薄煤层群煤与瓦斯共采技术研究_舒彦民

技术经验

薄煤层群煤与瓦斯共采技术研究

舒彦民1，赵

益2，孙建华2，姜天文2，张锦鹏2

（1．龙煤集团七台河分公司，黑龙江七台河154600；2．黑龙江科技学院，黑龙江哈尔滨150027）

摘要：七台河矿区具有煤层薄、透气性差、煤的坚固性系数小、瓦斯含量高、吸附性强、瓦斯涌出初

速度衰减快等特点，同时矿区煤层群具有分组性，各组内煤层间距较小。为解决煤层顺层钻孔施工难度大、

瓦斯抽放效果差，以及回采工作面上隅角和回风流中瓦斯浓度容易超限等难题，提出沿空留巷邻近层瓦斯抽采技术，构建了七台河矿区薄煤层群煤与瓦斯共采技术体系，并在七台河桃山矿进行了应用研究。应用结果表明，该技术能够实现煤与瓦斯安全高效共采。

关键词：煤与瓦斯共采；保护层开采；沿空留巷穿层钻孔；瓦斯抽采

中图分类号：TD712+．67

文献标志码：B

文章编号：1008－4495（2011）04－0047－03

收稿日期：2010－12－02；2011－03－25修订

作者简介：舒彦民（1966—），男（满族），黑龙江阿城人，硕士，高级工程师。

七台河矿区位于黑龙江省东部，地处勃利煤田，煤炭资源赋存条件较差，向斜、背斜构造及断裂构造较多，煤层平均厚度0．86m ，是全国煤层最薄的矿区之一。产品以焦煤、1/3焦煤和动力煤为主，是全国三大稀有保护性开采煤田之一。目前，七台河矿区部分生产矿井的开采深度已达－500 －600m ，且开采深度、瓦斯含量和瓦斯涌出量每年以较高的速度递增，未来10年，煤与瓦斯突出威胁继续增大，深部开采面临巨大的技术挑战；另一方面，瓦斯（煤层气）既是我国煤矿生产过程中的主要灾害源，也是一种洁净能源和优质化工原料，是21世纪的重要接替能源之一。针对七台河区煤层群的煤层薄、透气性差、煤的坚固性系数小、瓦斯含量高、吸附性强、瓦斯涌出初速度衰减快等特点，考虑到矿区煤层群具有分组性，各组内煤层间距小，存在邻近层和采空区瓦斯涌出量大，煤层顺层钻孔施工难度大、抽放效果差，回采工作面上隅角和回风流中瓦斯浓度容易超限等问题，提出煤与瓦斯共采技术新思路：煤层群进行分组开采，每组选取最佳首采关键层作为保护层进行开采，同时结合沿空留巷穿层钻孔抽采技术，对邻近层卸压瓦斯进行抽采，实现连续抽采卸压瓦斯与回采工作面采煤同步推进，实现高效的工业化煤与瓦斯共采，将抽采的高、低浓度瓦斯分别输送到地面加以利用。

1煤与瓦斯共采的基础理论

煤与瓦斯共采是针对我国高瓦斯矿区煤系地层

多为煤层群的条件和煤层的低透气性特征，将煤与瓦斯作为资源，结合我国煤矿长期治理瓦斯的成功经验，通过固、

气2套系统进行煤与瓦斯安全高效共采的矿井瓦斯治理理念与方法，即通过“首采煤层”的开采，在煤系地层中产生“卸压增透增流”效应图，形成瓦斯“解吸—扩散—渗流”活化流动的条件，并通过合理高效的瓦斯抽采方法和抽采系统，同时实现瓦斯资源的高效抽采。瓦斯资源的抽采可大幅度地减少“卸压煤层”的瓦斯含量，消除其煤与瓦斯突出危险性，减少卸压煤层开采时的瓦斯涌出量，从而实现卸压煤层的安全高效开采［1－2］。1．1

