代池壩煤礦低透氣性復合煤層群卸壓瓦斯抽采技術研究

陶啟興

【摘要】代池壩煤礦所開采煤層為低透氣性復合煤層群。本文分析了近距離煤層聯合布置工作面（煤層賦存原因，局部地段為首采區段）的瓦斯涌出來源，利用卸壓原理，確立了鄰近層抽采卸壓、裂隙帶高位鉆孔卸壓抽采等多種方法，取得了非常明顯效果。

【關鍵詞】低透氣性；復合煤層群；卸壓；抽采；技術；研究

０前言

代池壩煤礦共有可采或局部可采煤層8層，屬典型的復合煤層群，由地表及里依次為5#、7#、8#、9#、10#、11#、12#、13#煤層。由于受5#煤層煤炭質量和當時開采技術條件等多種因素的影響，304采區暫停了5#煤層的開采，在布置304采區西翼工作面時，7#、8#煤層（套采）作為了首采煤層，生產過程中，未開采的上覆5#煤層、下伏9#煤層瓦斯通過采空區和上隅角大量涌出，造成套采工作面聯絡石門及回風巷瓦斯超限。分析瓦斯來源，采取有效措施進行治理成為通風瓦斯管理的重中之重。

１礦井通風基本情況

礦井采用中央分列式通風方式和抽出式通風方法通風，選用BDK54-60-NO19風機，礦井總回風4500m3/ min，通風負壓1500Pa，通風等級孔2.3m2左右，屬通風容易礦井。礦井相對瓦斯涌出量31.76m3/t；絕對瓦斯涌出量為18.93m3/min，鑒定為高瓦斯礦井。地面建有永久性瓦斯抽采系統，采用2BE系列水環式真空泵，能有效進行瓦斯抽采。

２瓦斯異常工作面情況

7#、8#煤層厚度分別為0.46m、0.8m，煤層層間距為3m，煤層傾角38～44°。上距5#煤層13.8m,下距9#煤層19m。3745、3845工作面套采布置，走向長550m，傾斜長100m，多短壁偽斜小巷采煤法開采，放炮落煤，兩套采工作面錯距平均35m。

３工作面瓦斯涌出來源分析

工作面推進300m時，瓦斯涌出量突然由1.5m3/min增至7.2m3/min。一般意義上講，回采工作面瓦斯涌出主要由三部分組成，一是，工作面煤壁及放炮落煤的瓦斯涌出；二是采空區瓦斯涌出；三是，鄰近層瓦斯涌出。其中采空區瓦斯涌出又主要來源于受采動影響的卸壓鄰近層以及本煤層自身所涌出的瓦斯。據統計，采空區瓦斯涌出量占回采工作面總瓦斯涌出量的59%左右。經現場實測，工作面煤壁及落煤的瓦斯涌出量為1.45m3/min，而采空區瓦斯涌出量高達5.95 m3/min，說明3745、3845采空區大量涌出的瓦斯主要來自鄰近層，即上覆的5#、下伏的9#煤層。3745、3845采面開采后，上部5#煤層、下伏的9#煤層底、頂板卸壓，大量的瓦斯釋放涌向開采層7#、8#煤層采空區，集中從上隅角涌出，造成工作面回風流中瓦斯高達1.2%。

４煤層群瓦斯卸壓抽采原理

４.1卸壓原理

礦井瓦斯抽采實踐表明，在其他條件相同時，鉆孔的瓦斯流量與抽采層的透氣性系數大小成正比，即煤層的透氣性系數越大，鉆孔的瓦斯流量也越大。但是煤層的透氣性系數與煤結構和地應力有關。對某一具體煤層來講，地應力越高，煤層的透氣性系數越小，則鉆孔的瓦斯流量就小。當本煤層開采后，使其上覆、下伏煤層及圍巖卸壓，即出現卸壓區。由于地應力的降低，煤層透氣系數的增加，上、下鄰近層的瓦斯顯現“卸壓流動效應”，大量的卸壓瓦斯向著兩個方向流動：一是，沿抽采層流向鉆孔；二是，沿層間的巖石裂隙流向開采層的采空區。兩個方向的流量大小決定于兩個方向的流動阻力和瓦斯壓力差。

鄰近層受采動影響后，巖體與煤體發生位移和膨脹變形。觀測表明，沿層面的位移和膨脹變形量遠遠小于垂直于層面方向的位移和膨脹量，這就是說，在垂直層面的法線方向，卸壓最大。由于上述原因，在冒落帶以外的卸壓區內，卸壓瓦斯的主要流動方向是沿著煤層流向鉆孔。

