复杂条件下近距离煤层群瓦斯综合治理技术研究.pdf

第8期 2020年8月 No. 8 Aug. 2020 山西焦煤科技 Shanxi Coking Coal Sc ienc e Tec hnology 技术经验 复杂条件下近距离煤层群瓦斯综合治理技术研究 李义I,于小明2,冯步云2,罗彦忠3 （1.山西汾西（矿业）集团有限责任公司，山西晋中 032000； 2.平安煤矿瓦斯治理国家工程研究中心有限责任公司，安徽 淮南 232000； 3.山西汾西中兴煤业有限责任公司，山西吕梁 030500） 摘 要 中兴煤业属近距离煤层群开采，回采的3203 X作面因上下临近层卸压瓦斯涌入制约了 工作面的安全高效开采。在前期瓦斯治理难以满足生产及巷道布置现状下，实施了非等长保护层开 采试验及“两堵一注”注浆封孔技术。通过考察印证了在低透气性近距离煤层群的复杂条件下时，优 先开采关键保护层是区域治理首选途径，形成了复杂条件下低透气性近距离煤层群“开采保护层、底 抽巷穿层预抽近距离煤层群掩护煤巷条带、回采区域顺层钻孔预抽”的消突模式。 关键词瓦斯综合治理；近距离煤层群；非等长保护层工作面；顺层钻孔 中图分类号TD713 文献标识码B 文章编号1672-0652 （ 2020） 08-0004-05 长期理论研究和突出危险煤层的开采实践证明， 开采保护层是有效防治煤与瓦斯突出的区域性措施。 因此，在现有技术条件下，开采保护层结合强化瓦斯 抽采成为防治煤与瓦斯突出的首选技术，对保障煤与 瓦斯突出危险煤层的安全高效开采具有重要意义。 中兴煤业目前主采2号煤层，上覆有1号煤层 （距2号煤层顶板1-1.8 m）和02号煤层（距2号煤 层顶板714 m），下伏有4号煤层（距2号煤层底板 2. 4-3. 5 m,平均间距为3. 0 m） ,4号煤层下伏有5 号煤层（距4号煤层底板0 6.0 m,平均间距为 2.7 m）,煤层层间距近，属典型近距离煤层群开采。 因上下邻近层高瓦斯随采动卸压涌入影响，使 3203 1作面回采期间回风流瓦斯浓度偏高。矿井瓦 斯防治难度的不断增加制约了煤炭安全高效开采。 经过研究分析，工作面上方7 13 m处有一层局 部可采的02号煤层，对应3（02）03工作面，原始瓦 斯含量为3.37 m3/t,无突出危险性，可以作为3203 工作面及下伏车煤层的保护层工作面首先开采。受 前期采掘规划与布置的影响,3（02）03 1作面走向和 倾向长度较3203工作面小，即保护层工作面与被保 护层工作面非等长等宽布置，导致下伏煤层的卸压范 围有限。因此，进行非等长保护层开采试验，探索形 成复杂条件下低透气性近距离煤层群瓦斯综合治理 固化模式，以实现矿井安全生产。 1 矿井概况 中兴煤业地处山西省交城县岭底乡，隶属山西焦 煤汾西矿业（集团）有限责任公司，井田位于西山煤 田西山矿区西部，东、西、北三面高，中部及南部相对 较低，地面绝对标高在 1 535-990 m,井田内地层 出露良好。主要含煤地层为二叠系下统山西组和石 炭系上统太原组，共含煤13层，可采煤层6层，分别 为上组煤（山西组）2号、4号、5号3层，下组煤（太原 组）6号、8号、9号3层。根据煤层的赋存条件，确定 全井田在上、下煤组分别设开采水平,上煤组划分为 第一水平，标高设在760 m,下煤组划分第二水平，标 高设在680 m.中兴煤业生产能力为200万t/a.经 鉴定井田范围内2号、（45）号、02号煤层具有煤与 瓦斯突出危险性，为突出煤层。 收稿日期2020-05-22 作者简介李义（ 1987-）,男，山西晋中人,2013年毕业于太原理工大学，工程师，主要从事煤矿通风与安全管理工作 （E-mail） sxfxkytfc 126. c om 2020年第8期李义等复杂条件下近距离煤层群瓦斯综合治理技术研究 5 2试验工作面概况 3203工作面井下位于三采区北翼，东面为3201 采空区，西面为3205备采面，北面为井田边界，南面 为三采区回风大巷、轨道大巷和运输大巷。