海域開采瓦斯抽放影響因素的分析與應對

文/王國強

海域開采瓦斯抽放影響因素的分析與應對

文/王國強

北皂煤礦是山東能源龍礦集團的骨干礦井之一，典型的“三軟”煤層礦井，也是我國唯一實施海下采煤的礦井。2005年6月開始進入海下采煤，由于地質構造、埋藏深度等因素的影響，海域擴大區瓦斯涌出量相對較高，工作面絕對瓦斯最高可達到3.8m3/min，特別是綜放工作面上隅角瓦斯積聚問題比較突出。

雖然瓦斯涌出量尚未達到必須進行抽放的下限值，為提高海域開采的安全保障程度，北皂煤礦主動實施瓦斯抽放，開展了“三軟”地層中低瓦斯含量煤層這一特殊條件下的瓦斯抽放實踐。

一、北皂礦井的煤層特點

1.典型的“三軟”煤層

以海域擴大區煤2為例，煤層及頂、底板單軸抗壓強度在7～10.5MPa之間，且直接底板為灰白色粘土巖，極易風化且遇水膨脹。“三軟”煤層的性質決定了現場存在圍巖壓力顯現明顯、巷道容易變形和內收，采煤面采動動壓的影響范圍廣、時間長，采空區隨回采隨冒落等特點。

2.煤層瓦斯含量低

根據撫順煤科分院在海域擴大區所做的煤層瓦斯含量測定，煤層瓦斯含量最高為1.87m2/t。

二、北皂礦的瓦斯抽放方式

1.隅角短距離鉆孔抽放

該方式是高位鉆孔原理的延伸，其方案原理為：軟巖地層采空區頂板垮落快，工作面端頭及以外段受采動壓力影響，頂板提前受到破壞并產生大量裂縫、裂隙。在工作面風流的作用下，采空區的瓦斯必然在端頭附近的頂板縫隙中集中積存，通過施工鉆孔至工作面頂板，抽出縫隙中的瓦斯，即可有效降低工作面的瓦斯涌出量。

具體方案為：在工作面端頭位置，沿運輸巷順槽的兩端頭支架之間，自切頂線至工作面煤壁，等間距在頂板布置鉆孔，下設頂端帶尖、前端布置小孔的1吋插管，通過插管抽出頂板縫隙中的瓦斯，鉆孔間距布置1.2～2m，鉆孔深度5m。

2.瓦斯抽放的效果

正常狀況下，隅角鉆孔抽放的瓦斯流量約為10m3/min，抽放瓦斯濃度多在20％以上，H2102面生產期間，瓦斯絕對涌出量平均值為3.67 m3/min，其中風排瓦斯量1.73m3/min，抽放瓦斯量1.94 m3/ min，工作面瓦斯抽放率52.8％，最高時可達到65.11％。在海域擴大區后續的H2108面、H2105面抽放效果均比較突出。

三、抽放效果影響因素分析

1．抽放系統自身問題對抽放效果的影響

（1）抽放軟管質量的影響。因空間限制，運輸巷出口向外及整個轉載機段的抽放管路必須采用軟管（膠管），在長期的抽放負壓影響下，膠管內層會與骨架層剝離（俗稱“兩層皮”），而且隨剝離范圍擴大，剝離的內層在負壓作用下將逐漸堵塞膠管內腔，造成管路阻力過大，抽放流量大大降低。

解決辦法：一是盡可能減少軟管段長度；二是采用性能較好的高壓膠管降低故障頻率，忌用埋線膠管；三是應定期對管路進行檢查，“兩層皮”段一般有較大的響聲，一經發現立即更換。

（2）抽放管路阻力大。海域工作面推進度多在1200m以上，決定了順槽抽放管路的長度在千米以上，在H2102面采用了6寸PE管作抽放管路，沿程阻力損失仍然較大，并導致抽放流量遠遠小于泵站額定流量。

經管路阻力測定試驗，在工作面出口處斷開瓦斯抽放管路時，抽放負壓為60Kpa，而正常抽放期間總負壓約在75～80Kpa之間，因沿程阻力損失太大，實際作用在鉆孔上的抽放負壓較低，影響了瓦斯抽放流量。今后工作面瓦斯抽放設計要盡量采用大直徑管路，并減少管路長度，以降低阻力提高抽放量。

2．頂底板類影響因素

（1）周期來壓的影響。周期來壓期間，工作面中上部煤層頂板破碎，有時出現裂縫，裂縫內瓦斯濃度可達到30％以上，造成面前瓦斯涌出量增加，工作面風流中瓦斯排出量大，降低了抽放效果。

解決辦法：一是接設抽放支管對瓦斯濃度高的裂縫、空洞進行抽放；二是對瓦斯濃度較高的局部點可用壓風釋稀的辦法防止瓦斯積聚。

（2）管路雜物或矸石可造成管路堵塞。雜物或矸石主要來源于鉆孔抽放，隅角前拉端頭支架時，端頭架上方的頂板移動，產生的矸石碎粒在負壓作用下經插管吸到抽放管路，造成管路堵塞。

考慮到管路一旦被堵塞后再清理非常麻煩，現場應采取安設清除雜物裝置的辦法提前預防。除雜物裝置可自行制作，并直接與集氣通（圖1中虛線部分）相連接。除雜物裝置主要由四個部分組成（圖1中實線部分）：主體可用￠150mm無縫鋼管制作，上端連接部可用￠ 75mm或￠50mm無縫鋼管制作；在A點處設置閥門；在B點處設置過濾網，B點距集氣通上沿應不小于20cm；在C點處設置活板以釋放雜物。

（3）端頭支架及1#、2#支架前漏頂對抽放的影響。海域工作面出口拐角處的煤壁松軟、破碎，工作面生產期間1#架前方煤壁經常出現大面積片幫，最大時出現長×寬× 高=2×1×1m的孔洞，使1#架前處于無支護狀態。一旦該區域漏頂，往往溝通采空區，采空區瓦斯經漏頂空洞串入工作面運輸巷，抽放效果將大大降低，采取在冒落空洞內臨時下設抽放插管，封堵漏頂空洞外口后進行抽放的措施，可較好的解決此問題。

（4）隅角頂板狀態影響。由于隅角鉆孔抽放的插管終孔位置在兩個端頭架之間，頂板對插管影響主要有兩點：一是如果工作面回采期間1#、2#支架附近頂板垮落不及時，頂板裂隙少，會導致鉆孔抽放氣量少，抽放效果差。在這種情況下，可通過適當增加鉆孔數量，提高鉆孔密度解決。

二是端頭架周圍漏頂時，大塊矸石可能砸斷插管。一旦插管被砸斷，可能因插管長度不足影響抽放效果，且插管砸斷后極易堵塞，只能通過臨時補設鉆孔解決。

3．端頭架對抽放效果的影響

端頭架前拉過程中有時會橫向移動，造成插管被擠壞，H2102工作面生產期間曾因這一原因使5m范圍內連續4根插管擠入端頭架上方。避免這一問題的關鍵是結合現場頂板、支架移動規律，合理確定鉆孔的布置位置和終孔位置。

圖1　集氣通與除雜物裝置

四、結論

“三軟”地層的特點和低瓦斯含量煤層的條件，決定了北皂礦井瓦斯抽放方式的非常規性。抽放方式的非常規性，決定了該抽放方式潛存的不足，特別是影響因素較多。積極分析原因，找出解決問題的辦法，并結合實際，不斷優化抽放系統和抽放工藝，是下一步工作的重點和方向。

（責任編輯：李元）

作者單位：（山東能源龍礦集團北皂煤礦）