采空区顶板裂隙发育及瓦斯流动规律

煤层开采将引起岩层移动与破断，并在岩层中形成采动裂隙。按采动裂隙性质可分为2类：离层

裂隙；竖向破断裂隙。当采空区顶板充分垮落后，采空区中部岩层和下方的矸石紧密接触，从而使得采空区中部顶板岩层裂隙基本被压实，其四周形成一个环形的采动裂隙发育区，称之为“O ”形圈。在“O ”形圈上方或者下方受采动影响的煤层瓦斯在含量梯度和压力梯度作用下以扩散和渗流的形式向“O ”形圈内运移，使得“O ”形圈成为卸压煤层瓦斯聚积和运移的主要通道［3－5］。

研究表明，在采空区竖直方向上，形成了一个

“∩”形拱采动裂隙区。采空区不同涌出源的瓦斯在浮力作用下沿采动裂隙带裂隙通道上升，上升中不断掺入周围气体，使涌出源瓦斯与环境气体的密度差逐

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渐减小，直到密度差为0，混合气体则聚积在裂隙带上部的离层裂隙内。涌入采空区的瓦斯，在其含量梯度作用下引起普通扩散，由于空气的重力作用产生方向向下的压强梯度，则其产生的扩散流方向，与压强梯

度反向，即瓦斯气体具有向上扩散的趋势。因此，

在瓦斯浮力、含量梯度及通风负压的作用下，“∩”形拱采动裂隙区成为瓦斯聚积区，为采动裂隙带内钻孔抽采、

巷道排放等治理瓦斯技术提供依据［3－6］。1．2采空区底板裂隙发育及瓦斯流动规律在沿工作面推进方向，煤层底板岩层将出现压缩、膨胀、再压缩的过程。在煤壁前方附近，煤层底板受支承压力的作用而被压缩，工作面推过后，底板处于膨胀状态，随着工作面的进一步推进，顶板岩层开始在采空区垮落，采空区内垮落矸石对膨胀底板又起着压实作用，并且随顶板垮落或顶板活动的结束施加给底板的压实荷载也越来越大，直至恢复或接近恢复到原岩应力状态。

上保护层开采后，采空区底板一定范围的煤岩层发生底鼓破坏和膨胀变形，结合采场底板岩层的裂隙发育状况，可将底板受到采动影响的煤岩层分为底鼓裂隙带和底鼓变形带，如图1所示。根据现场试验考察及相关资料统计分析［7］，底鼓裂隙带下限在底板下方15 25m ，该带内的裂隙主要为煤岩层离层后形成的沿层理的顺层张裂隙和岩层破断后垂直、斜交层理形成的穿层裂隙，穿层裂隙将该带内的煤层与采空区导通，煤层瓦斯可沿穿层裂隙进入保护层采空区，瓦斯涌入采空区的阻力随深度的增加逐渐加大；底鼓变形带下限在底板下方50 60m ，该带内裂隙以沿层理形成的顺层张裂隙为主，处于该带的被保护层发生膨胀变形，吸附瓦斯解吸，大量卸压瓦斯汇集在煤层中的裂隙内，裂隙随层间距加大逐渐减少。沿工作面走向，随着底板煤岩层应力的变化，可分为应力增高区、应力降低区和应力恢复

区，如图2所示。沿走向三区的划分，

为下被保护层卸压瓦斯抽采最佳时间的确定提供了理论依据

。

图1

采空区底板裂隙分布及分带示意图

图2下伏岩层裂隙发育及走向分区示意图

2

煤与瓦斯共采技术

2．1

煤与瓦斯共采技术体系

由于七台河矿区煤层群具有分组性，各组内煤

层间距较小，煤层开采受邻近层瓦斯涌出量影响较大，因此选择煤层群各组煤的中间煤层作为首采煤层，采用沿空留巷上向和下向穿层钻孔抽采首采煤层采空区和邻近煤层瓦斯，形成七台河矿区煤层群煤与瓦斯共采技术体系，实现首采层及其邻近煤层煤炭资源和瓦斯资源的安全高效开采。七台河煤层群煤与瓦斯共采技术体系见图3

。

图3七台河煤层群煤与瓦斯共采技术体系框图

2．2沿空留巷穿层抽采技术

根据七台河煤层群赋存地质特征、煤层实际开

采情况及有效卸压范围计算可知，上保护层有效卸压范围小于50m ，下保护层有效卸压范围小于

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