下部煤层 未开采，工作面走向长1 615 m,倾斜长为186 m,盖 山厚度为620-870 m,2号煤层煤厚1.7-2.3 m,平 均2 m.工作面顶板由下至上依次为伪顶0.5 m（砂 质泥岩）、直接顶5 m （砂质页岩）、基本顶10 m （砂 岩）；底板由上至下依次为直接底0.8 m（砂质泥岩）、 基本底2.5 m（砂质页岩、砂岩）。采用综合机械化一 次采全高全部垮落法管理顶板。 3工作面瓦斯涌出量来源及存在问题 结合相邻3201工作面正常回采期间瓦斯涌出情 况，最大绝对瓦斯涌出量为23-30 m3/min（风排瓦斯 量为7 10 m3/min，抽采瓦斯量为16 20 m3/min）. 根据中兴煤业采掘瓦斯来源量化分源研究报 告2号煤层工作面回采时，采空区2号本煤层的瓦 斯来源占比平均15,（45）号组合层的瓦斯来源占 比平均40, 02号煤的瓦斯来源占比平均34,其 它煤层占比11. 由瓦斯涌出来源分析可知，约有85上下临近 层卸压瓦斯进入回采工作面是制约工作面正常回采 的主要因素之一。而3203 I作面未布置底抽巷，对 临近煤层采取的瓦斯治理措施针对性不强，缺乏有效 治理手段。 4瓦斯综合治理技术 4. 1 工作面原瓦斯治理措施 4. 1. 1顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯 运输巷东侧帮施工2号本煤层顺层钻孔201个， 孔径94 mm,间距6 m,孔深150 m,材料巷（3201运 输巷）施工本煤层钻孔141个。预抽时间为29个月， 预抽区段瓦斯储量为541万m‘（原始瓦斯含量为 7. 36 m3/t）,瓦斯抽采量为249万m‘，剩余瓦斯量为 292万m（残余瓦斯含量为3. 96 m3/t）. 4. 1.2裂隙带钻孔抽采 运输巷内施工倾向高、低位裂隙带钻孔，自距停 采线60 m起，每隔60 m布置1个钻场，钻场内高、低 位裂隙钻孔各8个，孔径94 mm,孔深42 m,终孔垂 高18 m/12 m,终孔间距6 m,覆盖工作面30 m.钻场 走向（高位）裂隙带钻孔孔径94 mm,孔深100 m,终 孔垂高25 m/30 m,覆盖工作面60 m.主要用于抽采 顶板裂隙带瓦斯,治理回采期间上隅角及采空区瓦斯 涌出。 4. 1.3下邻近（45）号煤层穿层钻孔预抽瓦斯治理 在运输巷2号本煤层钻场内施工下邻近（4 5） 号煤层拦截钻孔182个，孔径94 mm,孔深42 m,覆盖 工作面50 m. 另布置了 2个低位底抽钻场（钻场卧至（4 5）号 煤层），距切眼及钻场间距均为100 m.低位底抽钻 场内施工（4 5）号煤层拦截钻孔和预抽钻孔，孔径 94 mm,孔深130 m,覆盖工作面130 m.主要用于治 理回采期间下邻近层对工作面上隅角及采空区瓦斯 涌出。 4. 1.4沿空留巷“Y”型通风技术 本工作面采用“Y”型通风，其中材料巷主进风， 运输巷辅助进风,3203回风巷回风。 4. 2 补充瓦斯治理措施 原有措施难以满足瓦斯治理要求，针对瓦斯涌出 来源分析，经研究分区段补充如下措施 4. 2. 1 退尺1 437 1 160 m段瓦斯治理 因工作面初采顶板滞后跨落，前期施工的裂隙带 钻孔因时间较长，抽采效果差。因此，新增工作面高 抽巷＞（45）号底抽联巷拦截/预抽钻孔瓦斯。 1） 初采期间增补的瓦斯治理措施。 高抽巷［与3203运输巷内错25 m,前35 m布 置在2号煤层顶板12 m处，后30 m逐降至2号煤层 顶板8 m处。主要用于抽采工作面初采、初放期间冒 落带和采空区的瓦斯。 2） 正常回采期间增补的瓦斯治理措施。 考虑到俯向钻孔抽采的局限性，新增施工2条 底抽联巷（图1）,1联巷巷道北侧布置两排（4 5） 号煤层顺层钻孔；II联巷巷道两帮各布置两排（4 5）号煤层顺层钻孔，钻孔间距3 m,孔径94 mm,孔 深150 m.