高瓦斯回采工作面卸壓帶瓦斯治理技術研究

李　云,冷　超，劉　壘

(山西潞安集團 余吾煤業公司，山西 長治 046103)

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高瓦斯回采工作面卸壓帶瓦斯治理技術研究

李云,冷超，劉壘

(山西潞安集團 余吾煤業公司，山西 長治 046103)

[摘要]根據工作面煤體應力及瓦斯壓力變化規律，卸壓帶內煤體瓦斯壓力下降、透氣性系數增大，是進行瓦斯抽放的最佳區域。根據卸壓帶瓦斯濃度的變化，結合殘余瓦斯壓力的變化趨勢，確定卸壓帶的寬度。以余吾煤礦N1102工作面為例，采用主動測壓法進行殘余瓦斯壓力測定，根據測定結果并結合鉆孔瓦斯濃度，確定該工作面的卸壓帶寬度為22m，根據測量值進行了卸壓帶瓦斯排放鉆孔的設計和施工，有效減小了回采工作面的瓦斯涌出量及回風流瓦斯濃度，降低了工作面瓦斯突出的危險性。

[關鍵詞]卸壓帶；瓦斯治理；殘余瓦斯壓力；透氣性系數

Methane Prevention of Pressure-released Zone in Mining Face with High-methane

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.021

[引用格式]李云,冷超，劉壘.高瓦斯回采工作面卸壓帶瓦斯治理技術研究[J].煤礦開采，2015，20(5)：77-79，10.

回采工作面的瓦斯來源主要有煤壁瓦斯涌出、工作面落煤瓦斯涌出及采空區瓦斯涌出[1]。隨著采煤技術的不斷發展，機組割煤速度加快、采煤落塊變小，瓦斯涌出量不斷上升。最大程度預抽工作面備采煤體瓦斯可有效減少落煤瓦斯涌出量，是治理工作面瓦斯的關鍵。

工作面前方煤體受采動影響，應力發生重新分布，可將其分為卸壓區、集中應力區和原巖應力區[1]。卸壓區內煤體瓦斯壓力下降，透氣性系數增大，是進行瓦斯抽放最佳區域。林柏泉、周世寧應用彈塑性力學理論，探討了煤巷卸壓帶對煤與瓦斯突出的作用機理[2]。宋振騏、謝廣祥等人從工作面支撐壓力方面對卸壓區進行了研究[3-5]。李學臣、付江偉、廖志強等人結合工作面卸壓帶寬度對瓦斯抽放技術進行了研究[6-9]。卸壓帶寬度的確定對卸壓區瓦斯抽采具有重要的意義。

1卸壓帶理論

受煤層開采影響，工作面前方煤體應力發生重新分布。通常可將其分為3個區域：卸壓區、集中應力區和原巖應力區。各區域內煤體的應力、瓦斯壓力都呈現不同變化特征，如圖1所示。

圖1　工作面煤體應力及瓦斯壓力變化規律

(1)卸壓區該部分為工作面煤體自由面，最先發生變形，裂隙不斷擴張，巖體強度顯著下降，應力向回采方向煤體內部轉移，故稱之為卸壓區。在卸壓區中煤體透氣性系數增大，瓦斯壓力較低且梯度比較平緩。

(2)集中應力區隨著煤壁不斷變形，深部煤體承受壓力增大，產生應力集中。該部分煤體密實度增大，透氣性系數隨之降低，瓦斯得不到釋放,壓力增大。

(3)原巖應力區該部分煤體離工作面較遠，不受工作面采動影響，煤體仍處于原巖應力狀態。該部分煤體內，瓦斯壓力及透氣性系數處于穩定狀態。

卸壓區煤體強度低，受集中應力區瓦斯壓力作用大，容易發生煤與瓦斯突出。合理確定卸壓帶寬度，充分利用其透氣性系數大的特點，進行瓦斯預抽是預防瓦斯突出及解決工作面瓦斯涌出的關鍵。

2卸壓帶寬度測量技術原理

根據卸壓帶理論，進入卸壓帶煤層瓦斯壓力開始下降，透氣性系數增加，瓦斯濃度和瓦斯涌出量逐步增大至最大值，隨后經過一定時間抽采后會逐步下降，直到失去作用。因此，可將卸壓帶抽采分為始抽段、高濃度段和衰減段。通過卸壓帶瓦斯濃度的變化結合殘余瓦斯壓力的變化趨勢，可以確定動態卸壓帶的寬度。

