煤礦瓦斯抽采方法及瓦斯抽采效果研究

1采礦機和采礦對安全生產的影響1.1南桐礦瓦斯概況煤炭是中國的主要能源，占能源的70%以上。進入21世紀后，隨著中國經濟的快速發展，煤炭需求也迅速增加。從2001年到2008年，中國煤炭產量從11.06億噸增加到27.2億噸，平均每年增長18.24%。中國的煤炭和木炭行業不僅確保了中國經濟的快速發展，而且還惡化了煤炭的開采條件。特別是，采礦和采礦的深度增加導致了氧化壓力和氧化含量的增加，地質結構條件復雜，導致了瓦爾塔災害，尤其是煤炭和瓷磚突出的損害。20世紀80年代初,南桐礦務局平均開采深度380m,瓦斯壓力1.5～6.0MPa;淮南礦務局平均開采深度490m,瓦斯壓力1.8～3.6MPa.目前,南桐礦務局平均開采深度810m,瓦斯壓力5.0～10.0MPa;淮南礦業集團平均開采深度800m,瓦斯壓力4.2～5.6MPa,所開采的煤層90%為突出煤層,原來無突出危險的保護層已升級為突出危險煤層.2004年,全國大中型煤礦平均開采深度456m.平均采深華東約620m,東北約530m,西南約430m,中南約420m,華北約360m,西北約280m.采深超過1000m的煤礦有8處,采深大于600m的礦井產量占28.47%.全國煤礦開采以每年約10～20m的速度向深部延深.中國含煤地層以石炭二疊紀為主,經歷過多次大型構造運動,許多礦區發生隆起、坳陷、褶皺和斷裂等活動,在構造擠壓和剪切應力的作用下,煤層結構破壞而形成構造煤發育,表現為煤質松軟(硬度系數f=0.1～0.5),煤層滲透性差(透氣性系數多為10-3～10m2/(MPa2·d)),原始煤體瓦斯抽采困難.1.2瓦斯燃燒事故中國煤礦的瓦斯事故類型分為瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出、瓦斯燃燒和窒息.瓦斯爆炸、瓦斯燃燒和窒息事故的原因之一是瓦斯積聚達到一定的體積分數.例如瓦斯體積分數達到5%～15%時,有可能引起瓦斯爆炸事故;瓦斯體積分數大于15%時,有可能引起瓦斯燃燒事故;由于瓦斯積聚使空氣中氧氣體積分數降到12%時,人感到呼吸非常短促.煤與瓦斯突出是煤體中存儲的瓦斯能和應力能的失穩釋放.煤層瓦斯的大量直接排放不僅浪費了能源資源而且嚴重污染了環境,以甲烷為主要成分的煤層瓦斯是一種具有強烈溫室效應的氣體,甲烷的溫室效應比二氧化碳大20倍以上.因此,煤礦瓦斯抽采的目的為:1)減少瓦斯涌出、預防瓦斯超限、降低瓦斯積聚,為礦井通風創造有利的條件;2)降低煤層中存儲的瓦斯能量、提高煤體強度,防治煤與瓦斯突出;3)開發利用高效潔凈的能源;4)降低對環境的污染.中國《煤礦安全規程》第145條規定了必須建立地面永久抽采瓦斯系統或井下臨時抽采瓦斯系統的條件.1.3煤礦瓦斯抽采量現場實測的實踐中國于2002年提出了“先抽后采,監測監控,以風定產”的12字工作方針.由于20世紀末期,中國煤炭企業經營十分困難,造成煤礦安全的投入普遍不足,很多煤礦采掘失衡,再加上后來煤炭產量的大幅度提升,導致2004年底至2005年初,鄭州煤業集團大平煤礦、銅川礦務局陳家山煤礦、阜新煤業集團孫家灣煤礦接連發生了3起一次死亡百人以上特別重大瓦斯事故.2005年至2008年,國家每年投入30億元,帶動企業和地方投資,對重點煤礦進行瓦斯治理和安全技術改造.經過近4年多的科技攻關、安全技術改造和加大監管及監察力度,中國煤礦瓦斯治理科技水平、裝備水平和管理水平取得了長足進步.圖1給出了中國煤礦瓦斯抽采量的增長情況,從圖1中可以看出,2002年以來中國煤礦瓦斯抽采增長迅速,2007年全國瓦斯抽采量達到44億m3,有10個礦業集團年瓦斯抽采量超過1億m3.1.4煤礦瓦斯事故的特征近年來隨著中國煤礦安全投入不斷增加,煤礦瓦斯抽采量增長迅速,安全管理水平也得到了大幅度的提升.表1給出了2005-2008年中國煤礦瓦斯事故起數和死亡人數的對比分析,表中的事故起數和死亡人數是相對于2005年同類數據的百分比.從表1中可以看出,無論是事故起數還是死亡人數(包括全部瓦斯事故、重大以上瓦斯事故和特別重大瓦斯事故)都呈逐年下降的趨勢,2008年的瓦斯事故起數和死亡人數僅為2005年的43.69%和35.84%.值得一提的是,對特別重大瓦斯事故(一次死亡30人及以上的事故)的控制效果顯著,2008年的特別重大瓦斯事故起數和死亡人數僅為2005年的16.67%和5.41%,且消滅了1次死亡50人以上的特別重大惡性瓦斯事故.