一种煤层采场优势瓦斯运移通道阶梯式构建方法与流程

本发明涉及一种煤层采场优势瓦斯运移通道阶梯式构建方法，尤其适用于深部煤层群首采层采场煤岩体内外瓦斯运移通道的逐级构建。

背景技术：

我国煤炭开采已逐步进入深井开采时代，深部煤层群首采层开采后，层内的采动瓦斯和邻近煤层的卸压瓦斯大量涌入回采空间，瓦斯问题日益严峻。传统的U型通风方式适用性降低，难形成优势风流系统，同时随着采深的加大，深部煤层地应力升高，巷道变形严重，深部留巷构筑困难，在煤岩体外部空间难以形成优势瓦斯流动通道，带来煤岩体外部空间瓦斯排采效率低下，局部区域的瓦斯积聚问题；同时深部煤层赋存条件复杂，在坚硬顶板条件下和深部应力环境中，靠天然的采动作用难以在煤岩体内部形成顶板竖向裂隙通道，瓦斯难以沿顶板竖向裂隙通道向上运移形成富集，煤岩体内部瓦斯运移不畅，造成采空区积聚大量瓦斯，造成瓦斯超限。因此，如何在深井高应力和复杂赋存条件下，实现煤岩体外部和内部优势瓦斯运移通道的构建成为深部煤层群首采层瓦斯高效治理亟需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种科学有效、能有效解决深部煤层群首采层存在的瓦斯大、流动差、难导流问题的煤层采场优势瓦斯运移通道阶梯式构建方法，在煤层采场内外空间分别构建形成优势瓦斯运移通道，形成相互连通的采场优势瓦斯运移通道系统，实现采场瓦斯的优势运移和高效富集，从而为采场瓦斯的综合导流治理打下基础。

为实现上述目的，本发明的煤层采场优势瓦斯运移通道阶梯式构建方法，其特征在于包括以下步骤：

a.对首采层进行常规开采，工作面、辅助进风巷、主进风巷在采场煤岩体外部形成瓦斯运移通道，同时，在采动应力作用和采动卸压效应影响下，煤层中采动裂隙不断发展，在首采层中形成层内采动裂隙，并在顶板岩层和底板岩层内分别形成顶板竖向裂隙和底板穿层裂隙；

b.工作面随着开采向前推进后，在首采层内快速构筑留巷墙体，在工作面后方快速形成留巷优势瓦斯运移通道，即在采场煤岩体外部空间形成瓦斯高效引流通道，优化了风的流动方向，煤岩体外部空间的瓦斯随风流沿引流通道流动，有效实现了煤岩体外部空间瓦斯的引流排采，避免了煤岩体外部空间局部区域的瓦斯积聚；

c.根据采动应力的变化分布特征，确定留巷优势瓦斯运移通道重点强化支护维稳区的范围，对处在采动应力影响区的辅助进风巷道和留巷优势瓦斯运移通道进行分区强化支护维稳；

d.在首采层开采过程中，针对顶板变化条件，当出现坚硬顶板条件时，在进风巷和辅助进风巷内超前工作面向坚硬顶板内施工人工导向预裂钻孔，产生的人工导向裂隙随着采动应力的变化，在采场煤岩层内部诱导形成了顶板竖向裂隙优势瓦斯运移通道，并促进形成了上覆岩层岩石裂隙区，层内的采动裂隙区和采空区松散岩石裂隙区与上覆岩层岩石裂隙区通过顶板竖向裂隙优势瓦斯运移通道相互连通，从而避免采空区瓦斯的积聚，促进采场瓦斯的流动富集；

e.在逐步完成采场煤岩体内部顶板竖向裂隙优势瓦斯运移通道和外部留巷优势瓦斯运移通道的构建后，继续工作面的推进，首采层层内采动裂隙区内的瓦斯大量解吸扩散，涌入工作面、辅助进风巷、主进风巷，进一步沿引流通道涌入留巷优势瓦斯运移通道和采空区，工作面、辅助进风巷、主进风巷煤岩体外部空间和层内采动裂隙区内的部分瓦斯沿顶板竖向裂隙优势瓦斯运移通道向上运移，在上覆岩层岩石裂隙区内形成富集；

