煤礦瓦斯抽采方法及瓦斯抽采效果研究

1采礦機(jī)和采礦對(duì)安全生產(chǎn)的影響1.1南桐礦瓦斯概況煤炭是中國(guó)的主要能源，占能源的70%以上。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，煤炭需求也迅速增加。從2001年到2008年，中國(guó)煤炭產(chǎn)量從11.06億噸增加到27.2億噸，平均每年增長(zhǎng)18.24%。中國(guó)的煤炭和木炭行業(yè)不僅確保了中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)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(dǎo)致了氧化壓力和氧化含量的增加，地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件復(fù)雜，導(dǎo)致了瓦爾塔災(zāi)害，尤其是煤炭和瓷磚突出的損害。20世紀(jì)80年代初,南桐礦務(wù)局平均開采深度380m,瓦斯壓力1.5～6.0MPa;淮南礦務(wù)局平均開采深度490m,瓦斯壓力1.8～3.6MPa.目前,南桐礦務(wù)局平均開采深度810m,瓦斯壓力5.0～10.0MPa;淮南礦業(yè)集團(tuán)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(xiǎn)的保護(hù)層已升級(jí)為突出危險(xiǎn)煤層.2004年,全國(guó)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(chǎn)量占28.47%.全國(guó)煤礦開采以每年約10～20m的速度向深部延深.中國(guó)含煤地層以石炭二疊紀(jì)為主,經(jīng)歷過多次大型構(gòu)造運(yùn)動(dòng),許多礦區(qū)發(fā)生隆起、坳陷、褶皺和斷裂等活動(dòng),在構(gòu)造擠壓和剪切應(yīng)力的作用下,煤層結(jié)構(gòu)破壞而形成構(gòu)造煤發(fā)育,表現(xiàn)為煤質(zhì)松軟(硬度系數(shù)f=0.1～0.5),煤層滲透性差(透氣性系數(shù)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(guó)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(dá)到一定的體積分?jǐn)?shù).例如瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到5%～15%時(shí),有可能引起瓦斯爆炸事故;瓦斯體積分?jǐn)?shù)大于15%時(shí),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?jǐn)?shù)降到12%時(shí),人感到呼吸非常短促.煤與瓦斯突出是煤體中存儲(chǔ)的瓦斯能和應(yīng)力能的失穩(wěn)釋放.煤層瓦斯的大量直接排放不僅浪費(fèi)了能源資源而且嚴(yán)重污染了環(huán)境,以甲烷為主要成分的煤層瓦斯是一種具有強(qiáng)烈溫室效應(yīng)的氣體,甲烷的溫室效應(yīng)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(yù)防瓦斯超限、降低瓦斯積聚,為礦井通風(fēng)創(chuàng)造有利的條件;2)降低煤層中存儲(chǔ)的瓦斯能量、提高煤體強(qiáng)度,防治煤與瓦斯突出;3)開發(fā)利用高效潔凈的能源;4)降低對(duì)環(huán)境的污染.中國(guó)《煤礦安全規(guī)程》第145條規(guī)定了必須建立地面永久抽采瓦斯系統(tǒng)或井下臨時(shí)抽采瓦斯系統(tǒng)的條件.1.3煤礦瓦斯抽采量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的實(shí)踐中國(guó)于2002年提出了“先抽后采,監(jiān)測(cè)監(jiān)控,以風(fēng)定產(chǎn)”的12字工作方針.由于20世紀(jì)末期,中國(guó)煤炭企業(yè)經(jīng)營(yíng)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(chǎn)量的大幅度提升,導(dǎo)致2004年底至2005年初,鄭州煤業(yè)集團(tuán)大平煤礦、銅川礦務(wù)局陳家山煤礦、阜新煤業(yè)集團(tuán)孫家灣煤礦接連發(fā)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(guó)家每年投入30億元,帶動(dòng)企業(yè)和地方投資,對(duì)重點(diǎn)煤礦進(jìn)行瓦斯治理和安全技術(shù)改造.經(jīng)過近4年多的科技攻關(guān)、安全技術(shù)改造和加大監(jiān)管及監(jiān)察力度,中國(guó)煤礦瓦斯治理科技水平、裝備水平和管理水平取得了長(zhǎng)足進(jìn)步.圖1給出了中國(guó)煤礦瓦斯抽采量的增長(zhǎng)情況,從圖1中可以看出,2002年以來中國(guó)煤礦瓦斯抽采增長(zhǎng)迅速,2007年全國(guó)瓦斯抽采量達(dá)到44億m3,有10個(gè)礦業(yè)集團(tuán)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(guó)煤礦安全投入不斷增加,煤礦瓦斯抽采量增長(zhǎng)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(guó)煤礦瓦斯事故起數(shù)和死亡人數(shù)的對(duì)比分析,表中的事故起數(shù)和死亡人數(shù)是相對(duì)于2005年同類數(shù)據(jù)的百分比.從表1中可以看出,無論是事故起數(shù)還是死亡人數(shù)(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(shì),2008年的瓦斯事故起數(shù)和死亡人數(shù)僅為2005年的43.69%和35.84%.