基于抽采技術的采空區瓦斯治理研究

鄭紅啟，夏會輝

摘要：為解決目前煤礦采煤工作面采空區瓦斯治理的難題，在對采空區瓦斯抽采原理進行分析的基礎上，進一步分析了影響采空區抽采瓦斯的主要因素，并對采空區瓦斯常用的抽采技術進行了歸納，為礦井采空區瓦斯治理工作提供相應的治理方法。

關鍵詞：抽采技術 采空區 瓦斯治理

0 引言

隨著經濟的快速增長，我國對煤炭的需求也持續增加，對礦山的開采深度也逐步增大。礦山開采深度的增加也加大了瓦斯的涌出量，由此也加大了煤礦安全生產的難度，加上儲存煤層的地質條件十分復雜，由于瓦斯突出和瓦斯爆炸造成的事故嚴重的影響了我國煤炭行業的發展。國家煤礦安全監察局公布的全國煤礦事故統計數據表明，2001年到2008年我國因為煤礦事故造成了3418人死亡，而其中由于瓦斯爆炸的死亡人數為8013人，占由于煤礦事故導致的死亡總人數的34.2%，死亡人數占煤礦事故死亡人數的比例最大。不完全調查統計，全國礦井采空區瓦斯涌出量占全礦井瓦斯涌出量的25-30%，甚至部分礦井采空區的瓦斯涌出量占整個工作面的60%以上，安全生產無法得到保障，甚至容易造成重大的瓦斯爆炸事故[1]。另外由于工作面瓦斯超限的原因，很難實現綜采面的高機械化。因此，加強采空區瓦斯的抽采以降低采空區瓦斯的涌出量，對實現煤礦安全和高效生產具有重要意義。

1 采空區瓦斯抽采原理

在煤礦的開采過程中，由于受采動的影響，在采空區，煤層形成冒落帶、裂隙帶以及彎曲帶[2]。在壓力差、采動等因素的影響制約下，儲存在圍巖和鄰近層的瓦斯將滲流到采空區，另外，在進行回采時，通過殘留在采空區的碎煤，部分瓦斯將被釋放出來。利用采空區與采空區相通的管道之間的壓差，將采空區的瓦斯通過機械抽采的方式利用管道將其抽出，進而在一定程度上減少了采空區向工作面涌出的瓦斯量。一般情況下，當采空區出現以下幾個條件時才需要進行瓦斯抽采：①當工作面回風順槽風流和上隅角中的瓦斯濃度高，瓦斯超限頻繁，并且通過通風的方法難以解決；②當上隅角空間中的瓦斯濃度大多數時候超過或達到4%，并且采空區涌出的瓦斯在工作面回風流中占總量的40%-50%甚至更多時；③采用下行開采的方式對整個工作面進行處理，也需要對采空區的瓦斯進行抽采；④當工作面緊挨著其他工作面采空區或者工作面的回風側的旁邊有老空區時，需要采用采空區抽采法；⑤當其他的抽采方法失效時，可以采用采空區抽采作為補充或輔助方式。

2 采空區瓦斯抽采影響因素

煤礦采空區瓦斯抽采的應抽強度和推進距離、風量、工作面產量及采空區的氣象分布等密切相關[3]。

2.1 工作面推進距離的影響

隨著工作面的不斷向前推進，采空區的長度也隨之不斷增加，同時也增加了采空區的容積，采空區瓦斯的涌出量也將逐步增加。隨著推進距離的增大，采空區瓦斯的涌出量先增大后再變小，表現出一種非線性的關系。因為隨著采空區范圍的擴大，采空區上下巖層的煤，以及殘留煤將會大量解吸吸附的瓦斯量，進一步導致工作面瓦斯的涌出量大大增加[4]。隨著工作面的推進，以及時間的不斷推移，受解吸作用的影響，采空區中四周的煤巖中瓦斯含量已經開始衰減，并且已經超過在工作面推進過程中增加的解吸量，這種衰減在采空區的深部更是明顯。隨著工作面的推進距離的增加，整個工作面的瓦斯涌出量反而減少。

2.2 采面生產能力的影響

影響瓦斯涌出量的直接因素是煤礦工作面產量。通常情況下，瓦斯涌出量隨著產量的增加而增大，但是兩者之間不是簡單的線性關系。當工作面產量達到一定程度吋，瓦斯涌出量將不再按照原來的比率增加，表現出波動性變化。這是因為，工作面瓦斯的涌出量一方面包含落煤釋放的瓦斯，另一方面包含采空區中殘留煤，并且吸附瓦斯到釋放往往需要相關的條件和時間。

2.3 大氣壓力變化的影響

對于采空區的瓦斯來說，當流量、負壓等抽采條件相同時，其抽采強度通常情況下與大氣壓力成反比關系，與采面生產能力成正比關系。在這種情況下，可以根據這個關系和當地大氣壓的實際情況進行繪制采空區瓦斯濃度與大氣壓之間的關系圖，對于防治工作面瓦斯具有重要的意義。