主要用于解决工作面回采过程中，下邻 近（4 5）号煤层大量卸压瓦斯涌入工作面，确保工 作面安全生产。 高抽巷H 工作面过底抽联巷I、H期间，考虑到 集中应力影响，以及下部（45）号煤层顺层钻孔不能 实现连续抽采，补充施工高抽巷U。与运输巷内错 25 m,层位在2号煤顶12 - 21 m处，巷总长142 m. 重点抽采裂隙带和上邻近层卸压瓦斯。 6 山西焦煤科技2020年第8期 巷 材 33 2 23 3 32033203高 ％％巻 32033203 凶 320320回风巷 ⑶05⑶05运巷 图1 3203工作面底抽联巷45号煤拦截钻孔平面布置示意图 4. 2. 2 退尺11600m停采线段瓦斯治理 实施保护层开采，并对下伏2号,4 5号煤层 进行卸压抽采。 因被保护的3203面存在应力集中区，为消除应 力带来的安全风险，在3203运输巷补充施工了应力 卸压钻孔并合并抽采。30203软岩保护层工作面 示意图见图2. 图2开采30203软岩保护层工作面示意图 5封孔工艺 本煤层钻孔44 5号煤拦截钻孔、高位钻场裂 隙带钻孔均采用F KJW-50/0. 5抽放瓦斯用囊袋“两 堵一注”注浆式封孔器，封孔有效长度 3 m,注浆压 力不小于1.5 MPa,充分封堵因矿压显现导致的裂隙, 在钻孔周边形成致密封闭帷幕，封堵效果明显,在实际 考察中未见明显漏气现象。 6应用考察 结合不同区段瓦斯综合治理措施，分别对回风流 瓦斯浓度、瓦斯涌出量、抽采情况、煤层瓦斯含量及瓦 斯压力进行考察。 6. 1 初采前80 m阶段 初采前80 m工作面绝对瓦斯涌出量在8 - 15 m3/min,回风流瓦斯浓度在0. 38-0. 58,工作 面抽采率1743.各情况曲线见图3,4. 6. 2 推进 80-340 m 段 该区段工作面绝对瓦斯涌出量在924 m3/min, 回风流瓦斯浓度在0.4 0. 72,工作面抽采率 1162,底抽联巷顺层长钻孔末端效果不理想, 高抽巷前后过渡期间，工作面瓦斯浓度有升高现象。 各情况曲线见图5,6. 6 4 2 0 8 6 4 2 0 6 4 2 0 8 6 4 2 0 U - E M U *U - E M U * 1 -S 1 -S 耀搽送衩衆 图3随推进度瓦斯涌出量曲线图 o o o o o o O o o o o o o O 7 6 5 4 3 2 1 7 6 5 4 3 2 1 O.0 0. 0. 0. 0. 0. O.0 0. 0. 0. 0. 0. 、垮採试 25 35 45 55 65 工作面推进/m 工作面瓦斯浓度-1回风瓦斯浓度 O.S E O.S E 、生、 W W 搽送裁区 O. .O .O .O .O .O .O .O. 0 .0 O. .O .O .O .O .O .O .O. 0 .0 1 9 7 5 1 9 7 5 . 4 3 . 2 L O . 4 3 . 2 L O O O 5 5 风排瓦斯量 图4随推进度瓦斯浓度及风排瓦斯量曲线图 6. 3 开采非等长保护层工作面区段 2*煤层最大瓦斯含量为7.37 m3/t,瓦斯压力为 0. 68 MPa；车煤层最大瓦斯含量为 43 m3/t,瓦斯压 力为0. 97 MPa；5煤层最大瓦斯含量为9. 31 n/t,瓦 2020年第8期李义等复杂条件下近距离煤层群瓦斯综合治理技术研究 7 .sE M W IHm K g 国衩爛 8080 0 5 0 5 0 5 0 0 5 0 5 0 5 0 3 2 2 1 1 3 2 2 1 1 120 160 200 240 280 320340 推进度/m 绝对瓦斯涌出量相对瓦斯涌出量 E 、 * S 烬搽迟友共 o O o O 2 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 1 1 8 6 4 2 0 1 1 8 6 4 2 0 斯压力为1.21 MPa； 02*煤层最大瓦斯含量为 5. 30 m3/min,瓦斯压力为0. 47 MPa.