綜合分析認為,中國煤礦瓦斯事故呈現以下特點:1)煤礦瓦斯起數和死亡人數呈明顯下降趨勢,特別重大瓦斯事故得到有效控制;2)煤與瓦斯突出事故超過瓦斯爆炸事故,上升為第一位的瓦斯事故;3)鄉鎮煤礦仍然是煤礦瓦斯事故的重災區,一些低瓦斯礦井、高瓦斯礦井和未鑒定礦井發生了煤與瓦斯突出事故.2發展煤炭開采理念和概念的發展中國煤礦瓦斯抽采理念的發展先后經歷了“局部防突措施為主、先抽后采、抽采達標和區域防突措施先行”4個階段.2.1煤與瓦斯突出防突措施研究思路的確立20世紀50-80年代,中國煤礦瓦斯治理的重點是,摸清煤與瓦斯突出規律,引進消化和吸收國外煤與瓦斯突出防治技術和經驗,研究適合中國特點的煤與瓦斯突出預測方法和突出防治工程方法.在此基礎上,20世紀80-90年代末,進入局部防突措施為主的階段,主要任務是貫徹落實“四位一體”綜合防突措施,以1988年《防治煤與瓦斯突出細則》出版和1995年的修訂為代表,研究重點是煤與瓦斯突出危險性預測方法與預測指標,同時兼顧突出防治工程方法的深化研究.2.2建立長效機制2002年8月30日,在遼寧省鐵法煤業集團召開的全國煤礦瓦斯防治現場會上,時任國家安全生產監督管理局、國家煤礦安全監察局局長王顯政同志作了“以防治瓦斯災害為重點,開創煤礦安全生產工作新局面”重要講話.提出了“先抽后采,監測監控,以風定產”的12字工作方針,致力于建立防范瓦斯事故的長效機制.“先抽后采”是瓦斯防治工作的基礎,是從源頭上治理瓦斯災害的治本之策和關鍵之舉,體現了瓦斯治理預防為主、關口前移的要求,是煤礦長期治理瓦斯實踐經驗的總結.這期間也是區域性治理與局部治理并重階段,一些瓦斯治理基礎較好的礦業集團,如淮南礦業集團,在長期瓦斯治理經驗總結的基礎上,提出了“可保盡保,應抽盡抽”的瓦斯治理戰略,并得到全國突出危險嚴重礦區的積極相應.2005年3月國家發展改革委、國家安全生產監督管理總局、國家煤礦安全監察局在總結淮南、陽泉、平頂山、松藻等煤礦瓦斯治理經驗的基礎上,編寫了《煤礦瓦斯治理經驗五十條》,在瓦斯治理的基本思想中明確提出區域性治理與局部治理并重,實施“可保盡保,應抽盡抽”的瓦斯治理戰略.并在第32條中明確提出:“強制開采保護層,做到可保盡保,并抽采瓦斯,降低瓦斯含量”.第35條中提出:“頂、底板穿層鉆孔掩護強突出煤層掘進”.2.3關于規范煤礦安全生產實施有效措施的要求2008年7月8日,國務院安全生產委員會在遼寧省沈陽市召開全國煤礦瓦斯治理現場會,時任國家安全生產監督管理總局局長王君同志作了,“通風可靠、抽采達標、監控有效、管理到位,把煤礦瓦斯治理攻堅戰扎實有效地推向深入”的重要講話.根據中國煤礦安全生產實際情況,在認真總結煤礦瓦斯治理科研成果和經驗教訓的基礎上,國家安全生產監督管理總局提出了,構建“通風可靠、抽采達標、監控有效、管理到位”的煤礦瓦斯治理工作體系.為貫徹落實全國煤礦瓦斯治理現場會精神,鞏固煤礦瓦斯治理攻堅戰成果,進一步提高煤礦瓦斯治理水平,有效防范和遏制重特大瓦斯事故,實現煤礦安全生產形勢的明顯好轉,國務院安全生產委員辦公室以安委辦17號文下發了,《關于進一步加強煤礦瓦斯治理工作的指導意見》.明確提出“強化多措并舉、應抽盡抽、可保盡保、抽采平衡的技術措施,確保抽采達標”.要求煤礦經抽采瓦斯后,采掘工作面瓦斯抽采率、煤的可解吸瓦斯含量和回風流瓦斯含量要達到《煤礦瓦斯抽采基本指標》(AQ1026-2006)的要求.2.4煤與瓦斯突出防治的具體政策由于近年來中國煤礦煤與瓦斯突出災害日趨嚴重,煤與瓦斯突出事故已經超過瓦斯爆炸事故,上升為第一位的瓦斯事故.為了有效地遏制煤與瓦斯突出事故,2008年國家煤礦安全監察局組織有關專家對《防治煤與瓦斯突出細則》(1995年版)進行了全面修改,將以《防治煤與瓦斯突出規定》的形式頒布實施.在即將頒布實施的《防治煤與瓦斯突出規定》中系統地總結了中國煤與瓦斯突出礦區煤與瓦斯突出防治中的經驗與教訓,明確提出:煤與瓦斯突出防治工作堅持“區域防突措施先行、局部防突措施補充”的原則.未采取區域綜合防突措施并未達到指標要求的嚴禁進行采掘活動,做到“不掘突出頭,不采突出面”.3加大瓦斯抽采力度,提高瓦斯利用率瓦斯抽采是防范瓦斯事故的治本之策,必須努力實現抽采達標.