高瓦斯礦井煤層瓦斯抽采設(shè)計

魏強

摘要：隨著經(jīng)濟和科技水平的快速發(fā)展，煤層瓦斯是重要的資源，如果能夠?qū)崿F(xiàn)煤與瓦斯共采，不僅可以減少瓦斯排放量，同時可以控制瓦斯帶來的嚴(yán)重災(zāi)害，促進煤炭生產(chǎn)企業(yè)的安全生產(chǎn)，同時瓦斯本身能夠被作為清潔能源使用，減少化石燃料燃燒后造成的環(huán)境大氣污染。分析抽采效果證明抽采鉆孔布置科學(xué)合理。

關(guān)鍵詞：高瓦斯礦井;煤層瓦斯;抽采設(shè)計

瓦斯作為威脅礦井生產(chǎn)安全的主要因素之一，是礦井生產(chǎn)安全管理的重點，特別是隨著礦井回采深度的持續(xù)增加，井下回采中遭遇高突煤層的風(fēng)險大幅增加，探索積極有效的瓦斯綜合治理技術(shù)至關(guān)重要。以此為著手點，針對礦井瓦斯綜合抽采作業(yè)開展探究，結(jié)合工程實際，在分析采動裂隙場瓦斯抽采機理的基礎(chǔ)上，對瓦斯綜合抽采作業(yè)進行全面分析。結(jié)果表明，綜合抽采作業(yè)效果良好，實現(xiàn)了對礦井瓦斯危害的有效防治。

1 煤層瓦斯抽采原理

預(yù)抽和邊采邊抽是本煤層瓦斯常用的抽采方法，其中預(yù)抽是在未進行開采的煤層內(nèi)打設(shè)鉆孔，并在回采前提前將煤體內(nèi)的瓦斯抽出，由于預(yù)抽前煤層還未采動卸壓，所以該抽出方式只適應(yīng)于透氣性較好的煤層。工作面回采過程中，超前一定距離的煤體受采動影響內(nèi)部會松動卸壓，透氣性增大，此時在即將待開采的煤體中布置鉆孔對卸壓瓦斯進行抽采可取得較好的抽采效果。按照鉆孔布置方式，本煤層內(nèi)的鉆孔可分為順層平行鉆孔和交叉鉆孔。在本煤層內(nèi)施工斷面相同的相鄰兩個鉆孔，分析單個鉆孔周邊切向應(yīng)力的分布衰減過程得出，鉆孔周圍存在一個超過原巖應(yīng)力5%為界的劇烈影響區(qū)域。依據(jù)彈性力學(xué)原理，設(shè)此影響半徑為Ri，如果兩個臨近鉆孔之間的距離>2Ri，則這兩個鉆孔互不影響;但當(dāng)兩個臨近鉆孔之間的距離<2Ri時，則這兩個鉆孔彼此影響。在兩個相互交叉鉆孔的影響區(qū)域，鉆孔周邊的塑性區(qū)半徑在交叉范圍內(nèi)因為受切向集中應(yīng)力的影響而增大。由彈性力學(xué)的相關(guān)知識可知，鉆孔周邊的塑性區(qū)半徑與其直徑成正比關(guān)系。采煤工作面抽采實踐經(jīng)驗表明，布置在條件相同區(qū)域且參數(shù)相同的瓦斯抽采鉆孔，其抽采效果不盡相同。分析造成這種現(xiàn)象的原因是抽采過程中鉆孔內(nèi)部塌孔堵塞造成瓦斯的流動阻力增大。交叉鉆孔因為相互影響而存在局部連通范圍，這樣即使某一鉆孔因塌孔等原因?qū)е铝鲃幼枇υ龃髸r，其他與之連通的鉆孔。還可以起到抽采作用，從而提高瓦斯抽采效果。

