 m，随着工作面继续推进，底板破断裂隙逐渐发育并形成贯通裂隙通道，在工作面后方40～90 m区段，卸压瓦斯进入活跃期，裂隙带钻孔终孔水平位置设计在此区间瓦斯抽采效果较佳，浓度可达80%以上；由于采空区顶板周期性破断和压实作用，卸压瓦斯在工作面90 m以深区域涌出量逐渐区域稳定。

图3 沿工作面X方向上卸压示意图

(2) Y轴方向上的卸压瓦斯运移规律

在工作面割煤进刀方向(Y轴)，由于煤层倾角属于近水平(<8°)，故2#煤层开采卸压范围收到一定影响，根据《防治煤与瓦斯突出细则》附录E相关规定，综合分析煤层倾角和底板岩性性质的影响可得出2#煤层开采对下邻近层卸压角，如图4所示，δ1约为76°，δ2约为77°，3+4#、5#煤层与2#煤层垂距分别为10.3 m和15.6 m，均处于底板采动影响范围，卸压瓦斯运移规律整体与X轴方向类似。卸压瓦斯在Y轴方向移动规律也呈现开始期、活跃期和衰退期三段，三段长度受开采卸压角和开采速度影响，瓦斯流动区成非对称性椭抛带形状，并且向煤层倾角反向运移和富集；其中开采速度越快，开始期的瓦斯涌出量越大，且对应的长度缩短。

图4 工作面倾向剖面卸压角示意图

(3) 卸压瓦斯在Z轴方向上的移动规律

随着2#煤层开采，工作面覆岩逐步发生变形破坏，在垂直方向自下而上形成冒落带、裂隙发育带及弯曲下沉带，在切巷附近和弯曲下沉带中部分别形成纵向贯穿裂隙发育区和横向水平裂隙发育区，其中切巷附近的纵向贯穿裂隙与底板采动裂隙沟通形成卸压瓦斯运移通道，采动裂隙发育规律决定了采空区卸压瓦斯空间分布(图5)。

图5 Z轴方向上顶板分带与瓦斯分布图

沿Z轴方向采动三带的裂隙和卸压瓦斯分布特征如下：①冒落带H1，一般由直接顶破断垮落形成，在后期又被上部垮落岩层压实，并与工作面采空区漏风相通，多采用低位巷和上隅角大直径插管抽采该区低浓瓦斯；②裂隙带H2,处于冒落带和弯曲下沉带之间，多由覆岩岩层破断铰接产生大量裂隙，在切巷附近形成大量纵向贯穿裂隙，一直向上发育直至未破坏岩层，该区内裂隙较发育且导通性强，为高浓瓦斯富集区，也是裂隙带抽采的最佳布置层位；③弯曲下沉带H3，由于距离煤层较远岩层所受卸压破坏作用最弱，岩层发生拉伸变形但并未发生整体性破断，水平离层裂隙较发育，但与下部冒裂带的裂隙导通性相对较差，故该区瓦斯富集度较弱，抽采量较少。

2.2 下邻近被保护层卸压瓦斯涌出及其运移分析

近距离煤层群开采的卸压瓦斯主要来源于邻近层，本煤层次之，沙曲一矿属于典型的近距离高突煤层群开采矿井，2#煤层作为上保护层开采，下距3+4#、5#煤层分别为12.3 m和18.7 m，相应的煤层厚度分别为4.62 m和3.6 m，原煤瓦斯含量分别为12.08 m3/t和11.42 m3/t，且可解吸量较大。随着2#煤层开采，底板岩层会发生卸压破坏产生底鼓，并在采动影响深度范围内岩层均发生不同程度变形破坏进而产生大量采动裂隙并相互沟通形成下部邻近层(3+4#、5#)卸压瓦斯运移通道，同时受采动卸压作用下邻近层的瓦斯吸附-解吸平衡被打破，大量可解吸瓦斯通过裂隙通道涌入2#煤层采场空间(图6)。

图6 被保护层瓦斯的运移和储集

底板采动裂隙带一般认为下距底板15～25 m范围，该范围内底板岩层受采动卸压作用发生破坏，采动裂隙较发育，主要形式为沿层理方向的顺层拉张裂隙和破断后产生的高角度(垂直或斜交岩层)纵向裂隙，进而形成底板导流带。底板采动影响深度最深可达50～60 m，该范围内采动裂隙多以水平离层裂隙为主，由于距离煤层较远所受卸压作用越弱，岩层以拉伸变形为主，纵向破断裂隙较少。综合分析可知，3+4#、5#煤层均处于2#煤层开采底板采动裂隙带内，故下邻近层卸压瓦斯可通过采动裂隙通道涌向采场空间，由于下邻近层煤层原始瓦斯含量和煤层厚度均大于2#煤层，故可判定2#煤层采空区和上隅角瓦斯涌出主要来自3+4#、5#煤层，易发生工作面瓦斯超限。上述针对底板采动裂隙的理论分析有利于确定瓦斯运移富集区，并指导2201工作面回采期间下邻近层卸压瓦斯抽采方案。