在工作面的推进过程中，受首采层采动影响，底板穿层裂隙在采动卸压作用下逐渐发展形成底板穿层裂隙优势瓦斯运移通道，下覆煤层的卸压瓦斯沿底板穿层裂隙优势瓦斯运移通道上浮运移，涌入首采层工作面、辅助进风巷、主进风巷、留巷优势瓦斯运移通道和采空区，瓦斯在采空区松散裂隙区内富集，同时采空区瓦斯沿顶板竖向裂隙优势瓦斯运移通道向上运移，并在上覆岩层岩石裂隙区内形成富集；

f.随着首采层的进一步开采，重复步骤a-e，使得瓦斯在煤岩体外部空间沿所构建的留巷优势瓦斯运移通道高效有序流动，同时瓦斯在煤岩层内部沿所构建的顶板竖向裂隙优势瓦斯运移通道和底板穿层裂隙优势瓦斯运移通道流动富集，在采动应力的作用下，最终形成相互连通的采场优势瓦斯运移通道系统，并逐渐形成层内采动裂隙区、采空区松散岩石裂隙区、上覆岩层岩石裂隙区和下覆煤岩层岩石及煤层裂隙区瓦斯富集区，为瓦斯集中导流抽采创造了良好的条件。

所述重点强化支护维稳区为从超前工作面距离a到滞后工作面距离b的这段范围，距离a和距离b的长度不小于200m。

所述留巷墙体)采用高性能充填材料构筑，以适应深部首采层的高地应力环境特点和更好隔绝采空区，实现留巷优势瓦斯运移通道对瓦斯的稳定高效引流。

所述对处在采动应力影响区的辅助进风巷道和留巷优势瓦斯运移通道进行分区强化支护维稳的方式是：采用深锚支护、单体支柱和“U型钢+钻孔喷注浆”联合进行强化支护，保证辅助进风巷道和留巷优势瓦斯运移通道不发生大的变形，并根据采动应力的变化特征，灵活增加和减小支护的密度和强度，保持辅助进风巷道和留巷优势瓦斯运移通道的稳定性，进一步实现留巷优势瓦斯运移通道对煤岩体外部空间瓦斯的稳定高效引流。

所述的人工导向预裂钻孔的施工角度、方位、数量和组间距应根据坚硬顶板的硬度等级和厚度优化确定。

所述的人工导向预裂钻孔是通过采取爆破、水力化人工预裂措施超前在坚硬顶板内部形成人工导向裂隙。

有益效果：由于煤层开采后，瓦斯的扩散和运移是无序的，本发明通过在煤体内部构建裂隙通道和煤体外部构建留巷通道，形成优势瓦斯流动通道，便于瓦斯的沿优势方向高效流动和富集，便于排放和集中抽采。巧妙地利用了首采层采动效应，将采动作用和人工主动措施相结合，实现了深部煤层群首采层采场内外优势瓦斯流动通道的逐级构建。解决了深部煤层群地应力高、采动应力环境恶劣、煤层顶板环境复杂引起的首采层采场煤岩体外部空间瓦斯排采通道变形大、排采效率低、导流治理困难和煤岩体顶板内部裂隙通道形成困难、瓦斯流动不畅、难以实现优势运移和高效富集等难题。在采场区域通过采用作用的初步形成瓦斯流动通道系统后，在针对影响深部煤层采场瓦斯运移局部关键位置，实施人工技术方法，主动构建或诱导优势瓦斯运移通道的形成，最后在采动效应的进一步促进下，在采场区域形成相互连通的采场优势瓦斯运移通道系统。本发明实现了深部煤层群首采层“区域-局部-区域”的采场瓦斯运移通道的阶梯式构建，为首采层采场瓦斯创造了优势运移、流动和富集条件，解决了深部煤层采场瓦斯运移通道形成困难，瓦斯难以高效流动富集的难题，有利于采场瓦斯的优势运移和高效富集，同时为采场瓦斯的集中导流治理奠定了基础，具有广泛的现场应用和推广价值。