2 礦井瓦斯綜合抽采方法

2.1 覆巖裂隙區(qū)瓦斯抽采機理分析

一般來說，采空區(qū)覆巖采動裂隙可劃分為兩大類：不同層間存在的離層;巖層中因豎向破斷而出現(xiàn)的穿層裂隙，兩種裂隙共同構(gòu)成了采空區(qū)瓦斯運移的通道。在回采面的采動影響下，其采空區(qū)覆巖存在三帶的劃分（垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶），其中采動裂隙主要集中于裂隙帶中，并隨著頂板的破斷在采空區(qū)邊緣形成O形圈，而采空區(qū)內(nèi)溢出的瓦斯便會順著運移通道進入覆巖O形圈中，使得瓦斯大量聚集。基于這一原理，將高位鉆孔布設(shè)于O形圈上方的裂隙帶巖層中，便可實現(xiàn)對采空區(qū)瓦斯的有效抽采。有鑒于此，通過分析3215作業(yè)面覆巖結(jié)構(gòu)特征，確定其冒落帶高度（16m）、垮落帶高度（45m）和O形圈寬度（26m），便可確定頂板走向高位鉆孔位置，從而提升瓦斯抽采效果。

2.2 頂板走向高位長鉆孔抽采

3215作業(yè)面頂板裂隙帶高度為45m，采空區(qū)O形圈寬度為26m。有鑒于此，其頂板走向高位長鉆孔終孔位置應(yīng)當(dāng)垂直位于頂板裂隙帶范圍內(nèi)，同時，終孔水平位置應(yīng)當(dāng)位于采空區(qū)O形圈范圍內(nèi)。在3215回風(fēng)巷道終采線起始間隔底板500mm處布設(shè)首個鉆場，隨后每間隔50m布設(shè)鉆場一個，鉆場布設(shè)尺寸為4m×2.6m，鉆場內(nèi)鉆孔設(shè)計直徑94mm，每個鉆場布設(shè)鉆孔8個，分上下兩排布設(shè)，采用相互交錯的三花眼布設(shè)方式。三花眼布設(shè)間隔為500mm，其中下排鉆孔與鉆場底板間隔1500mm。

2.3 超前塑性區(qū)瓦斯抽采機理分析

井下的煤層回采作業(yè)使得原巖應(yīng)力場被破壞，從而在作業(yè)面前方形成不同的應(yīng)力區(qū)域，依次為應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。其中，應(yīng)力降低區(qū)煤體破碎現(xiàn)象突出，存在大量裂隙，不再具備承載力。同時，應(yīng)力峰值前移在煤壁前方中形成極限承載區(qū)（應(yīng)力升高區(qū)），其應(yīng)力峰值向左至靠近煤壁前方的區(qū)域在動壓影響下生成大量節(jié)理裂隙，形成采動裂隙發(fā)育區(qū)，也是煤壁前方塑性區(qū)。而峰值應(yīng)力右側(cè)區(qū)域內(nèi)的煤體在壓應(yīng)力的影響下形成裂隙閉合區(qū)。此外，原巖應(yīng)力區(qū)受采動擾動的影響相對有限，內(nèi)部煤體主要為原生裂隙，屬于原生裂隙區(qū)。

3 結(jié)束語

隨著科技快速發(fā)展，采煤工藝日趨大型化、集中化和高產(chǎn)高效。然而我國的煤炭賦存地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層瓦斯含量高、瓦斯事故頻發(fā)，成為制約安全生產(chǎn)的主要因素之一。瓦斯綜合抽采作為高突煤層瓦斯有效治理的重要手段之一，不斷增強對其應(yīng)用水平的提升對礦井生產(chǎn)安全有著重要意義。對此礦井管理者必須高度重視，在不斷推動相關(guān)技術(shù)應(yīng)用水平提升的同時充分結(jié)合礦井實際完善技術(shù)，從而獲得貼合礦井生產(chǎn)實際的高效治理技術(shù)，真正實現(xiàn)井下瓦斯的有效防治，為礦井的長久持續(xù)發(fā)展提供堅實保障。

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