2.3 瓦斯在裂隙带的运移及其积聚分析

2号薄煤层回采时瓦斯运移与储集主要有两大部分，一部分混在风流中通过通风系统排放到大气中，另一部分储存在采空区孔洞和采动岩层的孔隙或裂隙中，由于瓦斯与周围气体存在的密度差而升浮，同时由于2#煤层采空区浓度自上隅角延伸至其深部瓦斯浓度由0.5%以上，但其下部3+4#和5#煤层的卸压瓦斯浓度基本在初期可维持在90%以上，且后续仍有不断解吸出的游离瓦斯维持高浓期，故本煤层采空区瓦斯与下邻近层卸压瓦斯形成显著的浓度差，在该浓度梯度驱动型下，被保护层卸压解吸的游离瓦斯向上扩散，形成高浓度的瓦斯储集在覆岩的裂隙带内。

图7 采动裂隙内瓦斯的运移与储集

当2号薄煤层开采时，煤层围岩的移动和地应力重新分布，在2号薄煤层的顶底板形成大量的穿层裂隙和离层裂隙，在邻近层和开采层之间通过大量的裂隙连通，提供了瓦斯运移的通道。由表1可知，3+4#、5#煤层原始瓦斯压力分别为1.52、1.4 MPa均大于2#煤层的0.72 MPa，故开采层与被保护层的原始瓦斯压力差为0.68 MPa和0.8 MPa；同时由于2号薄煤层采动卸压作用，2号煤层采空区沿深度方向瓦斯压力从0到趋近于原岩区瓦斯压力，而下邻近3+4号、5号煤层以及岩层中的大量处于高压状态下的吸附瓦斯开始解吸转变为游离状态，邻近煤岩层裂隙内大量的游离瓦斯仍然保持在较高压力状态下，此时邻近层和开采层之间的瓦斯流场的压力梯度大于二者原始瓦斯压力差，进而驱动大量邻近层的卸压瓦斯通过裂隙通道流向保护层开采空间。

2#煤层顶底板采动裂隙时空分布特征随着工作面推进距离发生动态变化，并受采高、岩性和应力条件影响，发育一定范围后停止。根据前述判断，3+4#、5#煤层处于2#煤层底板采动裂隙带内，通过现场观测，2#煤层底板底鼓高度可达10 cm以上，下部岩层卸压变形破坏并产生大量裂隙，这为下邻近层卸压瓦斯涌入回采工作面和采空区提供运移通道。

2#煤层开采顶板裂隙带发育高度为8～10倍采高，而其上部的弯曲下沉带由于岩层以水平拉伸变形为主并未发生纵向破断，进而形成纵向裂隙向上发育边界条件。同时，3+4#、5#煤层卸压瓦斯在扩散和升浮作用下通过底板采动裂隙涌入采场空间，直至顶板采动裂隙带，形成弯曲下沉带下方环形富集区以及切巷上方纵向富集区，也是采动裂隙带钻孔布置的最优区间。

3 煤层群采动卸压瓦斯定向抽采技术

3.1 煤层群采动卸压瓦斯定向抽采原理

综上分析，煤层群采动卸压瓦斯从来源上分为两类：一是来本煤层采空区的卸压瓦斯(煤壁瓦斯、采空区瓦斯)，二是来自本煤层采动后下邻近层中的卸压瓦斯。主采煤层开采后，其采空区遗煤和下邻煤层中的原始应力受到不同程度卸压，导致煤岩体的变形破坏，裂隙增多，透气性增大，同时打破煤层中瓦斯压力平衡状态，造成下部煤层卸压瓦斯沿裂隙涌向本煤层回采工作面，瓦斯易超限。

图8 高突煤层群卸压瓦斯定向抽采示意图

基于高瓦斯煤层群采空区和下邻近层卸压瓦斯运移规律分析，确立了定向长钻孔群采空区裂隙带抽采+下邻近层卸压瓦斯有效拦截的抽采模式(图8)，采用卸压瓦斯定向抽采关键技术在3+4#煤层钻场分别向2#煤覆岩采动裂隙发育区施工穿层钻孔以定向抽采2#煤层及下邻近层3+4#、5#煤层施工穿层下向定向钻孔，当2#煤层回采后有效拦截3+4、5#煤层卸压瓦斯涌向上覆煤层。

