松软低透煤层分源瓦斯治理及瓦斯综合利用

２００４第四届国际煤层气论坛松软低透煤层分源瓦斯治理及瓦斯综合利用袁亮（淮南矿业集团）摘要：针对采掘区域瓦斯涌出及分布特点，提出并研究了顶板抽采瓦斯技术，保护层开采综合治理瓦斯技术，突出煤层边抽边掘技术，穿层钻孔预抽瓦斯技术，突出煤层消除突出危险综合治理技术，以及地面钻井预抽采动影响区域煤层瓦斯技术等一套适合淮南矿区瓦斯治理实际的成功技术，瓦斯综合治理成效显著，年抽采瓦斯量达１．５亿ｍ３，开展了大规模的瓦斯综合利用及研究。

淮南矿区开采深度－７２０ｍ，开拓深度－８２０ｍ，地质构造复杂，大于５ｍ以上的断层有４００余条，并且构造与瓦斯赋存异常关系非常密切．矿区高、突瓦斯煤层具有松软低透气性的特点，煤的硬度系数厂值为０．２—０．７，煤层原始瓦斯含量为１０～２２ｍ３／ｔ，实测最大瓦斯压力为５．７ＭＰａ，煤层透气性系数为０．０２—０．０８ｍ２／ＭＰａ２ｄ。

抽采瓦斯量３００ｍ３／ｍｉｎ，抽采瓦斯浓度１０～９５％，瓦斯综合利用储气能力１６万ｍ３．１采动卸压瓦斯治理技术１．１开采煤层顶板抽采瓦斯技术顶板抽采瓦斯是在工作面上风巷煤层顶板向采空区方向施工抽采瓦斯钻孔或巷道，抽采采空区及邻近层涌出的采动卸压瓦斯。

理论研究和数值模拟表明：对于工作面走向长度１８０ｍ，采高３ｍ，煤层顶板模拟高度４５ｍ，底板厚ｌＯｍ，煤层倾角３０。

的回采区域，从应力分析得知：煤层采出后，在工作面上风巷倾斜向下方向Ｏ～３０ｍ裂隙发育充分。

即以上风巷为界，垂直煤层向上５～２５ｍ，倾斜向下Ｏ～３０ｍ为裂隙充分发育区，此范围是布置顶板抽采瓦斯钻孔或抽采瓦斯巷道的合理区域。

试验室相似材料研究得知：Ｃ１３．１煤层在赋存垂深５８０ｍ左右，采用走向长壁开采，采高３ｍ，直接顶为５ｍ左右的细砂岩的条件下，工作面上方至后方１０ｍ的范围内，冒落带高度５～７ｍ，裂隙带高度８～２５ｍ，岩层冒落角７０。

左右。

从１９９８年开始，先后在潘一矿、潘三矿等矿井进行了顶板钻孔抽采瓦斯试验，在李一矿、新庄孜矿、谢一矿、谢二矿进行了顶板巷道抽采瓦斯试验。

顶板走向钻孔抽采瓦斯纯量１９～２０ｍ３／ｍｉｎ，抽采率达４５％以上。

创造了历史上同类条件下工作面推进速度、产量的最高记录。

根据工业性试验的现场测算结果，获得了抽采动力、钻孔数量和抽采量间的最佳匹配关系，即每个钻场布最８个钻孔，钻场问距ｌＯＯｍ，钻孔长度１２０ｍ，抽２４２００４第四届国际煤层气论坛采负压１６～２０ｋＰａ。

应用结果表明：实施顶板钻孑Ｌ抽采瓦斯技术后，降低了回风流的瓦斯鳋，与仅采用回风巷措施排放瓦斯技术相比，综采工作面的产量实现了翻番。

对于一个走向长度为１０００～１２００ｍ，倾斜长度为１５０ｍ的工作面，实施顶板抽采瓦斯技术时，可增获利润约２７２２万元，并使得商瓦斯低透气性煤层开采时回风瓦斯不超限和上隅角瓦斯不积聚。

１．２开采保护层卸压增透治理瓦斯技术１．２．１煤层群多重开采上保护层防突技术试验矿井新庄孜矿开采多组煤层群，煤层倾角２８０～３２。

，在Ｂ组煤开采过程中采用组内联合布簧方式，首先开采无突出危险的Ｂ８煤层，然后依次开采下面的ＢＴｏ、Ｂ７ａ煤层和Ｂ６、Ｂ４突出煤层。

五层煤的厚度分别为１．９ｍ、０．８ｍ、２．０ｍ、２．９ｍ、２．５ｍ，层间距分别为４．３ｍ、３．１ｍ、１２．４ｍ、３７．３ｍ。

Ｂ８煤层开采后，考察Ｂ７ｂ、Ｂ７ａ、Ｂ６、Ｂ４煤层变形量及透气性系数的变化，特别观察Ｂ８、Ｂ７ｂ、Ｂ７ａ、Ｂ６煤层先后开采对Ｂ６、Ｂ４煤层的重复保护影响，通过瓦斯压力、瓦斯流量，煤层瓦斯含量、煤层透气性系数和煤层变形量的测定，对煤巷工作面突出预测指标、落煤瓦斯涌出指标的考察和研究，确定Ｂ６、Ｂ４突出煤层的保护范围和保护效果。