值得一提的是,對(duì)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(shù)和死亡人數(shù)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(rèn)為,中國(guó)煤礦瓦斯事故呈現(xiàn)以下特點(diǎn):1)煤礦瓦斯起數(shù)和死亡人數(shù)呈明顯下降趨勢(shì),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(xiāng)鎮(zhèn)煤礦仍然是煤礦瓦斯事故的重災(zāi)區(qū),一些低瓦斯礦井、高瓦斯礦井和未鑒定礦井發(fā)生了煤與瓦斯突出事故.2發(fā)展煤炭開采理念和概念的發(fā)展中國(guó)煤礦瓦斯抽采理念的發(fā)展先后經(jīng)歷了“局部防突措施為主、先抽后采、抽采達(dá)標(biāo)和區(qū)域防突措施先行”4個(gè)階段.2.1煤與瓦斯突出防突措施研究思路的確立20世紀(jì)50-80年代,中國(guó)煤礦瓦斯治理的重點(diǎn)是,摸清煤與瓦斯突出規(guī)律,引進(jìn)消化和吸收國(guó)外煤與瓦斯突出防治技術(shù)和經(jīng)驗(yàn),研究適合中國(guó)特點(diǎn)的煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)方法和突出防治工程方法.在此基礎(chǔ)上,20世紀(jì)80-90年代末,進(jìn)入局部防突措施為主的階段,主要任務(wù)是貫徹落實(shí)“四位一體”綜合防突措施,以1988年《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》出版和1995年的修訂為代表,研究重點(diǎn)是煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)方法與預(yù)測(cè)指標(biāo),同時(shí)兼顧突出防治工程方法的深化研究.2.2建立長(zhǎng)效機(jī)制2002年8月30日,在遼寧省鐵法煤業(yè)集團(tuán)召開的全國(guó)煤礦瓦斯防治現(xiàn)場(chǎng)會(huì)上,時(shí)任國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局、國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局局長(zhǎng)王顯政同志作了“以防治瓦斯災(zāi)害為重點(diǎn),開創(chuàng)煤礦安全生產(chǎn)工作新局面”重要講話.提出了“先抽后采,監(jiān)測(cè)監(jiān)控,以風(fēng)定產(chǎn)”的12字工作方針,致力于建立防范瓦斯事故的長(zhǎng)效機(jī)制.“先抽后采”是瓦斯防治工作的基礎(chǔ),是從源頭上治理瓦斯災(zāi)害的治本之策和關(guān)鍵之舉,體現(xiàn)了瓦斯治理預(yù)防為主、關(guān)口前移的要求,是煤礦長(zhǎng)期治理瓦斯實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié).這期間也是區(qū)域性治理與局部治理并重階段,一些瓦斯治理基礎(chǔ)較好的礦業(yè)集團(tuán),如淮南礦業(yè)集團(tuán),在長(zhǎng)期瓦斯治理經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的基礎(chǔ)上,提出了“可保盡保,應(yīng)抽盡抽”的瓦斯治理戰(zhàn)略,并得到全國(guó)突出危險(xiǎn)嚴(yán)重礦區(qū)的積極相應(yīng).2005年3月國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局、國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局在總結(jié)淮南、陽泉、平頂山、松藻等煤礦瓦斯治理經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,編寫了《煤礦瓦斯治理經(jīng)驗(yàn)五十條》,在瓦斯治理的基本思想中明確提出區(qū)域性治理與局部治理并重,實(shí)施“可保盡保,應(yīng)抽盡抽”的瓦斯治理戰(zhàn)略.并在第32條中明確提出:“強(qiáng)制開采保護(hù)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(hù)強(qiáng)突出煤層掘進(jìn)”.2.3關(guān)于規(guī)范煤礦安全生產(chǎn)實(shí)施有效措施的要求2008年7月8日,國(guó)務(wù)院安全生產(chǎn)委員會(huì)在遼寧省沈陽市召開全國(guó)煤礦瓦斯治理現(xiàn)場(chǎng)會(huì),時(shí)任國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局局長(zhǎng)王君同志作了,“通風(fēng)可靠、抽采達(dá)標(biāo)、監(jiān)控有效、管理到位,把煤礦瓦斯治理攻堅(jiān)戰(zhàn)扎實(shí)有效地推向深入”的重要講話.根據(jù)中國(guó)煤礦安全生產(chǎn)實(shí)際情況,在認(rèn)真總結(jié)煤礦瓦斯治理科研成果和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上,國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局提出了,構(gòu)建“通風(fēng)可靠、抽采達(dá)標(biāo)、監(jiān)控有效、管理到位”的煤礦瓦斯治理工作體系.為貫徹落實(shí)全國(guó)煤礦瓦斯治理現(xiàn)場(chǎng)會(huì)精神,鞏固煤礦瓦斯治理攻堅(jiān)戰(zhàn)成果,進(jìn)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(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)的明顯好轉(zhuǎn),國(guó)務(wù)院安全生產(chǎn)委員辦公室以安委辦17號(hào)文下發(fā)了,《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)煤礦瓦斯治理工作的指導(dǎo)意見》.明確提出“強(qiáng)化多措并舉、應(yīng)抽盡抽、可保盡保、抽采平衡的技術(shù)措施,確保抽采達(dá)標(biāo)”.