瓦斯治理必須堅持標本兼治、重在治本.通過瓦斯抽采,降低煤層中的瓦斯含量,從根本上治理防范瓦斯災害.因此要加大瓦斯抽采力度,提高瓦斯抽采率和利用率.3.1煤-瓦斯抽采量限制的主要類型《煤礦瓦斯抽采基本指標》第4節,瓦斯抽采應達到的指標中規定了以下4種類型的抽采指標:1)突出煤層工作面采掘作業前必須將控制范圍內煤層的瓦斯含量降到煤層始突深度的瓦斯含量以下或將瓦斯壓力降到煤層始突深度的煤層瓦斯壓力以下.若沒能考察出煤層始突深度的煤層瓦斯含量或壓力,則必須將煤層瓦斯含量降到8m3/t以下,或將煤層瓦斯壓力降到0.74MPa(表壓)以下.即突出煤層工作面必須在采前通過瓦斯抽采區域性消除煤與瓦斯突出危險性.2)瓦斯涌出量主要來自于開采層的采煤工作面前方20m以上范圍內,煤的可解吸瓦斯量必須根據工作面的日產量在采前通過開采層的瓦斯抽采使煤的可解吸瓦斯含量降到規定指標之下.3)瓦斯涌出量主要來自于鄰近層或圍巖的采煤工作面必須根據工作面絕對瓦斯涌出量情況確定工作面的最低瓦斯抽采率,這部分瓦斯可以在工作面開采過程中同時進行抽采.4)規定了不同絕對瓦斯涌出量的礦井應達到的最低瓦斯抽采率.即礦井通過各種抽采(綜合抽采)后應達到的最低瓦斯抽采率.上述第1種類型規定了突出煤層采前抽采應達到的指標,第2種類型規定了高瓦斯煤層采前抽采應達到的指標,第3種類型規定了回采工作面開采過程中抽采應達到的指標,第4種類型規定了礦井瓦斯抽采應達到的指標.由此可見《煤礦瓦斯抽采基本指標》對抽采方法的劃分依據煤層開采時間,即煤層開采前、開采過程中和開采過程后.3.2煤礦瓦斯抽采主要分類方法與《煤礦瓦斯抽采基本指標》第4節要求適用對比煤礦瓦斯抽采方法目前尚無統一分類.俞啟香在《礦井瓦斯防治》中將瓦斯抽采方法分為:開采層抽采、鄰近層抽采、采空區抽采和圍巖抽采.于不凡在《煤礦瓦斯災害防治及利用技術手冊》中將瓦斯抽采方法分為:未卸壓煤層和圍巖抽采、卸壓煤層和圍巖抽采、采空區抽采和綜合抽采.以上兩種分類方法主要依據開采煤層和鄰近煤(巖)層的空間關系,在次級分類方法上考慮開采時間關系.上述分類方法與《煤礦瓦斯抽采基本指標》中第4節,瓦斯抽采應達到的指標對應上存在困難.為了適應《煤礦瓦斯抽采基本指標》煤礦瓦斯抽采的考核要求,作者對煤礦瓦斯抽采方法進行了重新分類.分類的指導思想為:第1層次劃分以煤層的開采時間為依據,第2層次以煤層開采的空間關系為依據.新的煤礦瓦斯抽采分類方法如圖2.煤礦瓦斯抽采方法分類共分為3個層次.第1層次分為:采前抽采(預抽)、采中抽采和采后抽采.第2層次分為:本煤層抽采、鄰近層抽采、回采工作面抽采、掘進工作面抽采和采空區抽采.第3層次為具體瓦斯抽采方法,如地面鉆井抽采、穿層鉆孔抽采、采空區埋管抽采方法等.這樣的分類方法可能出現方法交叉的問題,例如鄰近層抽采可能是采前抽采,也可能是采中抽采.如果鄰近煤層是可采煤層,且在開采層開采過程中鄰近煤層的可采性不被破壞,則對該煤層瓦斯抽采應視為采前抽采.如果鄰近煤層是不可采煤層,或在開采層開采過程中其可采性被破壞,則對這些煤層的瓦斯抽采應視為采中抽采.在煤礦生產實踐中,不可能通過單一的瓦斯抽采方法解決礦井瓦斯問題,往往需要采用多種瓦斯抽采方法的組合,實現對煤礦瓦斯的綜合抽采.3.3開采法的選擇3.3.1區域瓦斯治理突出煤層突出危險區域必須采用區域性的采前瓦斯抽采方法,經區域性抽采之后瓦斯含量和瓦斯壓力應達到《煤礦瓦斯抽采基本指標》的規定.區域性方法是在煤與瓦斯突出煤層開采過程中,由安全區域向不安全區域施工瓦斯治理工程,均勻有效地降低不安全區域的瓦斯含量,區域性消除煤與瓦斯突出危險性,使不安全區域轉變為安全區域的防突方法.長期理論研究和突出危險煤層的開采實踐證明,開采保護層和預抽煤層瓦斯是有效地防治煤與瓦斯突出的區域性措施,該方法可以避免長期與突出危險煤層處于短兵相接狀態,提高了防治煤與瓦斯突出措施的安全性和可靠性.中國《煤礦安全規程》第192條規定:“對于有突出危險煤層,應采取開采保護層或預抽煤層瓦斯等區域性防治突出措施”.第193條規定:“在突出礦井開采煤層群時,應優先選擇開采保護層防治突出措施”.第198條規定:“開采保護層時,應同時抽采被保護層瓦斯”.2005年1月,國家安全生產監督管理局、國家煤礦安全監察局以局長令的形式下發了《國有煤礦瓦斯治理規定》,第5條明確規定:“突出礦井必須首先開采保護層,不具備開采保護層條件的,必須對突出煤層進行預抽,并確保預抽時間和效果”.