附图说明

图1是本发明的煤层采场优势瓦斯运移通道整体构建的示意图；

图2是本发明的留巷优势瓦斯运移通道构建的示意图；

图3是本发明的人工导向预裂钻孔构建顶板岩层优势瓦斯流动通道的示意图。

图中：1-首采层，2-顶板(坚硬顶板)，3-顶板岩层，4-底板岩层，5-采动裂隙，6-顶板竖向裂隙，7-底板穿层裂隙，8-层内采动裂隙，9-工作面，10-顶板竖向裂隙优势瓦斯运移通道，11-底板穿层裂隙优势瓦斯运移通道，12-上覆岩层岩石裂隙区，13-下覆煤岩层岩石及煤层裂隙区，14-层内采动裂隙区，15-采空区松散岩石裂隙区，16-下覆煤层，17-进风巷，18-辅助进风巷，19-留巷优势瓦斯运移通道，20-留巷墙体，21-重点强化支护维稳区，22-风流，23-人工导向裂隙，24-人工导向预裂钻孔，25-采空区。

具体实施方式

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：

本发明的煤层采场优势瓦斯运移通道阶梯式构建方法，具体步骤如下：

a.如图1和图2所示，对首采层1进行常规开采，工作面9、辅助进风巷17、主进风巷18在采场煤岩体外部形成瓦斯运移通道，在采动应力作用和采动卸压效应影响下，煤层中采动裂隙5不断发展，在首采层1中形成层内采动裂隙8，并在顶板岩层3和底板岩层4内分别形成顶板竖向裂隙6和底板穿层裂隙7；

b.工作面9随着开采向前推进后，在首采层1内快速构筑留巷墙体20，形成Y型通风系统，在工作面9后方快速形成留巷优势瓦斯运移通道19，即在采场煤岩体外部空间形成瓦斯高效引流通道，优化了风的流动方向，如图2所示，煤岩体外部空间瓦斯随风流22沿引流通道流动，有效实现了煤岩体外部空间瓦斯的引流排采，避免了煤岩体外部空间局部区域的瓦斯积聚；所述留巷墙体20采用高性能充填材料以适应深部首采层1的高地应力环境特点和更好隔绝采空区，实现留巷优势瓦斯运移通道19对瓦斯的稳定高效引流。所述高性能充填材料具有高早强性、高粘结性、高强度特点，由水泥、石子、粉煤灰及特定外加剂按一定配比组成，外加剂掺量为水泥质量的0.5％～1.2％，材料早强性好，最终固结强度可达30MPa，对适应深部首采层1的高地应力环境特点具有较好的适应性，其中石子的粒径要求小于20mm以提高材料的细化程度，保证较好的密闭性。

c.根据采动应力的变化分布特征，确定留巷优势瓦斯运移通道19重点强化支护维稳区21的范围，对处在采动应力影响区的辅助进风巷道17和留巷优势瓦斯运移通道19进行分区强化支护维稳；根据采动应力的变化分布特征确定留巷优势瓦斯运移通道19重点强化支护维稳区21的范围，重点强化支护维稳区21的范围根据留巷优势瓦斯运移通道的应力分布特征确定，一般超前工作面9距离为a，滞后工作面9距离为b。重点强化支护维稳区21为从超前工作面9距离a到滞后工作面9距离b的这段范围，距离a和距离b不小于200m。所述对处在采动应力影响区的辅助进风巷道17和留巷优势瓦斯运移通道19进行分区强化支护维稳的方式是：采用深锚支护、单体支柱和“U型钢+钻孔喷注浆”联合进行强化支护，保证辅助进风巷道17和留巷优势瓦斯运移通道19不发生大的变形，并根据采动应力的变化特征，灵活增加和减小支护的密度和强度，保持辅助进风巷道17和留巷优势瓦斯运移通道19的稳定性，进一步实现留巷优势瓦斯运移通道19对煤岩体外部空间瓦斯的稳定高效引流。

