主焦煤礦綜放工作面瓦斯涌出規律及瓦斯抽采分析應用

韓兆彥 尹 超

（1、安陽市主焦煤業有限責任公司，河南 安陽 455000 2、安陽市工業和信息化局，河南 安陽 455141）

1 瓦斯賦存狀態及來源分析

1.1 瓦斯賦存狀態

瓦斯是煤炭資源伴生的一種重要的清潔能源，主要以吸附、吸收、游離三種方式賦存在煤層間。煤體中存在諸多孔隙，這在一定程度上影響著瓦斯在煤層中的儲存量。其中，煤的微孔隙表面吸附有大量的瓦斯，這是由于分子引力的作用導致瓦斯分子與煤顆粒表面之間形成一層薄膜，它符合朗格繆爾方程，即單分子層吸附理論。在一定的瓦斯壓力和溫度條件下，煤體中吸附瓦斯和游離瓦斯之間可以完成相互轉化。

煤體吸附瓦斯的能力受很多因素的影響，其中主要包括煤的變質程度、瓦斯壓力、煤體溫度和煤體中所含水分4 個方面。一般而言，煤的變質程度的提高會增強煤體吸附瓦斯的能力，因此如果在其他煤體條件基本相同的情況下，高變質煤吸附瓦斯的能力要比低變質煤吸附瓦斯能力強。煤體濕度的增加則使煤體瓦斯吸附量降低。

1.2 瓦斯來源分析

瓦斯來源是指開采時涌出瓦斯的地方，在開采含有瓦斯的煤層時，會破壞煤層和圍巖的結構條件以及瓦斯在其中的存儲條件，因此會使其一定范圍的瓦斯涌入開采工作面，從而成為開采工作面涌出瓦斯的一部分。由于開采對工作面的煤層及巖層產生了不同程度的影響，使其因變形或者垮落的現象而產生卸壓，從而使來源不同的瓦斯以各種不同的方式涌入采空區，然后相互混雜在一起，再在礦井通風負壓的影響下一起涌入工作面。因此可以將這四部分的涌出量作為一個涌出量用來確定采空區的涌出量，這樣既有實際意義的同時還可以減少誤差。

1.2.1 煤壁瓦斯涌出

在工作面的開采過程中，由于煤層的存在條件不斷變化，在暴露空氣和壓力的影響下，煤層的原始狀態產生了改變。煤體的裂隙有所擴大、煤層滲透性增大、工作面煤體壓力平衡發生破壞、工作面前一直有泄壓帶存在。因為煤體里面與煤層表面相互之間有壓力梯度的存在，因此就會使煤體里賦存的瓦斯沿著卸壓帶的裂縫涌入工作面。同時瓦斯涌向工作面的強度與煤壁暴露空氣的時間成反比，煤壁的瓦斯涌出隨著割煤速度的增大而增強。

1.2.2 落煤瓦斯涌出

落煤瓦斯涌出包括采落煤和放落煤瓦斯涌出。在開采過程中落下的煤是以顆粒的形態存在的，因此它暴露于空氣中的面積更大，這導致了其瓦斯的解吸速度與強度也相應大幅度的增加，從而使瓦斯涌出量也相應增加。首先，落煤瓦斯涌出強度也是與暴露時間成反比；其次，回采工作面的各種不同因素影響著落煤瓦斯的涌出量，而其瓦斯量主要與工作面的采放煤量成正比。在其他條件不發生改變的狀態下，落煤的粒徑越小，其瓦斯涌出的強度也就相對越大。

1.2.3 采空區瓦斯涌出

一般來說，采空區的瓦斯濃度與采空區深度成正比，也就是說采空區深部瓦斯濃度更高，而且采空區底板的濃度要小于采空區頂板的濃度；若開采工作面的通風方式采用的是上行通風的方式，則其回風側的濃度要比進風側的濃度高。由于氣流的壓力差，采空區的部分瓦斯會流向回風側，經過上隅角后順著回風流排走；而存在于采空區較深部位的瓦斯會因為壓力不足以克服流動所需要的阻力，導致其流動的速度較為緩慢，從而易發生瓦斯積聚的現象。

1.2.4 鄰近煤巖層瓦斯涌出

煤層開采后，由于周圍巖層移動以及地應力重新分布，會形成大量的裂隙，因此如果開采煤層有鄰近層時，鄰近層瓦斯就會從裂隙涌入工作面。從瓦斯涌出源可得出，采空區瓦斯也是因為煤體暴露產生的瓦斯組成的。工作面初次開采時，隨著工作面不斷地向前推進，采空區面積不斷增大，采空區中的瓦斯濃度也不斷增加。當其涌出量一直增加到一個定值時，在其他開采條件不發生變化時，采空區瓦斯涌出量就會趨近于一個穩定值。