2.1　殘余瓦斯壓力測定原理

殘余瓦斯壓力的測定采用打孔注氣驅替煤層瓦斯、平衡殘余瓦斯壓力的方法進行[10]。其主要原理是通過向煤體內注入N2或CO2等氣體，使煤體周圍的瓦斯可以被置換或驅替，煤體透氣性系數增大，瓦斯濃度及抽采量隨之增大，通過注氣穩定后的壓力值可以判定煤層殘余瓦斯壓力。

常用補償氣體CO2，N2和CH4與等溫吸附有關的物理化學參數存在差別，使得煤對三者的吸附性能也存在差異。研究發現[11]，煤對三者的吸附能力為CO2>CH4>N2，但在高瓦斯或者突出礦井中，向煤層中注入大量CO2會增加煤層的突出危險性，同時N2作為補償氣體測量誤差較小，故本次試驗選用注氮法[11-12]。

2.2　瓦斯濃度測定原理

隨著回采工作面的推進，鉆孔內瓦斯濃度會因其位置的變化呈現類似上述“三段”式的變化規律，可通過連續觀測不同鉆孔的濃度變化規律，結合不同應力區域透氣性系數的變化確定卸壓帶寬度。瓦斯濃度通過鉆孔預留觀測孔使用光學瓦檢儀測量。

3卸壓帶寬度測量方案

3.1　工作面概況

余吾煤礦位于山西沁水煤田東部中段，礦井主采3號煤層，煤層平均厚度6.17m，平均瓦斯含量8.51 m3/t，瓦斯壓力0.42~1.48MPa，礦井瓦斯涌出量達307.4 m3/min，屬于典型的高瓦斯礦井。

N1102工作面位于礦井北翼采區，埋深534m。回采初期采用雙U型通風。2014年5月改為“單U+高抽巷”的瓦斯治理模式，工作面先后采取了順層鉆孔、裂隙鉆孔、千米鉆機鉆孔、采空區埋管等瓦斯治理措施。

3.2　測量方案

N1102工作面順層鉆孔孔徑94mm，孔深150m，間距2.0m，封孔長度14.0m，其孔深與封孔長度均滿足試驗要求，可作為試驗鉆孔。試驗時，在距工作面60m范圍內挑選可利用鉆孔進行拆卸，完成注氣試驗。

采用注氮法測定煤層殘余瓦斯壓力。井下純CO2和純N2氣源取氣困難，而空氣中N2約占80%，為此，利用井下壓風系統作為氣體來源。

采用φ15mm高壓膠管與靜壓風管相連向測壓孔中注氣使煤層瓦斯壓力快速達到平衡。為及時觀測充入氣體壓力，應在孔口安裝壓力表。充氣壓力不宜過高，可根據壓力的實際變化少量多次補充，待壓力穩定后，停止注氣進行穩壓觀測，對壓力變化每分鐘記錄1次。

工作面正常回采時，沿工作面推進方向的第1個鉆孔開始，每2.0m測定1個單孔濃度，每天觀測1次，若鉆孔內瓦斯濃度呈現類似“三段”變化時，可對其連續觀測3次。然后根據測得濃度及各鉆孔終孔距工作面水平距離，得出兩者間的變化關系，確定卸壓帶的寬度。

4卸壓帶寬度確定

4.1　殘余瓦斯壓力考察

N1102工作面煤層原始瓦斯壓力為0.9MPa，已預抽一年半時間，注氮壓力選為0.6MPa，注氮時長定為1.5h。當壓力達到平衡后，分別記錄各鉆孔注氮后25min內壓力表讀數變化情況。各鉆孔最后穩定壓力及平均降壓速度的變化規律見圖2。

圖2　不同應力區域殘余瓦斯壓力變化規律

由圖2可知，在距工作面煤壁18m以內測壓孔穩定壓力逐漸增大，平均降壓速度相對平穩；在距工作面煤壁18～50m測壓孔平均降壓速度明顯升高，穩定壓力值增大；距工作面煤壁50m以外區域，測壓孔平均降壓速度增大，穩定壓力值有所減小。從以上分析知，該工作面卸壓區寬度在18~22m之間，應力集中區在22～45m之間，45m以后為原巖應力區。