d.在首采层1开采过程中，针对顶板2变化条件，如图3所示，当出现坚硬顶板条件时，在进风巷17和辅助进风巷18内超前工作面9向坚硬顶板2内施工人工导向预裂钻孔24，人工导向预裂钻孔24需有一组高度超过坚硬顶板厚度，人工导向预裂钻孔24的施工角度、方位、数量和组间距应根据坚硬顶板2的硬度和厚度优化布置。人工导向预裂钻孔24是通过采取爆破、水力化人工预裂措施超前在坚硬顶板2内部形成人工导向裂隙23，产生的人工导向裂隙23随着采动应力的变化，在采场煤岩层内部诱导形成了顶板竖向裂隙优势瓦斯运移通道10，并促进形成了上覆岩层岩石裂隙区12，层内的采动裂隙区14和采空区松散岩石裂隙区15与上覆岩层岩石裂隙区12通过顶板竖向裂隙优势瓦斯运移通道10相互连通，从而避免采空区25瓦斯的积聚，促进采场瓦斯的流动富集；所述坚硬顶板条件按我国颁布的《缓斜和倾斜煤层回采工作面顶板分类方案》确定，该方案首先明确了伪顶、直接顶、老顶的基本概念，按稳定性将直接顶分为四类；按来压强度将老顶分为四级；最后由两者类别的不同组合，将采场顶板分为11类，其中属于坚硬顶板的有Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅲ3、Ⅲ4、Ⅳ4。

e.在逐步完成采场煤岩体内部顶板竖向裂隙优势瓦斯运移通道和外部留巷优势瓦斯运移通道的构建后，如图3所示，继续工作面9的推进，首采层1层内采动裂隙区14内的瓦斯大量解吸扩散，涌入工作面9、辅助进风巷17、主进风巷18，进一步沿引流通道涌入留巷优势瓦斯运移通道19和采空区25，工作面9、辅助进风巷17、主进风巷18等煤岩体外部空间和层内采动裂隙区14内的部分瓦斯沿顶板竖向裂隙优势瓦斯运移通道10向上运移，在上覆岩层岩石裂隙区12内形成富集；

工作面9的推进过程中，受首采层1采动影响，底板穿层裂隙7在采动卸压作用下逐渐发展形成底板穿层裂隙优势瓦斯运移通道11，下覆煤层16的卸压瓦斯沿底板穿层裂隙优势瓦斯运移通道11上浮运移，涌入首采层工作面9、辅助进风巷17、主进风巷18、留巷优势瓦斯运移通道19和采空区25，瓦斯在采空区松散裂隙区内富集15，同时采空区25瓦斯沿顶板竖向裂隙优势瓦斯运移通道10向上运移，并在上覆岩层岩石裂隙区12内形成富集；

f.随着首采层1的进一步开采，不断重复a-e步骤，瓦斯在煤岩体外部空间沿所构建的留巷优势瓦斯运移通道19流动，实现高效引流，同时瓦斯在煤岩层内部沿所构建的顶板竖向裂隙优势瓦斯运移通道10和底板穿层裂隙优势瓦斯运移通道11流动富集，在采动应力的作用下，最终形成相互连通的采场优势瓦斯运移通道系统，并逐渐形成层内采动裂隙区14、采空区松散岩石裂隙区15、上覆岩层岩石裂隙区12和下覆煤岩层岩石及煤层裂隙区13等瓦斯富集区，为瓦斯集中导流抽采创造了良好的条件。实现了对采场瓦斯优势运移通道的科学有效的阶梯式构建，促进了采场瓦斯的优势运移和高效富集。