要求煤礦經(jīng)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(fēng)流瓦斯含量要達(dá)到《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》(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(guó)煤礦煤與瓦斯突出災(zāi)害日趨嚴(yán)重,煤與瓦斯突出事故已經(jīng)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(guó)家煤礦安全監(jiān)察局組織有關(guān)專家對(duì)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》(1995年版)進(jìn)行了全面修改,將以《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》的形式頒布實(shí)施.在即將頒布實(shí)施的《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中系統(tǒng)地總結(jié)了中國(guó)煤與瓦斯突出礦區(qū)煤與瓦斯突出防治中的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn),明確提出:煤與瓦斯突出防治工作堅(jiān)持“區(qū)域防突措施先行、局部防突措施補(bǔ)充”的原則.未采取區(qū)域綜合防突措施并未達(dá)到指標(biāo)要求的嚴(yán)禁進(jìn)行采掘活動(dòng),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(shí)現(xiàn)抽采達(dá)標(biāo).瓦斯治理必須堅(jiān)持標(biāo)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(zāi)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(biāo)》第4節(jié),瓦斯抽采應(yīng)達(dá)到的指標(biāo)中規(guī)定了以下4種類型的抽采指標(biāo):1)突出煤層工作面采掘作業(yè)前必須將控制范圍內(nèi)煤層的瓦斯含量降到煤層始突深度的瓦斯含量以下或?qū)⑼咚箟毫档矫簩邮纪簧疃鹊拿簩油咚箟毫σ韵?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?qū)⒚簩油咚箟毫档?.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(qū)域性消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)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(nèi),煤的可解吸瓦斯量必須根據(jù)工作面的日產(chǎn)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(guī)定指標(biāo)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(jù)工作面絕對(duì)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(shí)進(jìn)行抽采.4)規(guī)定了不同絕對(duì)瓦斯涌出量的礦井應(yīng)達(dá)到的最低瓦斯抽采率.即礦井通過各種抽采(綜合抽采)后應(yīng)達(dá)到的最低瓦斯抽采率.上述第1種類型規(guī)定了突出煤層采前抽采應(yīng)達(dá)到的指標(biāo),第2種類型規(guī)定了高瓦斯煤層采前抽采應(yīng)達(dá)到的指標(biāo),第3種類型規(guī)定了回采工作面開采過程中抽采應(yīng)達(dá)到的指標(biāo),第4種類型規(guī)定了礦井瓦斯抽采應(yīng)達(dá)到的指標(biāo).由此可見《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》對(duì)抽采方法的劃分依據(jù)煤層開采時(shí)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(biāo)》第4節(jié)要求適用對(duì)比煤礦瓦斯抽采方法目前尚無統(tǒng)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(qū)抽采和圍巖抽采.于不凡在《煤礦瓦斯災(zāi)害防治及利用技術(shù)手冊(cè)》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(qū)抽采和綜合抽采.以上兩種分類方法主要依據(jù)開采煤層和鄰近煤(巖)層的空間關(guān)系,在次級(jí)分類方法上考慮開采時(shí)間關(guān)系.上述分類方法與《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》中第4節(jié),瓦斯抽采應(yīng)達(dá)到的指標(biāo)對(duì)應(yīng)上存在困難.為了適應(yīng)《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》煤礦瓦斯抽采的考核要求,作者對(duì)煤礦瓦斯抽采方法進(jìn)行了重新分類.分類的指導(dǎo)思想為:第1層次劃分以煤層的開采時(shí)間為依據(jù),第2層次以煤層開采的空間關(guān)系為依據(jù).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(gè)層次.第1層次分為:采前抽采(預(yù)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(jìn)工作面抽采和采空區(qū)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(qū)埋管抽采方法等.這樣的分類方法可能出現(xiàn)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(duì)該煤層瓦斯抽采應(yīng)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(duì)這些煤層的瓦斯抽采應(yīng)視為采中抽采.在煤礦生產(chǎn)實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦瓦斯的綜合抽采.3.3開采法的選擇3.3.1區(qū)域瓦斯治理突出煤層突出危險(xiǎn)區(qū)域必須采用區(qū)域性的采前瓦斯抽采方法,經(jīng)區(qū)域性抽采之后瓦斯含量和瓦斯壓力應(yīng)達(dá)到《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》的規(guī)定.