由此可見,在現有技術條件下,采用區域性瓦斯治理方法對有效地防治煤與瓦斯突出,保障突出危險煤層的安全高效開采具有重要的現實意義.3.3.2瓦斯抽采量的確定如果瓦斯涌出主要來源于開采煤層,則必須采用采前抽采的方法,在工作面開采前,根據工作面的設計產量,將開采煤層的可解吸瓦斯含量降到規定的指標.采前抽采煤層瓦斯可以采用地面鉆井、也可以采用井下順層鉆孔.但由于煤層瓦斯含量相對較小,采用地面鉆井抽采效果相對較差.目前多采用井下順層鉆孔抽采方法,降低開采煤層的瓦斯含量.井下順層鉆孔是在工作面煤層巷道掘進過程同時施工的,這樣靠近工作面切眼施工的鉆孔瓦斯抽采時間相對較短,為了保證開采過程中,工作面前方煤體的可解吸瓦斯含量降到規定的指標,必須根據煤層賦存、瓦斯賦存、煤層透氣性、瓦斯抽采鉆孔的布置及經過考察的瓦斯抽采效果,確定最短瓦斯抽采期,以確保瓦斯抽采效果.根據我們的經驗,順層間距不大于3m條件下,最短瓦斯抽采期不應小于3個月.瓦斯涌出主要來源于鄰近煤巖層,如陽泉煤業集團三礦,開采煤層瓦斯含量為4～6m3/t,但上部鄰近不可采煤層和灰巖中瓦斯含量較高,由于開采層的采動卸壓作用,致使鄰近層瓦斯大量涌出,工作面最大瓦斯涌出量達到180m3/min,必須采用有效的鄰近層抽采技術,才能保證工作面的安全高效開采.如果瓦斯涌出主要來源于鄰近煤巖層,4.4節中瓦斯抽采方法同樣適應于高瓦斯礦井采煤工作面,回采工作面瓦斯抽采率應滿足規定的指標.4采礦法4.1地面壓裂鉆井技術地面鉆井采前抽采瓦斯是20世紀80年代在美國成功應用的地面煤層氣開采方法,20世紀90年代開始在中國不同礦區開展試驗,除在山西沁水盆地取得了與美國SanJuan盆地相當的抽采效果外,在其它礦區的試驗結果均不理想.主要原因是,我國大部分高瓦斯礦區地質構造復雜,煤層低透氣性低,多數煤層透氣性系數僅為10-3～10m2/(MPa2·d).地面壓裂鉆井結構如圖3所示.地面鉆井采前抽采瓦斯主要分為3個階段.完井階段包括,表土段鉆井及固井、基巖段鉆井、電測井、基巖段套管安裝及固井、固井質量檢測;煤層透氣性改造階段包括,射孔和壓裂;排水采氣階段包括,更換井口設備、排水降低液面高度、采氣.晉城煤業集團藍焰煤層氣公司、中聯煤層氣公司等單位在沁水煤田施工地面鉆井1000余口,取得了較好的瓦斯抽采效果,抽采的瓦斯用于發電、汽車燃料和民用等.目前,中國地面鉆井技術已經成熟.決定瓦斯抽采效果的關鍵是壓裂和排采技術,除傳統的前置液、攜沙液和頂替液壓裂技術外,在一些礦區還試驗了CO2壓裂驅替技術;此外,還進行了排采工藝方面的改革試驗.上述試驗效果如何,還有待于今后抽采效果的檢驗.4.2煤炭企業積極參加監管復礦等單位的資源開采,規范含煤炭企業采煤礦中國自20世紀50年代末期開始在北票、南桐、中梁山、天府、松藻礦務局試驗開采保護層防止煤與瓦斯突出,取得了顯著的效果.1997年以來,中國礦業大學先后與淮南礦業集團、淮北礦業集團、陽泉煤業集團、沈陽煤業集團、鄭州煤業集團等多家煤炭企業合作,開展了多種地質、煤層和瓦斯賦存條件下的保護層開采、頂底板煤(巖)層移動及裂隙發育規律、被保護層卸壓瓦斯解吸流動規律及有效的卸壓瓦斯抽采方法,并形成了國家安全生產行業標準《保護層開采技術規范》(AQ1050-2008).4.2.1煤巖體火炬氣抽采法保護層開采之后,其上覆煤巖體將形成跨落帶、斷裂帶和彎曲帶3個帶,其下伏煤巖體分為底鼓裂隙帶和底鼓變形帶兩個帶.保護層開采后頂底板煤巖裂隙發育及分帶示意圖見4圖所示.開采下保護層時不得破壞被保護層的開采條件,這樣就要求被保護層應在斷裂帶和彎曲帶.處于斷裂帶內的煤(巖)體既產生平行層理的裂隙,又產生垂直和斜交層理的裂隙,卸壓瓦斯在抽采負壓的作用下既可以沿平行層理方向流動,也可以沿垂直和斜交層理方向流動,比較有效的瓦斯抽采方法有:頂板或底板穿層鉆孔(多用于急傾斜煤層)法、走向高位鉆孔法、傾向高位鉆孔法、走向長鉆孔法、走向高抽巷法、傾向高抽巷法、地面鉆井法等.處于彎曲帶內的煤(巖)體由于整體下沉,多產生平行層理的裂隙,卸壓瓦斯沿平行層理方向流動相對容易,比較有效的瓦斯抽采方法有:頂板或底板巷道網格式上向穿層鉆孔法和地面鉆井法.