高瓦斯突出采面卸壓區淺孔抽放技術及應用

李 松

(平頂山天安煤業股份有限公司，河南省平頂山市，467000)

煤巖體中的瓦斯賦存狀態有兩種，分別是瓦斯游離和瓦斯吸附狀態，當游離狀態瓦斯從煤巖體裂隙釋放后，瓦斯壓力降低，部分吸附狀態瓦斯也轉變為游離狀態瓦斯。在部分地區深部煤層中的地應力較大，瓦斯以高壓狀態存在。正常的采掘活動擾動原有煤巖體應力平衡，并將煤體破碎，瓦斯由吸附狀態轉變為游離狀態，并釋放出來，向工作面涌出。在地下開采活動中，瓦斯運移不僅能夠發生煤與瓦斯突出動力災害，而且逸散進入采煤和掘進工作面以后，容易造成瓦斯聚集，達到一定條件還能發生瓦斯爆炸或燃燒，而爆炸揚起煤塵后與瓦斯，混合在一起發生爆炸的危害性更強。因此，煤礦生產中瓦斯災害是最嚴重的災害之一。

瓦斯的運移和儲集的前提是通道，卸壓后的瓦斯遵守氣體流動性法則，由高壓區流向低壓區，由于密度比空氣小，與空氣混合后，瓦斯上浮漂移，動力特性符合浮力定律。瓦斯災害易發生在卸壓瓦斯聚集的場所，或是流動經過的巷道空間。

四礦是平頂山煤業集團有限公司的一座現代機械化礦井。近年來，隨著淺部資源開采完畢，礦井向深部延伸，煤層瓦斯壓力漸漸變大，瓦斯含量逐步增多，也造成礦井鑒定等級由原來的瓦斯礦井向煤與瓦斯突出礦井轉化。采掘過程中，瓦斯涌出量激增，為礦井的安全生產、和諧發展帶來嚴重威脅。平煤四礦現階段開采深度平均達到800 m，但瓦斯抽放效果沒有達到理想預期，本煤層不到10%的瓦斯抽放率和僅僅0.013 m3/min的瓦斯抽放量導致瓦斯危害問題凸顯。針對四礦現狀，采取具體措施提高鉆孔瓦斯抽放效果，解決回風流瓦斯聚集問題，阻絕煤與瓦斯突出事故的發生迫在眉睫。

1 采面卸壓區淺孔抽放機理

1.1 采煤工作面應力分布規律

煤礦的采掘活動破壞了覆巖原巖應力平衡，改變了煤體中應力分布狀態。正常狀態下，煤體采出導致開采空間形成支承應力，并由四周煤體支承，當煤體強度極限小于支承應力時，產生屈服變形，支承應力也由采場淺部煤體向深部轉移。采場應力是動態變化的過程，推進過程中的應力分布如圖1所示，分別有原始應力區、支承應力區和卸壓區。

圖1 工作面推進過程中應力分布

由于卸壓區的煤體受采動影響，支承應力超過了煤體強度極限而使煤體轉變為塑性狀態，由原承受三向應力轉變為兩向，甚至單向應力狀態，大多數情況下，卸壓區的煤體強度均小于原巖應力。

1.2 采煤工作面淺孔抽放瓦斯防突機理

采煤作業的進行導致本來由煤體支承的原巖應力由采空區向四周煤體轉移，在工作面前方形成卸壓區、支承應力區和原始應力區。在高瓦斯煤體中，支承應力區煤體中的應力大小、瓦斯含量和卸壓區范圍大小及自身強度是煤與瓦斯突出災害發生的關鍵因素。大量生產實踐證明，采掘工作面推進方向如果一直有適當寬度的卸壓區存在，煤與瓦斯動力災害就不會發生。

卸壓區應力小于原始應力，煤體發生塑性變形、失去彈性、 裂隙發育、透氣性增加，煤體中吸附狀態的瓦斯解吸轉變為游離狀態。在支承應力區，瓦斯壓力倍增，數倍于原巖應力。卸壓區存在于工作面和支承應力之間，能夠將游離狀態的瓦斯釋放出來，并且為工人開采作業區域構建安全屏障。支承應力隨著工作面的推進滯后前移，當支承應力的強度高于卸壓區寬度能承受的應力極限時，就會發生突出動力災害。因此，掌握工作面采場應力分布規律，將瓦斯抽放鉆孔深入支承應力區，通過卸壓抽放瓦斯使得支承應力區前移，相當于加寬卸壓區煤體范圍，增大卸壓區抵抗煤體支承應力的能力，進而降低煤與瓦斯突出動力災害發生概率，保證安全生產。