3 采空區瓦斯抽采方法

通常情況下，采空區抽采類型包括以下三種方式：鉆孔抽采方式、巷道抽采方式、插（埋）管抽采方式[5]。

3.1 鉆孔抽采方式

①高位鉆孔抽采。通過高位鉆孔抽采瓦斯，其主要作用是，借助工作面回采采動壓力形成的頂板裂隙，以此作為通道，對采空區積存的大量高濃度的瓦斯進行抽采。漳村煤礦采用此技術抽采2203工作面，單個鉆孔的瓦斯抽采量約增加了2.87倍，瓦斯抽采總量約增加了3.52倍，此方法有效降低了該工作面的瓦斯涌出量。

②通過對原有的巷道鉆孔進行充分的利用，進而在一定程度上對瓦斯進行抽采。在對煤層群實施開采的過程中，對于綜采、綜放工作面來說，如果已經布置了消火道、下一階段的回順等相應的可利用巷道，在條件允許的情況下，可以利用這些巷道，通過打鉆孔抽采上段采空區的瓦斯。

③引導抽采法。具體方式是對現有的回采工作面采空區瓦斯，通過對相鄰的采空區瓦斯抽采進行引導實現排放。其主要條件是：煤層所在的工作面不存在自燃現象，而且在工作面的上個區段存在采空區，在這種情況下，可以利用上區段采空區的負壓作用，對工作面采空區的瓦斯進行引排。

3.2 巷道抽采方式

①高抽巷抽采。對于回采工作面來說，如果煤層較多，并且采空區瓦斯涌出量比較大，在這種情況下，通過采用高抽巷抽采法對釆空區瓦斯進行處理。高抽巷抽采的特點主要表現為：抽采時間長、抽采效果好等，但是需要在頂板以上掘一條或多條巷道，因此增加了工程量。寺家莊煤礦15104工作面采用此技術瓦斯抽采純量達到110.71 m3/min，抽采率為88.35%，效果顯著。

②尾巷抽采采空區瓦斯。對于高產、高效的回采工作面通過雙巷布置的方式進行處理，其中一條尾巷通過埋管、向采空區打抽采鉆孔或密閉抽采采空區瓦斯，該方法實現采空區均壓抽采。大灣煤礦111108綜采工作面采用此技術后，瓦斯抽采濃度約為10%左右，瓦斯抽采純量達到20m3/min，回采期間風排瓦斯量約為8m3/min，大大減少了工作面超限次數。

3.3 埋（插）管抽采方式

所謂埋管法抽采就是沿回采工作面的回風巷方向，在其上幫敷設一條瓦斯管，隨著工作面的不斷推進，瓦斯管的一端逐漸埋入采空區，每隔一定距離在瓦斯管路上設置一個三通，并安立管和闊門，可以開閉[6]。官地煤礦28408綜采工作面采用此技術后上隅角瓦斯濃度為0.26%～0.52%，抽采純量約為0.74m3/min～1.5m3/min，平均瓦斯抽采率為25%。

3.4 老采空區瓦斯抽采方法

①地面鉆孔抽采老采空區瓦斯方法。通常情況下，在地面鉆孔鄰近層上抽采瓦斯，然后再抽采老采空區的瓦斯。

②井下鉆孔抽采老采空區瓦斯方法。對于抽采瓦斯鉆孔來說，一般可以通過已采區的保留巷道，進一步向老采空區打高仰角走向的鉆孔。

③密閉插管大面積老采空區瓦斯抽采方法。在回采過程中，當相鄰多個工作面完成回采后，通常情況下，需要采取相應的措施進行互相聯通。

4 總結

在對煤礦瓦斯進行治理的過程中，其重要途徑之一就是對采空區的瓦斯進行抽采，采空區瓦斯抽采的應抽強度和推進距離、風量、工作面產量、大氣壓的變化、瓦斯涌出量的大小及采空區的氣象分布高度相關。目前，鉆孔抽采、巷道抽采和插（埋）管抽采三種抽采方式在采空區瓦斯抽采過程中比較常用，并且不同抽采方式之間各有其優缺點。因此，需要根據不同的情況選擇合適的抽采方式或對抽采方式進行組合來對煤礦的瓦斯進行治理。

參考文獻：

[1]李曉泉，田輝鵬.采空區瓦斯抽放方法分析[J].煤炭技術，2012，31（1）：131-133.

[2]楊宏民，夏會輝，睢國慧，等.偽傾斜后高抽巷配合走向高抽巷瓦斯抽放技術[J].煤炭技術，2011，39（12）：40-44.

[3]黃優，王洪波，徐佑林.采空區瓦斯抽放技術的改進及在響水礦的應用[J].煤礦開采，2013，18（1）：94-95.

[4]楊安紅.采空區瓦斯抽放技術研究[J].煤炭技術，2009，28（6）：88-89.

[5]王政偉.采空區瓦斯抽放技術在黃白茨礦的研究與應用[D].內蒙古科技大學，2011.

[6]孟祥春.采空區瓦斯涌出特點與抽放方法[J].山東煤炭科技， 2010（3）：184.

作者簡介：鄭紅啟（1973-），男，河南平頂山人，本科，助理工程師，從事煤礦開采技術和管理方面的工作。