而開采上保護層時,要求被保護層應在底鼓裂隙帶和底鼓變形帶內,被保護層所處的區域不同,煤(巖)體裂隙發育差異較大,但由于位于保護層下部,其瓦斯抽采方法的選擇受到一定限制,抽采方式比較單一,主要以底板巷道網格式穿層鉆孔法為主.4.2.2地面鉆井結構地面鉆井抽采卸壓瓦斯方法適用于下保護層開采條件,其優點為:1)地面鉆井將穿過下保護層頂板上覆卸壓煤巖層,抽采范圍大、抽采效果好;2)從地面鉆井處在保護層開采的卸壓區開始,到地面鉆井報廢止(鉆井損壞或抽不出瓦斯),全部為抽采期,抽采期長;3)地面鉆井施工不受井下巷道工程條件的限制,只要保證保護層工作面推進到鉆井設計位置之前,地面鉆井施工完成,即可滿足瓦斯抽采的需要.地面鉆井結構如圖5所示.地面鉆井結構一般分為3段:第1段為表土段,鉆井穿過表土進入堅硬基巖,下套管,進行表土段固井;第2段為基巖段,鉆井鉆進至目標層(卸壓瓦斯抽采煤層或煤層群)頂板20～40m,下套管,進行基巖段固井(套管長度為第1段與第2段之和、固井至地面);第3段為目標段,鉆井鉆進至保護層頂板5～10m(取決于保護層開采厚度),下篩管,不固井.根據淮南礦區地面鉆井卸壓瓦斯抽采試驗證明,有效抽采半徑可達200m,設計時抽采半徑取150m.沿走向方向第一個鉆井距開切眼50～70m,之后鉆井間距為300m,在傾斜方向上鉆井距風巷的距離為工作面長度的1/3～1/2.地面鉆井能夠取得較好的瓦斯抽采效果,在卸壓瓦斯抽采的活躍期內,單井瓦斯抽采量可達到10～20m3/min,抽采瓦斯的體積分數達70%～90%,瓦斯抽采率可達60%以上.4.2.3瓦斯抽采效果分析井下穿層鉆孔是被保護層卸壓瓦斯抽采的最基本方法,也是我國被保護層卸壓瓦斯抽采普遍應用的方法.采用井下穿層鉆孔抽采卸壓瓦斯具有以下優點:1)根據保護層與被保護層的賦存特點和相對層位關系,可以機動靈活地布置抽采巷道,施工瓦斯抽采鉆孔,適應性強,瓦斯抽采鉆孔工程量小,易于均勻布孔;2)瓦斯抽采效果可靠,可以根據前面的瓦斯抽采情況,優化后續抽采工程設計和施工,改善卸壓瓦斯的抽采效果;3)瓦斯抽采期長,抽采效果好.根據保護層與被保護層的賦存特點和相對層位關系,用于被保護層卸壓瓦斯抽采的專用巷道和穿層鉆孔的設計方法也具有多樣性.4.2.3.底板瓦斯抽采巷,地層鉆孔與煤巷開采相結合潘一礦C13煤層是礦井主采煤層,為煤與瓦斯突出煤層,平均厚度6.0m,平均傾角9°.-620m水平實測煤層瓦斯壓力為5.0MPa,選擇B11煤層作為C13煤層的下保護層開采,層間距70m,采用底板巖巷網格式上向穿層鉆孔法抽采被保護層卸壓瓦斯.在C13煤層工作面傾斜中部,距煤層底板15～20m的巖層中布置一底板瓦斯抽采巷,在底板瓦斯抽采巷內,在保護范圍內每隔30～40m布置一長度5m的水平抽采鉆場.在每個鉆場內施工一組扇形穿層鉆孔,鉆孔直徑91mm,鉆孔有效抽采半徑15～20m,鉆孔間距以C13煤層中厚面為準,孔底進入C13煤層頂板0.5m,保證保護層開采過程中能夠有效的抽采被保護層卸壓瓦斯,鉆孔布置如圖6所示.根據考察結果,在保護層B11煤層開采后,C13煤層的最大膨脹變形為2.63%,煤層的透氣性系數增大了2880倍,C13煤層瓦斯抽排率在60%以上,煤層瓦斯得到有效的下降,殘余瓦斯含量降為5.2m3/t,殘余瓦斯壓力降為0.4MPa,徹底消除了煤層的突出危險性.被保護層采掘實踐表明,煤巷月掘進速度由原來的40～60m,提高到200m以上,工作面采用綜合機械化放頂煤采煤方法,工作面具備日產萬噸的生產能力.4.2.3.被教師無煤層煤瓦斯抽采系統紅菱煤礦主采煤層12煤層為煤與瓦斯突出煤層,平均厚度4.0m,其上部16m處賦存一極薄煤層11煤層,平均厚度為0.4m.通過論證,選擇11煤層作為12煤層的保護層進行開采.試驗區域12煤層平均厚度4.0m,瓦斯壓力6～7MPa,瓦斯含量22.5m3/t.被保護層卸壓瓦斯抽采采用底板巖巷網格式上向穿層鉆孔法,鉆孔布置如圖7所示.考慮到保護層工作面傾向較長,煤層傾角較大,在12煤層底板施工2條底板巷,底板巖巷距煤層底板15m,巷道斷面不小于9m2.在抽采巷道內每隔15m布置1個鉆場,每個鉆場施工一排鉆孔,垂直于巷道走向呈扇形布置,鉆孔直徑90m,按照一倍層間距設計鉆孔間距,鉆孔間距15m.在保護層采動作用下,12煤層相對膨脹變形為0.72%,被保護層卸壓范圍內煤層透氣性系數增加了1010倍,被保護層瓦斯抽采率達到77.5%,煤層的殘余瓦斯含量降為5.06m3/t,殘余瓦斯壓力降為0.25MPa,全面消除了12煤層被保護層工作面的煤與瓦斯突出危險性,12煤層滿足了高產高效的開采要求.4.2.3.