高瓦斯礦井瓦斯抽采效果分析研究

袁 磊 張 建 孫桂梁

（1.山東公信安全評價有限公司，山東 棗莊 277100；2.神華集團(tuán)烏達(dá)五虎山礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏海 016000）

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目研究背景

瓦斯主要以兩種形式存在于煤體間隙當(dāng)中：一種是游離狀態(tài)的吸附形式，另一種是游離狀態(tài)的存在方式。有5%～10%的瓦斯以游離狀態(tài)存在于煤層當(dāng)中，剩下的瓦斯都是以吸附狀態(tài)存在于煤層當(dāng)中的。在煤層和其附近進(jìn)行采掘工作時，在開采活動的影響下煤巖的原始狀態(tài)就會受到破壞，繼而發(fā)生破裂，結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，重力的相應(yīng)作用，使得一部分煤層中煤體的滲透性提高。而游離狀態(tài)的瓦斯在這些外界環(huán)境因素的變化影響下，通過煤體的裂隙和暴露在空氣中的表面擴(kuò)散到外界并運(yùn)移到空間各處。對瓦斯進(jìn)行抽采是目前瓦斯治理與利用的主要手段，也是最有效的手段。

1.2 煤礦概況

五虎山煤礦主采9#、12#煤層，瓦斯壓力分別為 0.38～0.80MPa、0.12～2.83MPa，瓦斯含量分別為8.48m3/t、8.2m3/t。具體如下表1所示。

表1 主采煤層瓦斯參數(shù)一覽表

礦井絕對瓦斯涌出量約88m3/min，礦井相對瓦斯涌出量約31m3/t，采煤工作面最大絕對瓦斯涌出量約7.3m3/min，掘進(jìn)工作面最大絕對瓦斯涌出量約21.5m3/min，屬高瓦斯礦井。本文以12煤層011204工作面進(jìn)行分析：

12煤層為該區(qū)最厚的一層煤，厚2.44～6.13m，平均3.5m，井田北部較南部厚，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜；煤巖類型為半亮-半暗型，細(xì)條帶或透鏡體鏡煤條帶，質(zhì)硬性脆，節(jié)理裂隙發(fā)育，硬度2左右。該煤層在井田分布穩(wěn)定，屬較穩(wěn)定煤層。12煤層與下伏13上2煤層間距平均為12.86m（3.52～28.70m）

011204工作面長約200m，兩順槽長度1106m。工作面煤層節(jié)理較發(fā)育，平均厚度3.9m，傾角5°～9°，屬較穩(wěn)定煤層。煤層直接頂、老頂均為頁巖，老底為砂質(zhì)頁巖。該工作面上部為010902、010904及011002采空區(qū)，下部和東部均為未開采實(shí)體煤，西為原011204回風(fēng)巷，南為井田邊界，北為12層皮帶上山。

011204工作面采用走向長壁后退式采煤方法，綜采一次采全高工藝，全部垮落法管理頂板。工作面采用MG300/700-WD型雙滾筒采煤機(jī)雙向割煤，端頭斜切進(jìn)刀方式，有效截深0.6m，循環(huán)進(jìn)度0.6m，平均采高3.9m。工作面基本支架選用130架ZZ5200-22/42型掩護(hù)式液壓支架，中心距1.5m。支架工作阻力5200kN，初撐力4362kN，支撐高度2.2～4.2m。移架步距0.60m，最大控頂距5.23m，最小控頂距4.63m。

2 瓦斯抽采治理

2.1 瓦斯抽采系統(tǒng)

礦井在風(fēng)井工業(yè)場地設(shè)地面瓦斯抽采站二座，一座內(nèi)設(shè)2臺2BEC-67型水環(huán)式真空泵，一用一備，雙回路供電，電機(jī)功率450kW，額定流量385m3/min；另一座內(nèi)設(shè)2臺2BEC-52型水環(huán)式真空泵，一用一備，雙回路供電，電機(jī)功率250kW，額定流量200m3/min。抽采主管路為Φ600mm鋼管架纖維管，在回風(fēng)斜井地面場地沿鉆孔進(jìn)入井下，支管路采用Φ450mm、Φ400mm、Φ225mm和Φ300mm鋼管架纖維管，敷設(shè)至各采掘工作面。

主要采用高負(fù)壓抽采和低負(fù)壓抽采，對開采煤層進(jìn)行預(yù)抽，對工作面回采前進(jìn)行抽采，回采時對采空區(qū)、工作面上隅角高位鉆孔進(jìn)行抽采。在12煤的011204綜采工作面、9煤的010906備用工作面和各掘進(jìn)工作面都敷設(shè)了瓦斯抽采管路，進(jìn)行瓦斯抽采，瓦斯抽放系統(tǒng)安全穩(wěn)定、運(yùn)行可靠，各巷道及采掘工作面均無瓦斯超限現(xiàn)象。

2.2 鉆孔布置方式及參數(shù)