4.2　瓦斯濃度考察

按照試驗方案，在工作面膠帶巷與回風巷對距離工作面50m范圍內的鉆孔進行了濃度觀測，觀測結果如圖3、圖4所示。

圖3　膠帶巷鉆孔不同應力區域濃度變化規律

圖4　回風巷鉆孔不同應力區域濃度變化規律

由觀測結果可知，距工作面22m范圍內，鉆孔瓦斯濃度逐步增大，平均濃度在60%左右，該區域內煤層瓦斯壓力下降，透氣性系數增大；在距工作面40m以外位置，順層鉆孔瓦斯濃度回到平穩數值。

4.3　卸壓帶寬度確定

通過對鉆孔內煤體殘余瓦斯壓力和濃度觀測，可以確定N1102工作面卸壓帶的寬度為22m，應力集中區在22～40m左右，40m以外為原巖應力區。

5卸壓帶瓦斯排放技術應用

為減小回采過程中工作面的瓦斯涌出量，N1102工作面回采前進行了卸壓帶瓦斯排放孔施工[6,13]。鑒于兩條巷道內順層鉆孔的封孔長度為14m，瓦斯排放孔布置范圍定為N1102工作面距膠帶巷與回風巷斷面各15m范圍內，施工長度270m。

5.1　卸壓帶排放孔設計

根據卸壓帶測量結果，將排放孔深度設計為35m。不僅可以排放卸壓區內瓦斯,還能使集中應力區的瓦斯壓力得到釋放，減小回采工作面瓦斯突出危險性。排放孔沿工作面長度方向布置，直徑65mm，水平間距1.0m，上下排距0.5m，其平面布置圖如圖5所示。

圖5　卸壓帶瓦斯排放孔平面布置

為有效釋放卸壓區內瓦斯，排放孔分上下兩排施工，開孔高度分別為1.2m，1.7m，其中第1排鉆孔為斜孔，與工作面走向成5°角，終孔位置位于煤層頂板，可有效排放頂煤內瓦斯；第2排鉆孔為平行孔，與工作面走向成0°角，用以排放采高范圍內煤體瓦斯，如圖6所示。

圖6　卸壓帶瓦斯排放孔剖面

工作面回采過程中，以22m為1個循環，每回采22m打設1次瓦斯排放孔。除此之外，為最大限度延長卸壓區內順層鉆孔的預抽時間，兩巷道內的順層鉆孔應在回采時再進行拆除。

5.2　卸壓帶瓦斯排放效果

試驗期間，N1102工作面改為單“U”型通風，配風量3600m3/min。經過提前打設卸壓帶排放孔進行卸壓瓦斯預先排放，回采期間工作面絕對瓦斯涌出量由54.02m3/min降至42.32m3/min，降低幅度21%；回風流瓦斯濃度由0.68%降低至0.46%，降低幅度32%。卸壓帶瓦斯預排放技術有效降低了工作面回采期間的瓦斯涌出量，保證了工作面的安全高效生產。

6結論

工作面卸壓帶寬度的確定對工作面前方煤體卸壓瓦斯的排放及防突具有重要的指導意義。

(1)結合工作面前方煤層壓力的變化規律，分析了不同區域內瓦斯壓力及透氣性系數的變化規律，為卸壓帶寬度測量提供理論依據。

(2)采用主動測壓法對殘余瓦斯壓力以及鉆孔瓦斯濃度進行測定，得出卸壓區寬度為22m。

(3)在卸壓帶寬度測量的基礎上，進行了工作面卸壓帶瓦斯排放孔設計，預先排放卸壓帶內瓦斯對減小回采期間工作面瓦斯涌出量及回風流瓦斯濃度起到了良好的效果。

(4)通過在工作面打設卸壓帶瓦斯排放孔，可以降低工作面瓦斯突出危險性，保證工作面安全高效生產。

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[責任編輯:施紅霞]

[作者簡介]李云(1986-)，男，山西長治人，助理工程師，碩士，現主要從事礦井通風與瓦斯防治方面的工作。

[收稿日期]2015-01-20

[中圖分類號]TD712.6

[文獻標識碼]B

[文章編號]1006-6225(2015)05-0077-03