研究结采表明：Ｂ８煤层开采后，在Ｂ８煤层工作面后方４０ｍ以远，突出煤层Ｂ６瓦斯压力急剧下降１８倍，降至０．２ｍｐａ：Ｂ６煤层膨胀变形达２７．１‰，远大于６％ｏ；煤层透气性系数增大了５００倍；钻孔瓦斯流量增加了３０倍；从而该区域Ｂ６煤层消除了突出危险。

Ｂ８煤层开采后，Ｂ４煤层透气性系数增加了２０倍，钻孔瓦斯流量增加了１６倍，瓦斯压力由３．６ｍＰａ降到了２．０ｍＰａ。

Ｂ６煤层开采后，在Ｂ６煤层工作面后方１００ｍ以远，Ｂ４煤层瓦斯压力降低到Ｏ．２～Ｏ．５ｍｐ。

；煤层透气性增加了５７０倍；钻孔瓦斯流量增大了４０余倍。

此结果表明：Ｂ６煤层回采工作面相对于Ｂ４煤层掘进工作面的合理超前距为不小于１００ｍ。

在Ｂ６煤层工作面１００ｍ以后，位于保护范围内的Ｂ４煤层突出危险性已经消除。

在保护范围内，Ｂ６煤层在掘进和回采过程中未发生任何动力现象和出现突出预兆，在进行防突措施效果检验中，无一次指标超限，也未发生瓦斯超限现象，安全效果十分显著。

与非保护区相比，被保护区内Ｂ６煤层掘进单进和回采单产均显著提高。

１．２．２远距离缓倾斜下保护层开采瓦斯综合治理技术试验区潘三矿Ｃ１３．１突出煤层与下方的Ｂ１１．２非突出煤层的间距达７７ｍ，保护层Ｂ１１．２试验工作面为１７１５１（１）综采工作面。

采面走向长８６０ｍ，倾斜宽１８０ｍ，煤层倾角平均为７０，煤层厚度平均１．８ｍ。

被保护层Ｃ１３．１工作面为１７８１（３）综放工作面，采面走向长１１５０ｍ，倾斜宽１５０ｍ，煤层倾角平均为７。

．煤层厚度平均４，２ｍ。

１７８１（３）与Ｊ７】５】（１）机巷布置内错ｌｇｍ，风巷内错１２ｍ。

底板专用瓦斯抽采岩巷布置在距Ｃ１３．１煤层底板１５～２８ｍ的砂岩中，倾斜方向为１７８１（３）Ｉ作面中部偏向机巷２０ｍ处。

抽采巷长度为９５０ｍ，断面为８．８ｍ２。

为确保保护层的采掘接替和抽采时间，在靠近１７８１（３）收作线所对应的瓦斯抽采巷中布置５组钻场，钻场０＝１Ｊ距为１０ｍ，每个钻场扇形布最抽采孔１５个，钻孔打至距Ｃ１３．１煤层４ｍ，厚度０．５～１．０ｍ的Ｃ１３．２煤层顶板为止。

其他钻场沿专用抽采巷每隔３０ｍ布置一个钻场，共计３２个钻场，每个钻场５个钻孔。

抽采孔见煤点间距在走向和倾斜方向均为３０ｍ，孔径９１ｍｍ。

另外施工专用考察巷７５ｍ，施工考察孔２７个，考察保护范围和保护效果。

Ｂ１１．２煤层丌采后，采用深部基点法测得Ｃ１３一ｌ煤层变形量最大值为６８ｍｍ，变形为２０．７４％０；Ｃ１３．１煤层卸压后透气性系数由２．３８×１０‘４ｍＺ／ｍｐａ２・ｄ增大到０．１４２ｍ２／ｍｐ。

２ｄ，增大５９７倍；ｃ１３．１煤层单孔瓦斯流量实测为Ｏ．１Ｌ／ｍｉｎ，卸压后单孔瓦斯流量为１６Ｌ／ｍｉｎ，钻孔瓦斯流量增大１６０倍；瓦斯压力出４．Ｉｍｐ。

基本降为零。

１７８ｌ（３）被保护层的瓦斯抽采量为１６～３２ｍ３／ｍｉｎ，平均２２ｍ３／ｍｉｎ，抽采瓦斯浓度为６ｌ％～１００％，平均７４％，单孔最大抽采量为３．６０ｍ３／ｍｉｎ，煤层瓦斯抽采率为８６．３％。