區(qū)域性方法是在煤與瓦斯突出煤層開采過程中,由安全區(qū)域向不安全區(qū)域施工瓦斯治理工程,均勻有效地降低不安全區(qū)域的瓦斯含量,區(qū)域性消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性,使不安全區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)榘踩珔^(qū)域的防突方法.長(zhǎng)期理論研究和突出危險(xiǎn)煤層的開采實(shí)踐證明,開采保護(hù)層和預(yù)抽煤層瓦斯是有效地防治煤與瓦斯突出的區(qū)域性措施,該方法可以避免長(zhǎng)期與突出危險(xiǎn)煤層處于短兵相接狀態(tài),提高了防治煤與瓦斯突出措施的安全性和可靠性.中國(guó)《煤礦安全規(guī)程》第192條規(guī)定:“對(duì)于有突出危險(xiǎn)煤層,應(yīng)采取開采保護(hù)層或預(yù)抽煤層瓦斯等區(qū)域性防治突出措施”.第193條規(guī)定:“在突出礦井開采煤層群時(shí),應(yīng)優(yōu)先選擇開采保護(hù)層防治突出措施”.第198條規(guī)定:“開采保護(hù)層時(shí),應(yīng)同時(shí)抽采被保護(hù)層瓦斯”.2005年1月,國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局、國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局以局長(zhǎng)令的形式下發(fā)了《國(guó)有煤礦瓦斯治理規(guī)定》,第5條明確規(guī)定:“突出礦井必須首先開采保護(hù)層,不具備開采保護(hù)層條件的,必須對(duì)突出煤層進(jìn)行預(yù)抽,并確保預(yù)抽時(shí)間和效果”.由此可見,在現(xiàn)有技術(shù)條件下,采用區(qū)域性瓦斯治理方法對(duì)有效地防治煤與瓦斯突出,保障突出危險(xiǎn)煤層的安全高效開采具有重要的現(xiàn)實(shí)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(jù)工作面的設(shè)計(jì)產(chǎn)量,將開采煤層的可解吸瓦斯含量降到規(guī)定的指標(biāo).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(duì)較小,采用地面鉆井抽采效果相對(duì)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(jìn)過程同時(shí)施工的,這樣靠近工作面切眼施工的鉆孔瓦斯抽采時(shí)間相對(duì)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(guī)定的指標(biāo),必須根據(jù)煤層賦存、瓦斯賦存、煤層透氣性、瓦斯抽采鉆孔的布置及經(jīng)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(jù)我們的經(jīng)驗(yàn),順層間距不大于3m條件下,最短瓦斯抽采期不應(yīng)小于3個(gè)月.瓦斯涌出主要來源于鄰近煤巖層,如陽泉煤業(yè)集團(tuán)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?guī)r中瓦斯含量較高,由于開采層的采動(dòng)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(dá)到180m3/min,必須采用有效的鄰近層抽采技術(shù),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(jié)中瓦斯抽采方法同樣適應(yīng)于高瓦斯礦井采煤工作面,回采工作面瓦斯抽采率應(yīng)滿足規(guī)定的指標(biāo).4采礦法4.1地面壓裂鉆井技術(shù)地面鉆井采前抽采瓦斯是20世紀(jì)80年代在美國(guó)成功應(yīng)用的地面煤層氣開采方法,20世紀(jì)90年代開始在中國(guó)不同礦區(qū)開展試驗(yàn),除在山西沁水盆地取得了與美國(guó)SanJuan盆地相當(dāng)?shù)某椴尚Ч?在其它礦區(qū)的試驗(yàn)結(jié)果均不理想.主要原因是,我國(guó)大部分高瓦斯礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,煤層低透氣性低,多數(shù)煤層透氣性系數(shù)僅為10-3～10m2/(MPa2·d).地面壓裂鉆井結(jié)構(gòu)如圖3所示.地面鉆井采前抽采瓦斯主要分為3個(gè)階段.完井階段包括,表土段鉆井及固井、基巖段鉆井、電測(cè)井、基巖段套管安裝及固井、固井質(zhì)量檢測(cè);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(shè)備、排水降低液面高度、采氣.晉城煤業(yè)集團(tuán)藍(lán)焰煤層氣公司、中聯(lián)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(fā)電、汽車燃料和民用等.目前,中國(guó)地面鉆井技術(shù)已經(jīng)成熟.決定瓦斯抽采效果的關(guān)鍵是壓裂和排采技術(shù),除傳統(tǒng)的前置液、攜沙液和頂替液壓裂技術(shù)外,在一些礦區(qū)還試驗(yàn)了CO2壓裂驅(qū)替技術(shù);此外,還進(jìn)行了排采工藝方面的改革試驗(yàn).上述試驗(yàn)效果如何,還有待于今后抽采效果的檢驗(yàn).4.2煤炭企業(yè)積極參加監(jiān)管復(fù)礦等單位的資源開采,規(guī)范含煤炭企業(yè)采煤礦中國(guó)自20世紀(jì)50年代末期開始在北票、南桐、中梁山、天府、松藻礦務(wù)局試驗(yàn)開采保護(hù)層防止煤與瓦斯突出,取得了顯著的效果.1997年以來,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)先后與淮南礦業(yè)集團(tuán)、淮北礦業(yè)集團(tuán)、陽泉煤業(yè)集團(tuán)、沈陽煤業(yè)集團(tuán)、鄭州煤業(yè)集團(tuán)等多家煤炭企業(yè)合作,開展了多種地質(zhì)、煤層和瓦斯賦存條件下的保護(hù)層開采、頂?shù)装迕?