隨著煤層距開采層層間距的加大，卸壓瓦斯流向采空區的阻力也增加，所以層間距大時，卸壓瓦斯流向采空區的瓦斯量就減少，反之，瓦斯量就增加。隨著工作面的推進，鉆孔周圍的卸壓區越來越大，瓦斯的來源越來越廣，但同時卸壓瓦斯流向鉆孔的途徑也逐漸變遠，鉆孔附近的瓦斯壓力也越來越低。開始時前者對流量的影響大于后者，所以鉆孔流量呈增加狀態，以后兩者趨于平衡，流量呈不變狀態，當后者的影響大于前者時，流量呈減少狀態，最后，由于鉆孔附近的瓦斯已排放，而遠方的卸壓瓦斯在路徑長、阻力大補給不上的情況下，瓦斯流量逐漸降到一定值時，鉆孔抽采作用大大降低。此時，在抽采層的新卸壓區必須要有新鉆孔投入抽采，否則，新卸壓的瓦斯因無出路會大量涌入來空區，造成回采工作面上隅角瓦斯積聚，誘發工作面回風巷瓦斯超限。

４.2工作面頂底板圍巖應力狀態分析

7＃、8＃開采后，周圍煤巖層向采空區移動，使得采空區上下方煤巖體應力、瓦斯壓力、瓦斯流量、煤層膨脹變形、溫度等參數發生重大變化。可以將采空區劃分為4 個帶，即正常應力帶、集中應力帶、卸壓帶和應力恢復帶。

（１）正常應力帶。在7＃、8＃煤層回采工作面前方40m 以內，該范圍內煤層未受采動影響，應力變形和瓦斯動力參數基本上處于原始狀態。

（2）集中應力帶。位于7＃、8＃煤層回采工作面前方2 一40m 范圍內，此帶范圍內煤層承受的應力高于原始狀態，最大應力點位于工作面前方5 ～ 40m 范圍內，7＃、8＃煤層的瓦斯壓力和煤體溫度都略有增加，鉆孔瓦斯流量仍然很小。

（3）卸壓帶。從開始急劇卸壓的地點作為卸壓帶的初始點，通常位于工作面后方5～20m 外，最大卸壓點位于工作面后方20 ～200m 范圍內，隨后卸壓速度減緩，應力開始恢復。

（4）應力恢復帶。位于工作面較遠處，冒落巖石逐漸被壓實，煤層、巖層重新承受壓力，地壓緩慢恢復，達到相對穩定狀態。但應力值小于原始應力值，煤層仍保留一定的膨脹變形。

５瓦斯抽采方法確定

通過對急傾斜煤層卸壓效果和卸壓范圍的一系列考察和實踐，我們一方面加強采煤工作面運輸巷尾巷封堵；優化工作面支護參數，增大工作面斷面；工作面上隅角掛風帳等常規通風方法，減少采空區漏風。另一方面，確定了3745、3845工作面瓦斯抽采治理綜合措施：

（１）在3745、3845共用運輸巷內每隔30m掘進一小石門至5#煤層，在見煤點處布置鉆場，并于鉆場內沿煤層布置扇形鉆孔。

（２）加大9#煤層（3945工作面已布置）瓦斯抽采力度。改3m孔間距為1.5m，增加鉆孔密度，提高瓦斯抽采量。

（３）由于3745、3845是套采，回風巷、運輸巷都布置在巖層內，5#煤層尚未布置巷道，很難對裂隙帶進行抽采，決定從3945回風巷打穿層鉆孔實施卸壓帶瓦斯抽采。

６實施效果

上節中采用的通風基本方法，解決了短時“治標”問題；（1）、（2）對鄰近層（5#、9#煤層）瓦斯進行了卸壓抽采；（3）對裂隙帶瓦斯進行了卸壓抽采。

通過現場實測3745、3845工作面回風流瓦斯濃度從1.2%下降到0.6%以下，工作面平均瓦斯濃度僅0.27% ，上隅角瓦斯濃度降至0.75%以下，工作面絕對瓦斯涌出量從7.2 m3/min下降到1.53/min以下，保證了3745、3845工作面安全開采。通過卸壓瓦斯抽采技術對鄰近層瓦斯抽采的應用，5#、9#煤層的瓦斯得到了有力釋放。3945工作面正式開采時，風排瓦斯量僅為1.34 m3/min，比3943工作面減少5.86m3/min。5#煤層鉆孔瓦斯流量達到3.56 m3/min，瓦斯壓力降到0.1MPa 以下，煤體膨脹變形25mm，底板巷道的支柱壓力和巖體應力都降到最低值，煤體溫度顯著下降到17 ℃ ，5#煤層底板巖層移動60mm。

７結束語

（１）鄰近層卸壓抽采最好順煤層沿工作面傾斜方向布置鉆孔，扇形孔易造成抽采“盲區”。

（2）裂隙帶瓦斯抽采最好終孔位置處于采高6-8倍的地層下方，抽采效果最佳的鉆孔層位在煤層頂板向上6-13m處,且盡量靠近工作面上隅角。

（3）采用風力排渣施工瓦斯鉆孔工藝鉆進快、成孔質量高。

【參考文獻】

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［２］胡千庭，蔣時才，蘇文叔.我國煤礦瓦斯災害防治對策[J].礦業安全與環保，2000，27(1):1-4．

［３］張正林，李樹剛.卸壓瓦斯抽采技術研究及其效果[J]．

［責任編輯：張濤］