2 綜放工作面瓦斯涌出規律分析

2303 工作面煤層平均厚度為6.0 m，煤層穩定。因采用綜采放頂煤采煤工藝，單位時間內割放的煤量大，瓦斯涌出也相應變大，隨著二1 煤層的開采，本煤層瓦斯就會在煤體破碎后解吸進入工作面，上覆巖層及鄰近煤層就會受到采動的影響，產生大量的裂隙，并發生垮落現象，導致煤層中賦存的瓦斯卸壓，然后沿著裂縫以不同的規律涌向回采工作面。對于已采工作面，不同綜放工作面的瓦斯涌出規律如圖1 所示

（1）綜合性。企業財務風險能夠關系到很多的部門，其范圍很廣，并且是企業在不同的矛盾中出現的綜合性的表現。

由圖1 可以看出2303 工作面瓦斯涌出規律具有以下共同特征：

圖1 2303 工作面各巷道瓦斯抽采負壓及濃度

2.1 當開采處于初采階段，管道瓦斯負壓及濃度大體上會隨著工作面的推進向前而保持在一個較為平穩的范圍，波動相對較小；但隨著工作面的不斷推進，在直接頂及基本頂初次垮落時，冒落帶的瓦斯不斷涌入工作面，從而使一定范圍內的煤層卸壓，這就導致原本存在于卸壓帶中的瓦斯快速發生解吸，從煤層中沿著裂隙流向工作面，導致瓦斯涌出量迅速上升。

2.2 隨著開采的進行，直接頂上層巖層垮落導致了瓦斯涌出量的大幅增加。基本頂因為達到了極限垮距而發生垮落現象，從而使工作面和上覆巖層更大范圍內卸壓，導致煤層里的瓦斯以不同的程度和規律涌向工作面，導致瓦斯涌出量第2 次峰值的出現。

2.3 當工作面周期來壓，頂板大面積垮落，巖層瓦斯釋放量會大幅度增加，瓦斯涌出量急劇上升。總體來說，瓦斯的溢出與抽放和礦壓顯現密切相連，在礦壓顯現劇烈時瓦斯可抽采量多，抽采更加容易。

3 工作面瓦斯抽采設計及工藝

3.1 抽采設計依據

對于未卸壓的原始煤層進行瓦斯抽采，其抽采的難易程度一般由以下兩個指標確定：一是煤層鉆孔流量衰減系數，二是煤層透氣性系數。按照《煤礦瓦斯抽放規范》規定，可以將開采層預抽瓦斯難易程度分為三個等級，根據《瓦斯抽采基礎數據參數測定報告》中數據表明，礦井煤層透氣性系數為9.5391m2/MPa2·d，屬于可抽采煤層。

主焦煤礦23 采區為單一煤層開采，故開采后不會有大量的上鄰近層瓦斯涌入采空區。結合礦井生產能力要求、煤層賦存條件和工作面巷道布置及煤層瓦斯賦存和涌出特點，初步確定的抽采方法為：采用2303 工作面底板巷穿層鉆孔治理回采區域上段煤層瓦斯；順層鉆孔治理回采區域中下段煤層瓦斯，順層鉆孔+穿層鉆孔抽采整個開采塊段煤層瓦斯。

根據《主焦煤業公司二1 煤層瓦斯抽采半徑測定報告》中順層孔抽采率、抽采時間、抽采半徑對照表和穿層孔抽采率、抽采時間、抽采半徑，考慮2303 工作面底板巷穿層鉆孔和23 采區輔助回風巷、2303 軌道平巷及切眼順層鉆孔的施工位置、鉆機能力以及2303 工作面預計接替時間，初步確定預抽期、預抽率及抽采半徑如下：

2303 工作面底板巷穿層鉆孔預抽期為20 天，預抽率為30%，鉆孔抽采半徑不得大于3.66m；2303 回風平巷順層鉆孔預抽期為20 天，預抽率為30%，鉆孔抽采半徑不得大于3.48m；2303 運輸平巷順層鉆孔預抽期為60天，預抽率為30%，鉆孔抽采半徑不得大于3.90m；2303切眼順層鉆孔預抽期為20 天，預抽率為30%，鉆孔抽采半徑不得大于3.48m；23 采區輔助回風巷順層鉆孔預抽期為20 天，預抽率為30%，鉆孔抽采半徑不得大于3.48m。