3.2 煤层群采动卸压瓦斯定向抽采钻孔设计

在2201工作面回风巷一侧钻场分别向工作面采动裂隙带、本煤层待采区及下邻近层分别布置定向长钻孔群(图9)。①2号煤层本煤层定向长钻孔梳状钻孔抽采，主孔长度l2≥300 m(根据煤层松软程度及成孔率确定长度)，每隔30～50 m开一个分支，分支与主孔夹角为20°～40°，分支长度30～60 m，孔径为Φ105 mm，其中回采工作面区段预抽钻孔为一组12个，孔间距为12 m；掘进面条带预抽钻孔一组5个，孔间距为7 m。②2号煤层采动裂隙带穿层定向长钻孔长度为500 m，孔径为Φ203 mm，每组钻孔 5个，孔间距为16 m，终孔高度为8～10倍采高，约为10～15 m，与回风巷水平内错距离为35～70 m。③下部3+4号煤层穿层定向长钻孔长度l1≥300 m(根据煤层松软程度及成孔率)，孔径为Φ105 mm，其中回采工作面区段预抽钻孔为一组12个，孔间距为15 m；掘进面条带预抽钻孔一组5个，孔间距为7 m。

图9 2201工作面采动卸压瓦斯定向抽采示意图

3.3 煤层群采动卸压瓦斯定向抽采效果

2201工作面开采速度快，日进尺约5 m，日产量达到1077 t，卸压瓦斯涌出量偏大，供风量达2471 m3/min，上隅角易出现瓦斯超限，采用卸压瓦斯分源定向抽采技术后，工作面回风流瓦斯浓度平均0.52%，瓦斯抽采总量增至16.76 m3/min，抽采率超40%，满足《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》中抽采指标要求。

(1) 瓦斯浓度分析

根据2201工作面正常回采期间上隅角和回风流瓦斯浓度变化曲线(图10)可知，采用卸压瓦斯分源定向抽采后，工作面和回风流瓦斯浓度均降到0.6%以下，其中回风流和工作面瓦斯浓度分别降至0.42%和0.22%。

图10 2201工作面正常回采期间瓦斯浓度

由于2201工作面采用沿空留巷开采并对采空区进行了密闭处理，并对下部3+4#、5#煤层卸压瓦斯进行预抽，起到了有效拦截的作用，进而使得工作面及回风巷瓦斯浓度出现明显降低。

(2) 本煤层抽采效果

统计分析2201工作面机轨合一巷1230 m(14#)、1290 m处(15#)钻孔的抽采参数可知，14#钻孔瓦斯浓度平均为31%，节流水柱为35 mmH2O，纯量为0.16 m3/min，孔口抽采负压为4.5 kPa；15#钻孔的平均瓦斯浓度为40%，孔板节流水珠为45 mmH2O，抽采纯量约0.22 m3/min，抽采负压为5 kPa。工作面本煤层瓦斯抽采量平均达到10.89 m3/min，抽采效率得到明显提升。

(3) 被保护层预抽效果

下保护层3+4#卸压瓦斯主要通过位于4208胶带巷的下向穿层定向钻孔(布置于该巷道1340 m和1220 m钻场内)进行抽采，该区瓦斯抽采浓度为31%～87%，瓦斯抽采量为51～62 m3/min，处于卸压瓦斯抽采高浓期和高产期，相比未卸压区域该煤层的预抽钻孔提升了2.4倍左右，说明卸压瓦斯抽采效果提升显著。

图11 2201工作面回采期间各类瓦斯钻孔抽采量变化

对比分析采用本项技术前后2201工作面瓦斯抽采效果可知，本煤层瓦斯抽采总量由8.55增至21.54 m3/min，下邻近层(3+4#、5#煤层)卸压瓦斯由19.74增至53.22 m3/min，瓦斯抽采率达到69.77%，工作面上隅角和回风流瓦斯浓度降至0.25%和0.51%，瓦斯0超限，有效解决煤层群开采卸压瓦斯涌出量大的问题，保障高产工作面安全生产的同时，进一步提高了日产量。

4 结论

(1) 2#煤层开采卸压角分别为76和77°，底板卸压深度为15～25 m，3+4#、5#煤层均处于其采动卸压影响范围，并作为2#煤层开采瓦斯主要来源。

(2) 在水平方向，工作面煤壁前方30 m至后方40 m为瓦斯涌出开始期；工作面后方40～90 m为活跃期；90 m以外为衰退期。在垂直方向，3+4#、5#煤层卸压瓦斯通过底板采动裂隙逐步向2#煤层采空区裂隙带运移富集，裂隙带发育高度为12～16 m。

(3) 确立了(定向长钻孔群本煤层预抽+采空区裂隙带抽采+下邻近层卸压瓦斯有效拦截的抽采)模式，并给出了相应定向长钻孔长度、孔径、终孔位置等关键参数。

(4) 2201工作面瓦斯抽采量由8.55 m3/min增至21.54 m3/min，抽采达到69.77%。工作面瓦斯浓度稳定在0.25%，回风巷瓦斯浓度稳定在0.51%，瓦斯超限得到有效遏制，保证高产工作面安全生产。