当3203工作面 进入上部3203软岩保护层开采区段后，考察2号煤 层应力和瓦斯参数变化。 2号煤采动应力变化见图7.保护层工作面前方 60 m以远采动应力几乎无变化；随着保护层工作面 的推进，采动应力逐渐增大，并在距工作面约15 m 图5随推进度瓦斯涌出量曲线图 9 8 7 6 5 4 3 9 8 7 6 5 4 3 0 0 0 0 0 O.0 O.0 0 O.0 O.0 O O 0.0 _1_1_1_1_11__1__1_■__1_1_1_1_1_1_1_1L-_■_1 0 80 120 160 200 240 280 320 340 推进度/m ＜过底抽联巷I期间 〉＜ 过底抽联巷II 沐过高抽巷II〉 工作面瓦斯浓度 -1回风瓦斯浓度 风排瓦斯量 图6随推进度瓦斯浓度及风排瓦斯量曲线图 U 一富左 * 搽试笛医 .0 .0. 0 .0 .0 .0. 0 .0 6.4 6.4 2 2 -150 -100 -50 0 50 100 150 35 e 30 S 25-\ -R 20-\ 1 \ 15 味10 1-----1 与保护层工作面相对距离/m 图7 2号煤层采动应力变化曲线图 3 3 O.O. 2 1 2 1 o. O. o. O. -100 -50 0 50 100 150 与保护层工作面相对距离/m 图8 2号煤层瓦斯压力变化曲线图 的位置达到最大值，约为28 MPa；随着保护层工作面 的进一步推进，应力值迅速降低，并在采空区位置应 力值降至最小，随后又有缓慢回升趋势。 2号煤采动瓦斯压力变化见图 2号煤层初始 瓦斯压力约为0.015 MPa（顺层钻孔预抽影响），初始 瓦斯压力较低，但受采动应力影响变化幅度较大，即 使抽采达标的煤层在采动应力作用下瓦斯压力亦有 可能发生明显回升，给煤矿安全生产带来隐患。 钻孔瓦斯涌出量变化见图9.初始阶段钻孔瓦斯 涌出量相对较高,随着上保护层工作面的推进,瓦斯涌 出量有轻微下降的趋势。这是因为随着上保护层工作 面的邻近，采动集中应力也随之向前移动，附近下被保 2 500 -150 -100 -50 「0 50 100 150 与保护层工作面相对距离/m 图9 2号煤层钻孔瓦斯涌出量变化曲线图 护层煤体逐渐被压缩，渗透率降低。随着上保护层工 作面的进一步推进，钻孔在进入采空区之前瓦斯涌出 量即已开始显著增大，这可能是因为采动集中应力作 8 山西焦煤科技2020年第8期 用下煤体发生了损伤扩容,致使煤内孔隙率增大，渗透 率随之增大。当钻孔进入采空区后瓦斯涌出量增大至 最大值，随后又有下降的趋势，与采动应力演化规律较 为符合，说明瓦斯涌出量也受采动应力的控制。 卸压范围内2号煤层的残存瓦斯含量为 4.23 m3/t,瓦斯压力为0.33 MPa,瓦斯含量下降了 3. 14 m3/t,瓦斯压力下降了 0. 35 MPa,降幅均在40 以上。工作面瓦斯浓度在0. 34-0.42,实现了低 瓦斯状态下回采局面。 7结论 1虽为非等长开采保护层，但开采保护层后， 卸压效果显著，回采煤层消突效果得到验证，未出 现动力现象等突出预兆，工作面实现了低瓦斯状 态下回采良好局面，也印证了复杂条件下低透气 性近距离煤层群优先开采关键保护层是实现矿井 瓦斯综合治理的关键途径。但非等长保护层工作 面易造成被保护层工作面应力集中，增加巷道维 护和瓦斯抽采成本，应规范布置被保护层回采工 作面。 2 “两堵一注”注浆封孔技术有效提高单孔瓦 斯浓度，由5-10提高到30-35,最高抽采浓 度可达60以上。 参考文献 [1] 邓志刚，汪东.复杂地质条件下高瓦斯近距离煤层群开采工作面瓦斯治理技术[J].煤矿安全,2014,45879-80. [2] 李文庆，王振，冀超辉.近距离煤层群开采综合瓦斯治理技术[J].中州煤炭,201210106-108. [3] 杨家忠.近距离煤层群首采保护层工作面瓦斯综合治理技术研究[J].安徽建筑大学学报,2014,22361-64. [4] 邓中，柏发松，周汝洪.