巖)層移動(dòng)及裂隙發(fā)育規(guī)律、被保護(hù)層卸壓瓦斯解吸流動(dòng)規(guī)律及有效的卸壓瓦斯抽采方法,并形成了國(guó)家安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《保護(hù)層開采技術(shù)規(guī)范》(AQ1050-2008).4.2.1煤巖體火炬氣抽采法保護(hù)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(gè)帶,其下伏煤巖體分為底鼓裂隙帶和底鼓變形帶兩個(gè)帶.保護(hù)層開采后頂?shù)装迕簬r裂隙發(fā)育及分帶示意圖見4圖所示.開采下保護(hù)層時(shí)不得破壞被保護(hù)層的開采條件,這樣就要求被保護(hù)層應(yīng)在斷裂帶和彎曲帶.處于斷裂帶內(nèi)的煤(巖)體既產(chǎn)生平行層理的裂隙,又產(chǎn)生垂直和斜交層理的裂隙,卸壓瓦斯在抽采負(fù)壓的作用下既可以沿平行層理方向流動(dòng),也可以沿垂直和斜交層理方向流動(dòng),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(zhǎng)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(nèi)的煤(巖)體由于整體下沉,多產(chǎn)生平行層理的裂隙,卸壓瓦斯沿平行層理方向流動(dòng)相對(duì)容易,比較有效的瓦斯抽采方法有:頂板或底板巷道網(wǎng)格式上向穿層鉆孔法和地面鉆井法.而開采上保護(hù)層時(shí),要求被保護(hù)層應(yīng)在底鼓裂隙帶和底鼓變形帶內(nèi),被保護(hù)層所處的區(qū)域不同,煤(巖)體裂隙發(fā)育差異較大,但由于位于保護(hù)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(wǎng)格式穿層鉆孔法為主.4.2.2地面鉆井結(jié)構(gòu)地面鉆井抽采卸壓瓦斯方法適用于下保護(hù)層開采條件,其優(yōu)點(diǎn)為:1)地面鉆井將穿過下保護(hù)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(hù)層開采的卸壓區(qū)開始,到地面鉆井報(bào)廢止(鉆井損壞或抽不出瓦斯),全部為抽采期,抽采期長(zhǎng);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(hù)層工作面推進(jìn)到鉆井設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)如圖5所示.地面鉆井結(jié)構(gòu)一般分為3段:第1段為表土段,鉆井穿過表土進(jìn)入堅(jiān)硬基巖,下套管,進(jìn)行表土段固井;第2段為基巖段,鉆井鉆進(jìn)至目標(biāo)層(卸壓瓦斯抽采煤層或煤層群)頂板20～40m,下套管,進(jìn)行基巖段固井(套管長(zhǎng)度為第1段與第2段之和、固井至地面);第3段為目標(biāo)段,鉆井鉆進(jìn)至保護(hù)層頂板5～10m(取決于保護(hù)層開采厚度),下篩管,不固井.根據(jù)淮南礦區(qū)地面鉆井卸壓瓦斯抽采試驗(yàn)證明,有效抽采半徑可達(dá)200m,設(shè)計(jì)時(shí)抽采半徑取150m.沿走向方向第一個(gè)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(fēng)巷的距離為工作面長(zhǎng)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(nèi),單井瓦斯抽采量可達(dá)到10～20m3/min,抽采瓦斯的體積分?jǐn)?shù)達(dá)70%～90%,瓦斯抽采率可達(dá)60%以上.4.2.3瓦斯抽采效果分析井下穿層鉆孔是被保護(hù)層卸壓瓦斯抽采的最基本方法,也是我國(guó)被保護(hù)層卸壓瓦斯抽采普遍應(yīng)用的方法.采用井下穿層鉆孔抽采卸壓瓦斯具有以下優(yōu)點(diǎn):1)根據(jù)保護(hù)層與被保護(hù)層的賦存特點(diǎn)和相對(duì)層位關(guān)系,可以機(jī)動(dòng)靈活地布置抽采巷道,施工瓦斯抽采鉆孔,適應(yīng)性強(qiáng),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(jù)前面的瓦斯抽采情況,優(yōu)化后續(xù)抽采工程設(shè)計(jì)和施工,改善卸壓瓦斯的抽采效果;3)瓦斯抽采期長(zhǎng),抽采效果好.根據(jù)保護(hù)層與被保護(hù)層的賦存特點(diǎn)和相對(duì)層位關(guān)系,用于被保護(hù)層卸壓瓦斯抽采的專用巷道和穿層鉆孔的設(shè)計(jì)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(jié)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(shí)測(cè)煤層瓦斯壓力為5.0MPa,選擇B11煤層作為C13煤層的下保護(hù)層開采,層間距70m,采用底板巖巷網(wǎng)格式上向穿層鉆孔法抽采被保護(hù)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(nèi),在保護(hù)范圍內(nèi)每隔30～40m布置一長(zhǎng)度5m的水平抽采鉆場(chǎng).在每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)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(zhǔn),孔底進(jìn)入C13煤層頂板0.5m,保證保護(hù)層開采過程中能夠有效的抽采被保護(hù)層卸壓瓦斯,鉆孔布置如圖6所示.根據(jù)考察結(jié)果,在保護(hù)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(shù)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(xiǎn)性.被保護(hù)層采掘?qū)嵺`表明,煤巷月掘進(jìn)速度由原來的40～60m,提高到200m以上,工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤采煤方法,工作面具備日產(chǎn)萬噸的生產(chǎn)能力.4.2.3.被教師無煤層煤瓦斯抽采系統(tǒng)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(hù)層進(jìn)行開采.試驗(yàn)區(qū)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(hù)層卸壓瓦斯抽采采用底板巖巷網(wǎng)格式上向穿層鉆孔法,鉆孔布置如圖7所示.