施工穿層鉆孔現場應用李二礦主采煤層為B8,B9,B11b,C13煤層,在該區域由于地層倒轉,造成煤層傾角大,平均角度為80°,礦井采用B9煤層保護B8煤層.針對急傾斜煤層裂隙發育及卸壓瓦斯流動規律,采用從保護層工作回風巷、工作面運輸巷和底板巖巷內施工穿層鉆孔抽采瓦斯,鉆孔布置如圖8所示.在工作回風巷、工作面運輸巷內每隔30m向底板方向做一長度為5m的鉆場,每個鉆場內沿傾向向B8煤層打3～4個直徑91mm的傾斜穿層鉆孔,鉆孔走向間距30m,傾斜間距10m.底板巖巷內鉆孔布置原則與工作面兩巷相同.通過穿層鉆孔的抽采,可有效降低B8煤層的瓦斯含量,消除其突出危險性,同時攔截卸壓瓦斯,降低保護層工作面的瓦斯涌出量,確保保護層工作面的安全回采.經B8煤層開采驗證,煤巷月掘進速度提高了1倍,工作面平均日產量提高了3倍.4.2.3.煤層巷道內穿層裂隙控制在保護層無煤柱開采工作面可采用沿空留巷穿層鉆孔瓦斯抽采方法,從沿空留巷(風巷和機巷)內向頂底板被保護煤層施工一定數量的穿層鉆孔抽采被保護層卸壓瓦斯.由于空間位置關系,從沿空留巷內向工作面煤體傾向上施工的穿層鉆孔有限,穿層鉆孔無法覆蓋整個被保護層工作面,這就需要被保護煤層位于保護層開采后形成的頂板斷裂帶或底鼓裂隙帶內,被保護層處于該層位時,層間巖層內形成有大量的穿層裂隙與保護層采空區導通.且還需要布置巖層巷道,從巖層巷道中施工穿層鉆孔配合抽采.保護層開采過程中,被保護層部分卸壓瓦斯由穿層鉆孔抽采,部分卸壓瓦斯經層間穿層裂隙進入保護層工作面的采空區,因此該方法需要與采空區埋管抽采方法配合使用,需要在沿空留巷巷幫充填時預埋管路用于采空區瓦斯抽采,如圖9所示,為淮南新莊孜煤礦保護層開采沿空留巷鉆孔布置.4.2.3.煤層鉆孔與瓦斯抽采相結合礦井主采煤層二1煤層平均厚度為8m,煤層傾角平均為15°,為低透氣性高瓦斯強突出煤層,在采掘過程中已發生多次煤與瓦斯突出事故,采用下部的一9煤層作保護層進行開采,層間距為18.5m,一9煤層厚度平均為0.3m.保護層采用螺旋鉆采煤機鉆采開采,采用底抽巷上向網格式穿層鉆孔法抽采被保護層卸壓瓦斯,如圖10所示.在極薄保護層一9煤層工作面沿走向施工2條底抽巷,在底抽巷內每隔10m布置一鉆場,在鉆場沿傾向二1煤層施工10個穿層鉆孔,鉆孔直徑75mm,鉆孔間距為7m.二1煤層瓦斯抽采工程實踐表明,煤層透氣性系數提高了403倍,被保護煤層瓦斯抽采率達到64%,煤層瓦斯壓力降為0.15MPa,瓦斯含量降為4.66m3/t,徹底消除了二1煤層的突出危險性,具備了安全高效開采的條件.4.2.4傾斜高抽巷抽采技術井下巷道卸壓瓦斯抽采方法主要適用于被保護層處在斷裂帶的條件,常用的有走向高抽巷法、傾斜高抽巷法,本文結合陽泉礦區的應用實例進行介紹.走向高抽巷一般和內錯式尾巷聯合使用,其巷道布置如圖11所示,從采區專用回風大巷以25°～30°斜坡施工一穿層斜巷到達距15煤層60～70m左右的9煤層中,然后沿該煤層平行于工作面回風巷、距回風巷水平距離60m,向開切眼方向施工斷面5m2的走向高抽巷,高抽巷末端距切眼的水平距離為25m.從高抽巷末端向切眼施工5個直徑100mm的下向瓦斯抽采鉆孔,鉆孔末端進入15煤層直接頂,用于解決15煤層初采期間的瓦斯涌出問題.在地質構造帶處常采用傾斜高抽巷法,傾斜高抽巷抽采方法巷道布置如圖12所示,該方法一般與外錯式尾巷“U+L”通風方式聯合使用.4.2.5代高抽巷式導放系統高抽巷瓦斯抽采方法需要開掘一條巖石巷道,成本較高,井下水平長鉆孔抽采方法在一定程度上可替代高抽巷,如圖13,該方法主要適用于被保護層處在斷裂帶的條件,鉆孔數量3～5個,直徑150～200mm,鉆進長度依據工作面走向長度而定,一般為500～1000m,布置在距工作面風巷10～40mm范圍內,高度為工作面采高的8～10倍,保護層開采的斷裂帶下部.4.3在鉆井前開采頂板和磚瓦4.3.1煤層瓦斯徑向流動影響煤礦效果及對策對于原始煤體,可認為瓦斯在煤層中的流動符合達西定律,一般采用穿層鉆孔或順層鉆孔進行煤層瓦斯抽采.在一定時間內,煤層瓦斯向鉆孔的流動視徑向流動.預抽煤層瓦斯效果與煤層透氣性系數、抽采負壓、鉆孔直徑等因素有關,但影響效果的程度不同.