以011204備用工作面為例，在工作面兩順槽每隔60m開設(shè)1個鉆場，每個鉆場布置9個鉆孔，鉆孔平均長度100m，鉆孔延伸方向與煤層平行，如圖1所示。

（1）鉆孔布置。鉆孔按五花眼布置，分上、中、下三排，間距0.4m，排距1m。上排鉆孔中心距底板2.2m，中排鉆孔中心距底板1.8，下排鉆孔中心距底板1.4m。上排鉆孔傾角向上2～6°、方位角36°，中排傾角0°、方位角90°，下排鉆孔傾角向下1～3°、方位角180°。孔徑均為94mm，鉆孔深度約100m。

圖1 鉆孔布置平面圖

（2）封孔。原則上封孔深度必須超過破碎帶寬度，封孔深度為7m，采用聚氨酯封孔。

3 瓦斯抽采效果分析

系統(tǒng)建立后預(yù)先對準(zhǔn)備回采工作面進(jìn)行6個月的抽采，同時在工作面推進(jìn)100m后在上隅角布置瓦斯抽采管道對采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采。以月為時間段對011204工作面、回風(fēng)巷、上隅角及十二層煤集中回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行測定分析，抽采前后瓦斯?jié)舛茸兓瘜Ρ纫姳?。以月為時間段對工作面3#鉆場單孔抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析，隨抽采時間抽采量變化見圖2。

表2 抽采前后011204工作面風(fēng)量及瓦斯情況

圖2 3#鉆場單孔抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)及法距隨推進(jìn)時間變化曲線

進(jìn)行瓦斯抽采后，011204工作面上隅角的瓦斯?jié)舛扔?.22%～4.65%降至0.30%～0.48%，回風(fēng)順槽的瓦斯?jié)舛扔?.66%～3.55%降至0.18%～0.32%，十二層煤集中回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛扔?.10%～2.82%降至0.16%～0.22%。抽采6個月以后隨著工作面的開采實(shí)行邊采邊抽，工作面上隅角和回風(fēng)順槽的瓦斯?jié)舛葻o明顯變化，只有略微波動。3#鉆場單孔抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化與工作面上隅角和回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛茸兓辔呛?，從兩個方面說明了瓦斯抽采效果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。礦井煤層瓦斯易抽采，隨著抽采時間延長，前兩個月瓦斯抽采量逐漸減少且變化明顯，從3月至6月瓦斯抽采量減少量變化緩慢，六個月以后瓦斯抽采量基本趨于穩(wěn)定，12個月以后煤層瓦斯已無抽采必要。

4 應(yīng)用效果總結(jié)

（1）采用高/低負(fù)壓對開采煤層工作面回采前進(jìn)行抽采，同時回采時對采空區(qū)、工作面上隅角進(jìn)行抽采，抽采效果較好，達(dá)到了瓦斯預(yù)期抽采目標(biāo)。證明對高瓦斯煤層采用預(yù)先抽采技術(shù)能夠有效防止瓦斯超限，瓦斯治理效果明顯，為高瓦斯煤層的開采提供安全保障。

（2）利用瓦斯抽放系統(tǒng)對采煤工作面上隅角瓦斯進(jìn)行抽采，由于工作面上順槽后路難以封閉嚴(yán)密，導(dǎo)致上隅角瓦斯抽采難以達(dá)到預(yù)期抽采效果，難以杜絕上隅角瓦斯超限問題，需增加工作面配風(fēng)量來降低上隅角瓦斯?jié)舛取?/p>

（3）對于無煤層自然發(fā)火的礦井，采空區(qū)、鄰近煤層瓦斯涌出量占總瓦斯涌出量的比例大于50%，利用瓦斯抽采系統(tǒng)造成的高負(fù)壓狀態(tài)，使得采空區(qū)、煤層內(nèi)瓦斯移動，抽采效果明顯。

（4）瓦斯抽放泵流量必須滿足礦井抽采期間最大瓦斯抽采量的要求，且瓦斯抽放泵的負(fù)壓必須大于管道系統(tǒng)的阻力，管道系統(tǒng)必須連接嚴(yán)密。

5 需進(jìn)一步解決的問題

（1）抽采鉆孔孔徑的大小直接影響鉆孔周圍的卸壓帶，卸壓帶范圍的大小影響著瓦斯的抽采效果，鉆孔孔徑越大，瓦斯的抽出量越大，抽采效果越好，但受煤層厚度、地質(zhì)條件的影響，在鉆孔過程中受鉆孔長度、孔徑和技術(shù)的影響，容易造成塌孔問題。

（2）抽采負(fù)壓對未卸壓煤層抽放效果的影響沒有明確的計算公式，雖然有關(guān)數(shù)據(jù)顯示提高抽采負(fù)壓可以顯著提高瓦斯的抽采效果，但不能真正的表示出負(fù)壓與抽采量的關(guān)系。

（3）瓦斯抽放率與鉆孔布置有很大關(guān)系，在現(xiàn)有條件下如何進(jìn)一步試驗(yàn)最佳布孔參數(shù)，增加瓦斯抽采面積，縮短瓦斯抽采時間，還需要不斷進(jìn)行探索。

（4）現(xiàn)有瓦斯抽采系統(tǒng)和布孔方式無法解決工作面上隅角瓦斯超限問題，能否通過優(yōu)化鉆孔布置參數(shù)和增加工作面上隅角、采空區(qū)抽采量來解決，需進(jìn)一步進(jìn)行探索。