考慮到保護(hù)層工作面傾向較長(zhǎng),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(nèi)每隔15m布置1個(gè)鉆場(chǎng),每個(gè)鉆場(chǎng)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(shè)計(jì)鉆孔間距,鉆孔間距15m.在保護(hù)層采動(dòng)作用下,12煤層相對(duì)膨脹變形為0.72%,被保護(hù)層卸壓范圍內(nèi)煤層透氣性系數(shù)增加了1010倍,被保護(hù)層瓦斯抽采率達(dá)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(hù)層工作面的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性,12煤層滿足了高產(chǎn)高效的開采要求.4.2.3.施工穿層鉆孔現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用李二礦主采煤層為B8,B9,B11b,C13煤層,在該區(qū)域由于地層倒轉(zhuǎn),造成煤層傾角大,平均角度為80°,礦井采用B9煤層保護(hù)B8煤層.針對(duì)急傾斜煤層裂隙發(fā)育及卸壓瓦斯流動(dòng)規(guī)律,采用從保護(hù)層工作回風(fēng)巷、工作面運(yùn)輸巷和底板巖巷內(nèi)施工穿層鉆孔抽采瓦斯,鉆孔布置如圖8所示.在工作回風(fēng)巷、工作面運(yùn)輸巷內(nèi)每隔30m向底板方向做一長(zhǎng)度為5m的鉆場(chǎng),每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)沿傾向向B8煤層打3～4個(gè)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(nèi)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(xiǎn)性,同時(shí)攔截卸壓瓦斯,降低保護(hù)層工作面的瓦斯涌出量,確保保護(hù)層工作面的安全回采.經(jīng)B8煤層開采驗(yàn)證,煤巷月掘進(jìn)速度提高了1倍,工作面平均日產(chǎn)量提高了3倍.4.2.3.煤層巷道內(nèi)穿層裂隙控制在保護(hù)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(fēng)巷和機(jī)巷)內(nèi)向頂?shù)装灞槐Ｗo(hù)煤層施工一定數(shù)量的穿層鉆孔抽采被保護(hù)層卸壓瓦斯.由于空間位置關(guān)系,從沿空留巷內(nèi)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(gè)被保護(hù)層工作面,這就需要被保護(hù)煤層位于保護(hù)層開采后形成的頂板斷裂帶或底鼓裂隙帶內(nèi),被保護(hù)層處于該層位時(shí),層間巖層內(nèi)形成有大量的穿層裂隙與保護(hù)層采空區(qū)導(dǎo)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(hù)層開采過程中,被保護(hù)層部分卸壓瓦斯由穿層鉆孔抽采,部分卸壓瓦斯經(jīng)層間穿層裂隙進(jìn)入保護(hù)層工作面的采空區(qū),因此該方法需要與采空區(qū)埋管抽采方法配合使用,需要在沿空留巷巷幫充填時(shí)預(yù)埋管路用于采空區(qū)瓦斯抽采,如圖9所示,為淮南新莊孜煤礦保護(hù)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(jié)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(qiáng)突出煤層,在采掘過程中已發(fā)生多次煤與瓦斯突出事故,采用下部的一9煤層作保護(hù)層進(jìn)行開采,層間距為18.5m,一9煤層厚度平均為0.3m.保護(hù)層采用螺旋鉆采煤機(jī)鉆采開采,采用底抽巷上向網(wǎng)格式穿層鉆孔法抽采被保護(hù)層卸壓瓦斯,如圖10所示.在極薄保護(hù)層一9煤層工作面沿走向施工2條底抽巷,在底抽巷內(nèi)每隔10m布置一鉆場(chǎng),在鉆場(chǎng)沿傾向二1煤層施工10個(gè)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(shí)踐表明,煤層透氣性系數(shù)提高了403倍,被保護(hù)煤層瓦斯抽采率達(dá)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(xiǎn)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(shù)井下巷道卸壓瓦斯抽采方法主要適用于被保護(hù)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(jié)合陽泉礦區(qū)的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行介紹.走向高抽巷一般和內(nèi)錯(cuò)式尾巷聯(lián)合使用,其巷道布置如圖11所示,從采區(qū)專用回風(fēng)大巷以25°～30°斜坡施工一穿層斜巷到達(dá)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(fēng)巷、距回風(fēng)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(gè)直徑100mm的下向瓦斯抽采鉆孔,鉆孔末端進(jìn)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(zhì)構(gòu)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(cuò)式尾巷“U+L”通風(fēng)方式聯(lián)合使用.4.2.5代高抽巷式導(dǎo)放系統(tǒng)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(zhǎng)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(hù)層處在斷裂帶的條件,鉆孔數(shù)量3～5個(gè),直徑150～200mm,鉆進(jìn)長(zhǎng)度依據(jù)工作面走向長(zhǎng)度而定,一般為500～1000m,布置在距工作面風(fēng)巷10～40mm范圍內(nèi),高度為工作面采高的8～10倍,保護(hù)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(dòng)影響煤礦效果及對(duì)策對(duì)于原始煤體,可認(rèn)為瓦斯在煤層中的流動(dòng)符合達(dá)西定律,一般采用穿層鉆孔或順層鉆孔進(jìn)行煤層瓦斯抽采.