2 工程概況

四礦位于平頂山礦區中部，井田東鄰一礦，西接六礦。井田東西方向長2500 m，南北方向長5500 m。礦井采用多水平采區式開拓，共兩個水平4個采區，其中一水平標高-510 m，包括戊九采區和丁九采區，二水平標高-530 m，包括己三采區和己一東翼采區。地面地形為低山丘陵，標高一般在+160～+460 m之間，最高點為506.5 m；深部邊界標高為-600 m。四礦通風方式為中央并列式，采用抽出式通風方法。

根據四礦2004年度礦井瓦斯等級鑒定報告，四礦礦井為突出礦井，丁九采區為突出采區，其中丁九采區以下山為中心，東部突出危險區在-380 m以下，西部突出危險區在-420 m以下，其余為無突出危險區；己三采區為突出采區，其中突出危險區在-390 m標高以下，其余為無突出危險區；戊九采區為高瓦斯采區，己一東翼采區為低瓦斯采區。瓦斯災害事故一直是威脅平煤集團四礦安全生產的重要因素，對瓦斯動力災害防治及瓦斯涌出排放是生產工作的重中之重。

卸壓區淺孔抽放工業性試驗工作面丁56-19200工作面位于丁九采區西翼，為突出危險區域，工作面傾斜長度200 m，走向長度剩余510 m。煤層厚度1.6 m，煤層直接頂為砂質泥巖，老頂為中至粗砂巖，底板為砂質泥巖。工作面在采煤作業進行時，煤體中的瓦斯大量涌出，導致瓦斯聚集超限。而之前制定的瓦斯災害治理措施的設計與施工沒有針對性，多是憑借經驗，實施效果較差，造成施工浪費，工作面瓦斯不能得到有效治理，上隅角瓦斯聚集超限，以致生產過程中存在很大的安全隱患。

3 采面卸壓區淺孔抽放工業性試驗及效果分析

3.1 鉆孔布置及抽放參數

(1)鉆孔深度。根據采面卸壓區淺孔抽放機理，瓦斯抽放鉆孔應該深入支承應力區，通過卸壓抽放瓦斯使得支承應力區前移。通過鄰近工作面回風巷壓力實測結果，平煤四礦工作面前方卸壓區和支承應力區范圍分別是4～5 m和8～10 m，據此，采面卸壓區淺孔抽放鉆孔孔深應為8～15 m。

(2)鉆孔間距。鉆孔作業工作量、布置方式和瓦斯抽放效果的決定要素之一就是抽放鉆孔的孔間距，其數值大小與鉆孔抽放半徑有關。抽放時間是影響抽放半徑的關鍵參數，抽放半徑隨著抽放時間的增長而增大，并隨著抽放時間的縮短而減小。大量理論與實踐證明，瓦斯鉆孔抽放半徑數值計算的表達式為：

(1)

式中：r——瓦斯鉆孔抽放半徑，m；

t——瓦斯鉆孔排放時間，d；

β——煤體瓦斯動力相關系數，m/min0.5。

式中β值需通過現場測試得出。平煤四礦根據試驗結果得出β=0.0716 m/min0.5，則瓦斯鉆孔抽放半徑為：

(2)

(3)鉆孔直徑。增大鉆孔直徑可以提高鉆孔抽放量。但大直徑鉆孔對施工工藝要求較高，并且容易誘發煤與瓦斯突出。依據工作面淺孔抽放機理，瓦斯抽放鉆孔終孔要進入支承應力區，孔深為8～15 m，由此，抽放鉆孔直徑宜在100 mm之內，根據工程實踐，孔徑一般為75～100 mm。

(4)鉆孔布置方式。根據現場參數計算出鉆孔抽放半徑為0.78 m，為了使瓦斯抽放范圍覆蓋至整個工作面，孔間距設置為1.5 m，采用三花眼布置，如圖2所示。

圖2 瓦斯抽放鉆孔示意圖

(5)鉆孔施工順序。平煤集團為治理瓦斯突出災害，在高突工作面回采前均施工順層瓦斯抽放鉆孔進行抽放，但鉆孔長度較短，造成煤體中部50～60 m寬的區域未能抽放。工作面淺孔抽放施工過程中，為了達到預期效果，鉆孔應由中部向上下平巷方向施工，加強工作面中部區域的瓦斯抽放。