根據實踐經驗,通過增加煤層透氣性系數,比如深孔松動爆破、孔群水利增透等措施將煤層瓦斯徑向流動改善為煤層—裂隙—鉆孔的混合流動,可有效增加煤層瓦斯抽采效果.再保證一定的預抽時間,可降低煤層瓦斯含量,消除其突出危險性.4.3.2通過層鉆孔抽吸法4.3.2.地面地面鉆孔現場應用單底板巖巷網格式穿層鉆孔抽采煤巷條帶瓦斯方法可保證突出煤層工作面機巷及開切眼的安全掘進,還可從底板巖巷向工作面傾向中部施工穿層鉆孔,用來抽采順層鉆孔長度不足在工作面傾向中部形成的空白條帶煤層瓦斯.淮北祁南煤礦7煤層為煤與瓦斯突出煤層,試驗面713工作面煤層平均厚度3.5m,平均傾角5°,瓦斯壓力2.42MPa,穿層鉆孔布置如圖14所示.在距煤層底板25m處施工底板巖巷,巷道斷面10.5m2,在巷道內施工抽采鉆場,鉆場間距25m,鉆場長為4m,在鉆場中施工穿層鉆孔,鉆孔直徑為94mm,鉆孔間距為5m,每個鉆場施工5排鉆孔,每排布置7個鉆孔,呈扇形布置,一個鉆場孔群的控制寬度為35m.在鉆孔施工過程中采用水力誘導噴孔孔群增透技術,可有效提高煤層瓦斯抽采效果.穿層鉆孔抽采期不低于5個月,抽采率可達40%以上,試驗面713工作面機巷實現了綜合機械化掘進,具備300m/月以上的掘進條件.4.3.2.試驗面穿層鉆孔對于松軟特厚突出煤層,順層鉆孔施工長度有限,從風巷、機巷施工的順層鉆孔無法覆蓋整個工作面,在這種情況下需采用雙底板巖巷網格式穿層鉆孔法抽采工作面開采區域瓦斯,工作面風巷、機巷形成后再施工部分順層鉆孔作為補充.蘆嶺煤礦8,9煤層為煤與瓦斯突出煤層,曾發生過萬噸級突出,試驗面穿層鉆孔布置如圖15所示.底板雙巖巷每隔一定距離用一聯絡巷連接,在底板雙巖巷內每隔30m,垂直于底板巖巷在下幫側以一定角度起坡,施工一長為3m的梯形鉆場,鉆場斷面尺寸6m2.在鉆場內向煤層施工穿層抽采鉆孔,直徑94～100mm,鉆孔間距10m.每一鉆場沿走向施工3排鉆孔,沿傾向每排5～6個鉆孔.工作面傾向上部穿層鉆孔無法抽采到的區域,需從風巷內施工順層鉆孔進行瓦斯抽采.通過穿層鉆孔12～18個月的瓦斯抽采,煤層瓦斯抽采率可達30%,可有效降低煤層瓦斯突出危險性,在煤層采掘作業中還需配合“四位一體”局部防突措施.4.3.3經過層鉆孔的泵送方法4.3.3.順層鉆孔的布置工作面煤層巷道在穿層鉆孔掩護下施工完成后,便可從風巷、機巷內施工順層鉆孔抽采工作面開采區域瓦斯,順層鉆孔布置如圖16所示.順層鉆孔的間距與鉆孔的抽采半徑有關,在低透氣性的突出煤層中,鉆孔間距一般按照2～3m設計,鉆孔直徑為91mm,鉆孔長度根據工作面傾向長度設計.如果煤層較厚,可根據情況布置2～3排鉆孔.為了縮短開切眼前方部分煤體的瓦斯抽采時間,在工作面里段補打一定數量的順層鉆孔,鉆孔與巷道煤壁呈75°夾角,與原順層孔交叉布置,以便提高鉆孔抽采效果,并可在回采過程中實現邊采邊抽、卸壓抽采.對于煤層松軟順層鉆孔施工困難的煤層,可采用“遞進法”施工順層孔,保證順層鉆孔覆蓋整個工作面.4.3.3.順層長鉆孔綜合治理瓦斯的施工該方法不需要底板巖巷,瓦斯抽采工程量小,適用于煤體硬度高、傾角小、賦存穩定、構造相對簡單的煤層.淮北祁南煤礦32煤層平均厚度2.38m,屬較穩定煤層,煤層具有一定的突出危險性.試驗面煤層瓦斯壓力為2.5MPa,采用順層長鉆孔遞進掩護區域性瓦斯抽采方法治理工作面瓦斯,鉆孔布置如圖17所示.工作面順層鉆孔設計間距3～5m,鉆孔直徑94mm,順層鉆孔的施工長度為80～90m,從上一區段工作面機巷向34下3工作面上半區域施工順層鉆孔抽采瓦斯,平均抽采時間不低于5個月.在順層鉆孔的掩護下施工工作面腰巷,腰巷下幫的鉆孔保護寬度不小于10m,再利用腰巷施工順層鉆孔抽采工作面下半區域煤層瓦斯,保證本工作面機巷的安全掘進,進而實現對整個工作面的區域性瓦斯抽采.應用實踐表明,突出煤層實現機械化掘進,煤巷掘進速度在300m/月以上,產量在15萬t/月以上.4.3.4鉆孔直徑、充填方式為提高順層鉆孔預抽煤層瓦斯效果,研發了交叉鉆孔抽采方法.其原理是平行鉆孔與傾向鉆孔相間布置,形成交叉鉆孔組,交叉鉆孔在交叉區內的相互作用結果,使得鉆孔的塑性應力圈半徑加大,相當于加大了抽采鉆孔直徑.另外,由于斜向鉆孔是斜向工作面偽傾斜布置,工作面推進過程中一定數量的斜向鉆孔始終位于工作面前方的卸壓帶內進行卸壓瓦斯抽采,并且作用時間比平行鉆孔要長,進而提高煤層瓦斯抽采效果,因此交叉鉆孔抽采方法比平行鉆孔抽采方法效果要好.