在一定時(shí)間內(nèi),煤層瓦斯向鉆孔的流動(dòng)視徑向流動(dòng).預(yù)抽煤層瓦斯效果與煤層透氣性系數(shù)、抽采負(fù)壓、鉆孔直徑等因素有關(guān),但影響效果的程度不同.根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),通過增加煤層透氣性系數(shù),比如深孔松動(dòng)爆破、孔群水利增透等措施將煤層瓦斯徑向流動(dòng)改善為煤層—裂隙—鉆孔的混合流動(dòng),可有效增加煤層瓦斯抽采效果.再保證一定的預(yù)抽時(shí)間,可降低煤層瓦斯含量,消除其突出危險(xiǎn)性.4.3.2通過層鉆孔抽吸法4.3.2.地面地面鉆孔現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用單底板巖巷網(wǎng)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(jī)巷及開切眼的安全掘進(jìn),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(zhǎng)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(yàn)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(nèi)施工抽采鉆場(chǎng),鉆場(chǎng)間距25m,鉆場(chǎng)長(zhǎng)為4m,在鉆場(chǎng)中施工穿層鉆孔,鉆孔直徑為94mm,鉆孔間距為5m,每個(gè)鉆場(chǎng)施工5排鉆孔,每排布置7個(gè)鉆孔,呈扇形布置,一個(gè)鉆場(chǎng)孔群的控制寬度為35m.在鉆孔施工過程中采用水力誘導(dǎo)噴孔孔群增透技術(shù),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(gè)月,抽采率可達(dá)40%以上,試驗(yàn)面713工作面機(jī)巷實(shí)現(xiàn)了綜合機(jī)械化掘進(jìn),具備300m/月以上的掘進(jìn)條件.4.3.2.試驗(yàn)面穿層鉆孔對(duì)于松軟特厚突出煤層,順層鉆孔施工長(zhǎng)度有限,從風(fēng)巷、機(jī)巷施工的順層鉆孔無法覆蓋整個(gè)工作面,在這種情況下需采用雙底板巖巷網(wǎng)格式穿層鉆孔法抽采工作面開采區(qū)域瓦斯,工作面風(fēng)巷、機(jī)巷形成后再施工部分順層鉆孔作為補(bǔ)充.蘆嶺煤礦8,9煤層為煤與瓦斯突出煤層,曾發(fā)生過萬噸級(jí)突出,試驗(yàn)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(lián)絡(luò)巷連接,在底板雙巖巷內(nèi)每隔30m,垂直于底板巖巷在下幫側(cè)以一定角度起坡,施工一長(zhǎng)為3m的梯形鉆場(chǎng),鉆場(chǎng)斷面尺寸6m2.在鉆場(chǎng)內(nèi)向煤層施工穿層抽采鉆孔,直徑94～100mm,鉆孔間距10m.每一鉆場(chǎng)沿走向施工3排鉆孔,沿傾向每排5～6個(gè)鉆孔.工作面傾向上部穿層鉆孔無法抽采到的區(qū)域,需從風(fēng)巷內(nèi)施工順層鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采.通過穿層鉆孔12～18個(gè)月的瓦斯抽采,煤層瓦斯抽采率可達(dá)30%,可有效降低煤層瓦斯突出危險(xiǎn)性,在煤層采掘作業(yè)中還需配合“四位一體”局部防突措施.4.3.3經(jīng)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(hù)下施工完成后,便可從風(fēng)巷、機(jī)巷內(nèi)施工順層鉆孔抽采工作面開采區(qū)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(guān),在低透氣性的突出煤層中,鉆孔間距一般按照2～3m設(shè)計(jì),鉆孔直徑為91mm,鉆孔長(zhǎng)度根據(jù)工作面傾向長(zhǎng)度設(shè)計(jì).如果煤層較厚,可根據(jù)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(shí)間,在工作面里段補(bǔ)打一定數(shù)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(shí)現(xiàn)邊采邊抽、卸壓抽采.對(duì)于煤層松軟順層鉆孔施工困難的煤層,可采用“遞進(jìn)法”施工順層孔,保證順層鉆孔覆蓋整個(gè)工作面.4.3.3.順層長(zhǎng)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(wěn)定、構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單的煤層.淮北祁南煤礦32煤層平均厚度2.38m,屬較穩(wěn)定煤層,煤層具有一定的突出危險(xiǎn)性.試驗(yàn)面煤層瓦斯壓力為2.5MPa,采用順層長(zhǎng)鉆孔遞進(jìn)掩護(hù)區(qū)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(shè)計(jì)間距3～5m,鉆孔直徑94mm,順層鉆孔的施工長(zhǎng)度為80～90m,從上一區(qū)段工作面機(jī)巷向34下3工作面上半?yún)^(qū)域施工順層鉆孔抽采瓦斯,平均抽采時(shí)間不低于5個(gè)月.在順層鉆孔的掩護(hù)下施工工作面腰巷,腰巷下幫的鉆孔保護(hù)寬度不小于10m,再利用腰巷施工順層鉆孔抽采工作面下半?yún)^(qū)域煤層瓦斯,保證本工作面機(jī)巷的安全掘進(jìn),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工作面的區(qū)域性瓦斯抽采.應(yīng)用實(shí)踐表明,突出煤層實(shí)現(xiàn)機(jī)械化掘進(jìn),煤巷掘進(jìn)速度在300m/月以上,產(chǎn)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(yù)抽煤層瓦斯效果,研發(fā)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(qū)內(nèi)的相互作用結(jié)果,使得鉆孔的塑性應(yīng)力圈半徑加大,相當(dāng)于加大了抽采鉆孔直徑.