(6)鉆孔抽放負壓。采掘作業造成覆巖應力重新分布，煤壁前方形成了卸壓區、支承應力區和原巖應力區，其中卸壓區和支承應力區由于受到采動影響，煤體達到極限強度后發生塑性變形，造成裂隙發育、貫通，提高了煤體的透氣性。抽放負壓為影響采掘工作面瓦斯抽放質量的重要因素，抽放效果隨著抽放負壓的增大而顯著提高。然而工程施工中，淺孔抽放鉆孔的封孔管封孔端一般在煤體卸壓區內，深度1 m左右，另外，根據封孔器的結構特點，以及主要采用軟管連接采掘面抽放鉆孔，過高的抽放負壓會導致抽放管路和鉆孔連接端漏氣，軟管容易發生變形，影響抽放效果。借鑒大量國內外采煤工作面鉆孔抽放經驗，鉆孔抽放負壓不低于6500 Pa。

3.2 抽放工藝

(1)抽放系統及抽放方法。四礦丁56-19200工作面布置了采區抽放泵站系統。抽放泵為兩臺水循環真空泵，型號為2BEA-253，抽排能力為2×40 m3/min，回風巷支管為管徑150 mm的薄壁管，下山干管為直徑的200 mm薄壁管；沿工作面布設一套脈吸管，直徑為150 mm，置于支架架箱處，脈吸管每隔10 m布置一個多通連接器，并用軟管連接插入工作面超前鉆孔里的封孔器，形成采面卸壓區淺孔抽放系統。抽放作業安排在檢修班完成，根據工作面作業方式和勞動組織形式，安排專人分段對工作面抽放鉆孔打鉆，并進行封孔連管抽放。生產班采煤作業時停止抽放，關閉閥門，并將軟管拔出，同時回收封孔器，置于支架架箱內。

(2)抽放鉆孔布置。因丁56-19200采面具有突出危險性，將工作面卸壓區瓦斯抽放孔作為防治突出措施鉆孔，鉆孔直徑89 mm，鉆孔間距1.5 m，與支架寬度相同，沿工作面推進方向布置，鉆孔深度大于9.2 m。采煤作業與瓦斯抽放工藝相互配合，循環推進距離4.2 m，鉆孔始終超前工作面5 m，循環施工鉆孔共計89個，累計鉆深819 m。

3.3 抽放效果

實施卸壓區淺孔抽放后，丁56-19200工作面回風巷瓦斯濃度降低了0.25%，由平均瓦斯濃度

0.95%下降到0.7%；抽放泵站瓦斯抽放濃度較本煤層瓦斯抽放濃度提高3倍，最高可達25%，瓦斯抽放量可達4320 m3/d，增加了2420 m3/d；瓦斯抽放率提高了15%，是順層預抽的1.3倍。泵站抽放濃度變化曲線如圖3所示，抽放效果對比表見表1。

圖3 抽放泵站瓦斯濃度變化曲線

工作面推進度/m·月-1工作面回風巷瓦斯濃度/%每循環打措施孔平均用時/h瓦斯斷電次數/次·月-1抽放率/%工作面月平均產量/萬t·月-1抽放前470.951228104.4抽放后700.750256.6

高瓦斯突出采面卸壓區淺孔抽放技術的實施，降低了回風流瓦斯濃度，預防工作面突出災害的發生，實現了三八制的正規循環作業，即每天兩班生產，一班檢修及抽放，使采掘作業得以正常進行，平均單產提高2.2萬t/月。有效防治了煤與瓦斯突出事故的發生和工作面瓦斯聚集超限，實現了礦井安全、高效生產。

4 結論

根據采場應力分布規律及瓦斯在煤層中賦存特征，采用高瓦斯突出采面卸壓區淺孔抽放技術，理論上可以有效解決工作面瓦斯聚集和動力災害隱患。通過丁56-19200綜采工作面工業性試驗，利用相鄰工作面壓力實測結果確定鉆孔抽放參數，對相關設備合理選型組成可靠的抽放系統，從而保證了高瓦斯突出采面卸壓區淺孔抽放技術在平煤四礦的成功實施，其解決問題的方法可為具有類似問題的煤與瓦斯突出礦井提供借鑒。

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