研究结果表明，被保护层Ｃ１３．１消除了突出危险，保护层采面超前被保护层掘进面的超前距为层间距的３倍，即不小于２１０ｍ。

１７８１（３）工作面在掘进过程中均未发生煤与瓦斯动力现象和突出事故。

确保了安全生产。

被保护的Ｃ１３．１煤层掘进单进由月进尺６０ｍ左右，提高到２００ｍ。

由于消除了突出危险性，允许采用综采放顶煤开采，１７８１（３），７１作面年单产将由６０万吨左右提高到１６０万吨以上。

在潘一矿，通过保护层Ｂ１１．２的开采试验，被保护层Ｃ１３．１煤层成功地消除了突出危险性，使Ｃ１３．１煤层达到了综采放顶煤开采的条件，实现了主采煤层的快速掘进和高效回采。

实验块段保护层为２３５２（１）采面，与对应的２１２１（３）块段的层间距为７０ｍ，相对层间距为３５倍。

根据现场考察，１１．２块段回采后，被保护的Ｃ１３．１煤层在保护范围内瓦斯压力由４．４ＭＰａ降为０．５ＭＰａ，瓦斯含量由１３ｍ３ａ降为５ｍ‰，煤层透气性系数由Ｏ．０１１ｍ２／ＭＰａ２．ｄ增加到３２．６９ｍ２／ＭＰａ２．ｄ，增加近３０００倍，煤层膨胀变形达到２６．３３％０，综合瓦斯排放率达６０％以上。

被保护层工作面２１２１（３）上下顺槽月掘进速度由原来的４０～６０ｍ提高到２００ｍ以上。

由于实现了综放回采，工作面平均产量由原来的１７００ｔ，ｄ提高到５１００ｔ／ｄ，达到原来的３倍。

相对瓦斯涌出量由原来的２５ｍ３，ｔ降低到５．０ｍ３／ｔ，工作面通风保产能力达到７０００Ｔ／ｄ。

２原始煤层瓦斯抽采技术２．１突出煤层边抽边掘技术针对掘进落煤过程中容易引发瓦斯异常涌出及诱发煤与瓦斯突出的实际，在掘进巷道两帮分别施工钻场，从钻场内施工沿掘进方向的长钻孔抽采瓦斯，同时，在掘进迎头施工短钻孔进行抽采。

据测定，迎头抽采钻孔在１６ｈ内所抽出的瓦斯量约占极限抽出量的８０％。

因此，迎头钻孔的抽采瓦斯时间确定为１６ｈ。

迎头钻孔的数日为每平方米断面不少于２个钻孔，钻孔长度１６～２０ｍ，并保持５ｍ以上的超前量。

巷帮长钻孔布置在巷帮卸压区内并避＿丌松动区，这样既能够提高抽采效果，又可避免钻孔漏气。

经现场测试，当钻孔距巷帮小于２．０ｍ时抽采瓦斯浓度较低，相距２．５～６．９ｍ时抽采效果最佳。

每掘进５５ｍ后退施工两个对称的钻场，这样可避免打钻和掘进相互干扰，钻场间距为５０ｍ，每个钻场内稚置３～６个钻孔，钻孔长度６０ｍ，保持钻孔压茬１０ｍ。

边抽边掘能够有效地控制工作面前方断层等地质情况，有利于及时准确地采取针对性防突措施，避免瓦斯突出事故的发生。

巷帮长钻孔抽采瓦斯不受掘进工作面施工影响，能保证不问断地抽采，能够有效地拦截巷道周边松动煤体向工作面涌出的瓦斯，减少落煤过程中的瓦斯涌出量。

长钻孔的单孔瓦斯抽采量达到Ｏ．５ｍ３／ｍｉｎ，掘进面的瓦斯抽采率达到２５％以上。

边抽边掘不仅解决了突出煤层掘进中的防突和炮后瓦斯超限问题，也提供了一种新的预抽瓦斯方法，是防治掘进面瓦斯的一项治本措施。

２．２穿层钻孔预抽技术采用穿层钻孔预抽煤层瓦斯需要煤层或煤层群具备底板巷，在底板巷内施工钻场，由钻场向煤层或煤层群施工穿层钻孔，每个钻孔都穿透整个煤层或煤层群。

孔径９１ｍｍ，钻孔间距３０ｍ，预抽时间一般为１～３年。

淮南矿区使用的穿层孔总长度超过ｌ万米。

谢二矿４２３２Ｃ１３顺槽掘进面在经过穿层预抽区域时，掘进月进尺为３５～４５ｍ，而在未预抽区域的月进尺只有２０ｍ，并且经常发生喷孑Ｌ、夹钻等情况，说明穿层预抽起到了一定的作用。

２．３突出煤层消除突出危险综合治理技术针对试验工作面属于强突出煤层，又处于四面已采的“孤岛”高应力区且无保护层开采的条件，研究试验了风力排渣和能够有效提高排渣能力的钻机具等设备，使顺层钻孔的施工成孔深度由原来的３０～５０ｍ提高到ｌｌＳｍ，满足了工作面回采区域预抽瓦斯防治突出的要求。

运用数值分析方法研究确定了顺层钻孔的合理布孔参数，为区域性消除突出危险提供了良好的技术手段。

经过抽采，不同突出危险区段的瓦斯预抽率分别达到了２５．５％和３０．２％。