近距离煤层群首采关键卸压层工作面瓦斯综合治理技术[J].矿业安全与环保,38,194 1 47-50, [5] 李晓华，咸新红，韩真理.近距离煤层群高瓦斯突出煤层回采工作面瓦斯综合治理技术[J].煤炭技术,2014,336 46-48. [6] 郝全明，柴敏.近距离煤层群下邻近层増透效应及卸压瓦斯治理技术研究[J].煤炭技术，2018,37,2935147-149. [7] 陈云.吕梁矿区近距离煤层群下邻近层瓦斯抽采方法研究[J].煤炭工程,2018,50,485687-89 93. [8] 孙森,夏仕柏.下邻近层卸压瓦斯的涌出与治理[J].矿业安全与环保,2000,27316-17. [9] 颜智.近距离煤层群下保护层开采卸压瓦斯抽采技术研究[D].湘潭湖南科技大学,2011. [10] 石琨.近距离煤层群上保护层煤与瓦斯共采技术研究[J].煤炭工程,2018,50,486773-75. Research on Comprehensive Gas Control Technology of Close-distance Coal Seam Group under Complicated Conditions LI Yi, YU Xiaoming, FENG Buyun, LUO Yanzhong Abstract Geology c ond ition in Zhongxing c oal c onsists of c oal seam group with c lose d istanc e between ad jac ent seams. The mining of the 3203 working fac e is restric ted by the pressure relief gas influx from the upper and lower ad jac ent layers, whic h restric ts the safe and effic ient mining. Due to the c ond ition that the gas c ontrol in the early stage is d iffic ult to meet the c urrent situation of prod uc tion and road way layout, the non-equal length protec tive layer mining test and the two-bloc ks and one-injec tion grouting and hole sealing tec hnology have been implemented . Through inves tigation ,it is c onfirmed that und er c omplex c ond itions of low permeability and c lose c oal seam group, preferential mining of key protec tive layers is the first c hoic e for regional governanc e. The final solution c onsists of protec tive layer mining, spec ial tunnel und er the floor for gas d rainage, in seam pre-d rainage. Key words Gas c omprehensive treatment ； Close d istanc e c oal seam group ； Non-equal length protec tive layer working fac e ； Bed d ing boring