3.2 穿層鉆孔預抽回采區域瓦斯鉆孔設計

圖2 2303 工作面底板巷穿層鉆孔設計剖面圖

3.3 順層鉆孔預抽工作面回采區域瓦斯鉆孔設計

2303 運輸平巷在掘進過程中，沿煤層傾向每間隔一定距離施工一組順層瓦斯抽采鉆孔，2303 運輸平巷瓦斯抽放鉆孔設計參數如下：抽放率η≥30%，抽放時間120天，抽放半徑為3.64m，設計鉆孔終孔間距不大于5.1m。淺孔鉆孔長度不小于60m，深孔設計鉆孔長度不小于120m，鉆孔與2303 工作面底板巷穿層鉆孔不小于10m的交叉，見圖3。

圖3 2303 工作面順層抽放鉆孔剖面示意圖

3.4 工作面上隅角插管抽采瓦斯鉆孔布置設計

插管法是在采煤工作面上隅角靠采空區一側用編織袋構筑成臨時密閉墻，從回風平巷瓦斯抽放管路上引出瓦斯抽放軟管穿過臨時密閉墻插進采空區，對上隅角及采空區瓦斯進行抽放。布置示意圖如圖4 所示。

圖4 2303 工作面上隅角插管抽采示意圖

3.4.1 隨著回采工作面推進，在工作面上隅角進行插管抽放，將抽放管口保留在工作面的采空區，三根Φ75mm 鋼絲軟管和一根Φ300mm 瓦斯抽放管進行上隅角瓦斯抽放。

3.4.2 在上隅角位置使用煤袋構筑臨時密閉墻，將瓦斯抽放鋼絲軟管直接構筑到臨時密閉墻上部，根據現場實際情況及時調整抽放位置，防止抽放管路堵死或漏氣。

3.4.3 將Φ208mm 瓦斯抽放管路進行插管抽放，管路安裝在臨時密閉墻下方。抽采管路提前預留抽氣孔，每節抽采管路安裝一根瓦斯抽采花管進行老塘瓦斯抽采。

3.5 封孔及聯網工藝設計

為了保證瓦斯抽采鉆孔封孔效果，主焦煤礦封孔工藝采用“兩堵兩注”封孔工藝和聯網采用通管直聯，注漿設計采用機械封孔工藝，對瓦斯抽采鉆孔封孔設備、封孔工藝和方式進行確定。

3.5.1 封孔工藝。封孔工藝采用“兩堵兩注”封孔工藝，巖孔段小于10m 的鉆孔，封孔長度超過煤巖交界處1m 位置；若鉆孔見煤點深度大于10m、小于20m 時，則封孔至煤巖交界處。其他穿層鉆孔封孔長度不小于20m。

3.5.2 封孔流程。鉆孔封孔時，使用封孔囊袋進行封孔。將前端囊袋捆好濾布）上穿入鉆孔，連接好注漿管。外端囊袋在距封孔管外端不少于1.5m 范圍處使用扎帶進行固定，將封孔管上的注漿管使用快速接頭連接穿入鉆孔；再穿入第二根不同顏色的注漿管，第二根注漿管的里端頭距里囊袋向下0.5～1.0m。外端口捆綁5～6 袋封孔袋對鉆孔進行初封。

3.5.3 瓦斯抽采鉆孔聯網工藝設計。每個鉆孔安裝一個測量嘴，每5～10 個鉆孔為一組，每一組安裝一個孔板，然后將每一組鉆孔連接到抽采主管三通上進行抽采。底板巷穿層鉆孔聯網工藝采用通管直連工藝，減少封孔管路接頭，減少封孔聯網接頭問題，進一步優化聯網工藝，提高鉆孔瓦斯抽采效果。

4 結論

4.1 根據綜采放頂煤工作瓦斯涌出規律、工作面回采進度選擇合適的瓦斯抽采方法，對工作面回采過程中瓦斯涌出規律進行分析，采取針對性措施，避免出現瓦斯超限及瓦斯事故發生。

4.2 隨著開采的進行，直接頂上層巖層垮落導致了瓦斯涌出量的大幅增加。基本頂因為達到了極限垮距而發生垮落現象，從而使工作面和上覆巖層更大范圍內卸壓，導致煤層里的瓦斯以不同的程度和規律涌向工作面，導致瓦斯涌出量增加，強化工作面瓦斯抽采是治理瓦斯的根本措施。

4.3 當工作面周期來壓，頂板大面積垮落，巖層瓦斯釋放量會大幅度增加，瓦斯涌出量急劇上升。總體來說，瓦斯的溢出與抽放和礦壓顯現密切相連，在礦壓顯現劇烈時瓦斯可抽采量多，抽采更加容易。

4.4 根據瓦斯的析出、運移和礦山壓力的顯現呈成周期性起伏，且發生時間略滯后于來壓時間，據此規律，對瓦斯抽采布置進行優化，加強上隅角、采空區垮落帶及裂隙帶瓦斯抽采工作，保證工作面安全開采。