交叉鉆孔布置還可以避免因鉆孔坍塌及堵孔而影響鉆孔瓦斯抽采效果.焦作礦務局九里山礦13051工作面交叉鉆孔布置如圖18所示,交叉鉆孔組間距為7～9m,平行鉆孔間距2～3m.根據試驗考察結果,以中塊段為例,交叉鉆孔的百米鉆孔初始瓦斯自然涌出量是平行鉆孔的2.67倍;交叉鉆孔平均百米鉆孔瓦斯抽采量是平行鉆孔的2.02倍.4.3.5廓線外鉆孔控制預抽煤巷條帶瓦斯抽采方法的順層鉆孔應區域性控制整條煤層巷道及其兩側一定范圍內的煤層,巷道兩側控制范圍:近水平、緩傾斜煤層巷道兩側輪廓線外至少各15m;傾斜、急傾斜煤層巷道上幫輪廓線外至少20m,下幫至少10m,均為沿層面距離,鉆孔應控制的條帶長度不小于60m,留有10m超前距.適用于突出危險性相對較小、硬度大,鉆孔易施工的煤層.圖19為淮北楊柳煤礦的工程應用實例,在巷道兩幫分別布置一個鉆場,在每個鉆場內距底板距離1.0m處施工8個直徑94mm的瓦斯抽采鉆孔,呈扇形布置,鉆孔長度60m左右,孔底間距1.5～2m,煤巷輪廓線外鉆孔控制范圍不小于15m,迎頭施工一排平行鉆孔.巷道每掘進50m開始施工下一個鉆場,鉆孔壓茬10m.工程實踐表明該方法可以保證類似煤層條件下煤層巷道的掘進安全.4.4在下井中開采地板和巖石4.4.1頂板走向穿層鉆孔抽采頂板走向穿層鉆孔抽采方法如圖20所示,從風巷中每隔一定距離施工斜巷進入煤層頂板,在煤層頂板中開挖鉆場,從鉆場中向工作面采空區方向施工頂板走向穿層鉆孔,每個鉆場的鉆孔個數不少于5個,分上下2排布置,鉆孔長度根據鉆機的施工能力確定,一般不小于80m,鉆孔開孔位置距煤層頂板不小于1m,沿傾斜方向鉆孔控制風巷向下30m的范圍,在垂向上鉆孔終孔一般布置跨落帶頂部和斷裂帶下部區域.為保證工作面過鉆場時頂板鉆孔的抽采效果,前后鉆場鉆孔壓茬不小于30m.頂板走向穿層鉆孔抽采方法單孔抽采量可達1m3/min以上.4.4.2長立管瓦斯抽采技術采空區埋管抽采方法是通過在風巷上幫鋪設一趟抽采管抽采采空區瓦斯,減少采空區瓦斯流入工作面.常見的采空區埋管的抽采管吸氣口位于采空區底板處,由于底板處瓦斯含量較低,造成采空區抽采的瓦斯含量偏低,一般在3%～5%之間.為提高這一方法的抽采效果,對采空區埋管抽采方法進行改進,根據頂板巖層裂隙中匯集有大量高濃度瓦斯的特點,研發了采空區長立管瓦斯抽采方法,如圖21所示,采用安裝立管的方法將采空區埋管的吸氣口抬高,吸氣口距巷道底板高度為7～9m.根據淮北祁南煤礦32煤層工作面的應用,采空區瓦斯抽采體積分數可達10%以上.4.4.3瓦斯抽采工程其他施工技術在煤層開采過程中除了采用頂板走向穿層鉆孔抽采方法和采空區埋管抽采方法外,前期施工的瓦斯抽采工程還可繼續發揮作用,包括:地面鉆井、高抽巷、順層孔、穿層孔等工程.在煤層群開采條件下,工作面瓦斯涌出量大,上述瓦斯抽采工程的利用,將減小鄰近煤層瓦斯向開采工作面的涌入,確保開采工作面的安全.4.5抽采系統的應用從防止老空區瓦斯涌出和提高瓦斯抽采利用率的角度,需要對采后的老空區進行瓦斯抽采.抽采方式主要包括地面鉆井抽采、井下巷道密閉抽采和穿層鉆孔抽采等措施.地面鉆井老空區抽采在淮北蘆嶺煤礦得到了應用,獲得了良好的抽采效果.井下巷道密閉抽采是將連同老空區的巷道密閉,在密閉墻內鋪設管路對老空區進行抽采.穿層鉆孔瓦斯抽采是在老空區附近的巷道中向老空區及頂板巖層施工穿層鉆孔進行瓦斯抽采.4.6井震對比充分影響煤的開采,發揮了豎井安全擊穿突出煤層技術當豎井工作面接近煤層時,工作面前(下)方有“漏斗”形采動卸壓區(中心為最大卸壓區;四周為部分卸壓區),并在井筒四周、工作面前方形成應力集中,根據應力的分布特征,針對性的采取立井揭煤措施,保證立井的揭煤安全.淮北桃園新副井設計井深為855.55m,將在771.1m處揭穿82煤層,煤厚2.21m,實測的煤層瓦斯壓力達4.1MPa,瓦斯含量達到13.92m3/t,煤與瓦斯突出危險性嚴重.針對這種情況,研發了深井突出煤層豎井安全揭穿煤層技術,即“三步法”豎井安全揭穿突出煤層技術,首先在距煤層法距10～15m超前探測和測定瓦斯壓力,然后在距煤層法距5m進行突出指標預測、鉆孔排放、壓風沖煤掃孔、效果檢驗及金屬骨架與馬麗散固化煤體,最后在距煤層法距1.5～2m遠距離震動炮揭穿煤層.豎井揭煤排放鉆孔施工如圖2