另外,由于斜向鉆孔是斜向工作面?zhèn)蝺A斜布置,工作面推進(jìn)過程中一定數(shù)量的斜向鉆孔始終位于工作面前方的卸壓帶內(nèi)進(jìn)行卸壓瓦斯抽采,并且作用時(shí)間比平行鉆孔要長(zhǎng),進(jìn)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(wù)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(jù)試驗(yàn)考察結(jié)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(yù)抽煤巷條帶瓦斯抽采方法的順層鉆孔應(yīng)區(qū)域性控制整條煤層巷道及其兩側(cè)一定范圍內(nèi)的煤層,巷道兩側(cè)控制范圍:近水平、緩傾斜煤層巷道兩側(cè)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(yīng)控制的條帶長(zhǎng)度不小于60m,留有10m超前距.適用于突出危險(xiǎn)性相對(duì)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(yīng)用實(shí)例,在巷道兩幫分別布置一個(gè)鉆場(chǎng),在每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)距底板距離1.0m處施工8個(gè)直徑94mm的瓦斯抽采鉆孔,呈扇形布置,鉆孔長(zhǎng)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(jìn)50m開始施工下一個(gè)鉆場(chǎng),鉆孔壓茬10m.工程實(shí)踐表明該方法可以保證類似煤層條件下煤層巷道的掘進(jìn)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(fēng)巷中每隔一定距離施工斜巷進(jìn)入煤層頂板,在煤層頂板中開挖鉆場(chǎng),從鉆場(chǎng)中向工作面采空區(qū)方向施工頂板走向穿層鉆孔,每個(gè)鉆場(chǎng)的鉆孔個(gè)數(shù)不少于5個(gè),分上下2排布置,鉆孔長(zhǎng)度根據(jù)鉆機(jī)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(fēng)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(qū)域.為保證工作面過鉆場(chǎng)時(shí)頂板鉆孔的抽采效果,前后鉆場(chǎng)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(dá)1m3/min以上.4.4.2長(zhǎng)立管瓦斯抽采技術(shù)采空區(qū)埋管抽采方法是通過在風(fēng)巷上幫鋪設(shè)一趟抽采管抽采采空區(qū)瓦斯,減少采空區(qū)瓦斯流入工作面.常見的采空區(qū)埋管的抽采管吸氣口位于采空區(qū)底板處,由于底板處瓦斯含量較低,造成采空區(qū)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(duì)采空區(qū)埋管抽采方法進(jìn)行改進(jìn),根據(jù)頂板巖層裂隙中匯集有大量高濃度瓦斯的特點(diǎn),研發(fā)了采空區(qū)長(zhǎng)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(qū)埋管的吸氣口抬高,吸氣口距巷道底板高度為7～9m.根據(jù)淮北祁南煤礦32煤層工作面的應(yīng)用,采空區(qū)瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)可達(dá)10%以上.4.4.3瓦斯抽采工程其他施工技術(shù)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(qū)埋管抽采方法外,前期施工的瓦斯抽采工程還可繼續(xù)發(fā)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(tǒng)的應(yīng)用從防止老空區(qū)瓦斯涌出和提高瓦斯抽采利用率的角度,需要對(duì)采后的老空區(qū)進(jìn)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(qū)抽采在淮北蘆嶺煤礦得到了應(yīng)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(qū)的巷道密閉,在密閉墻內(nèi)鋪設(shè)管路對(duì)老空區(qū)進(jìn)行抽采.穿層鉆孔瓦斯抽采是在老空區(qū)附近的巷道中向老空區(qū)及頂板巖層施工穿層鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采.4.6井震對(duì)比充分影響煤的開采,發(fā)揮了豎井安全擊穿突出煤層技術(shù)當(dāng)豎井工作面接近煤層時(shí),工作面前(下)方有“漏斗”形采動(dòng)卸壓區(qū)(中心為最大卸壓區(qū);四周為部分卸壓區(qū)),并在井筒四周、工作面前方形成應(yīng)力集中,根據(jù)應(yīng)力的分布特征,針對(duì)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(shè)計(jì)井深為855.55m,將在771.1m處揭穿82煤層,煤厚2.21m,實(shí)測(cè)的煤層瓦斯壓力達(dá)4.1MPa,瓦斯含量達(dá)到13.92m3/t,煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性嚴(yán)重.針對(duì)這種情況,研發(fā)了深井突出煤層豎井安全揭穿煤層技術(shù),即“三步法”豎井安全揭穿突出煤層技術(shù),首先在距煤層法距10～15m超前探測(cè)和測(cè)定瓦斯壓力,然后在距煤層法距5m進(jìn)行突出指標(biāo)預(yù)測(cè)、鉆孔排放、壓風(fēng)沖煤掃孔、效果檢驗(yàn)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(yuǎn)距離震動(dòng)炮揭穿煤層.豎井揭煤排放鉆孔施工如圖2