代池坝煤矿低透气性复合煤层群卸压瓦斯抽采技术研究

陶启兴

【摘要】代池坝煤矿所开采煤层为低透气性复合煤层群。本文分析了近距离煤层联合布置工作面（煤层赋存原因，局部地段为首采区段）的瓦斯涌出来源，利用卸压原理，确立了邻近层抽采卸压、裂隙带高位钻孔卸压抽采等多种方法，取得了非常明显效果。

【关键词】低透气性；复合煤层群；卸压；抽采；技术；研究

０前言

代池坝煤矿共有可采或局部可采煤层8层，属典型的复合煤层群，由地表及里依次为5#、7#、8#、9#、10#、11#、12#、13#煤层。由于受5#煤层煤炭质量和当时开采技术条件等多种因素的影响，304采区暂停了5#煤层的开采，在布置304采区西翼工作面时，7#、8#煤层（套采）作为了首采煤层，生产过程中，未开采的上覆5#煤层、下伏9#煤层瓦斯通过采空区和上隅角大量涌出，造成套采工作面联络石门及回风巷瓦斯超限。分析瓦斯来源，采取有效措施进行治理成为通风瓦斯管理的重中之重。

１矿井通风基本情况

矿井采用中央分列式通风方式和抽出式通风方法通风，选用BDK54-60-NO19风机，矿井总回风4500m3/ min，通风负压1500Pa，通风等级孔2.3m2左右，属通风容易矿井。矿井相对瓦斯涌出量31.76m3/t；绝对瓦斯涌出量为18.93m3/min，鉴定为高瓦斯矿井。地面建有永久性瓦斯抽采系统，采用2BE系列水环式真空泵，能有效进行瓦斯抽采。

２瓦斯异常工作面情况

7#、8#煤层厚度分别为0.46m、0.8m，煤层层间距为3m，煤层倾角38～44°。上距5#煤层13.8m,下距9#煤层19m。3745、3845工作面套采布置，走向长550m，倾斜长100m，多短壁伪斜小巷采煤法开采，放炮落煤，两套采工作面错距平均35m。

３工作面瓦斯涌出来源分析

工作面推进300m时，瓦斯涌出量突然由1.5m3/min增至7.2m3/min。一般意义上讲，回采工作面瓦斯涌出主要由三部分组成，一是，工作面煤壁及放炮落煤的瓦斯涌出；二是采空区瓦斯涌出；三是，邻近层瓦斯涌出。其中采空区瓦斯涌出又主要来源于受采动影响的卸压邻近层以及本煤层自身所涌出的瓦斯。据统计，采空区瓦斯涌出量占回采工作面总瓦斯涌出量的59%左右。经现场实测，工作面煤壁及落煤的瓦斯涌出量为1.45m3/min，而采空区瓦斯涌出量高达5.95 m3/min，说明3745、3845采空区大量涌出的瓦斯主要来自邻近层，即上覆的5#、下伏的9#煤层。3745、3845采面开采后，上部5#煤层、下伏的9#煤层底、顶板卸压，大量的瓦斯释放涌向开采层7#、8#煤层采空区，集中从上隅角涌出，造成工作面回风流中瓦斯高达1.2%。

４煤层群瓦斯卸压抽采原理

４.1卸压原理

矿井瓦斯抽采实践表明，在其他条件相同时，钻孔的瓦斯流量与抽采层的透气性系数大小成正比，即煤层的透气性系数越大，钻孔的瓦斯流量也越大。但是煤层的透气性系数与煤结构和地应力有关。对某一具体煤层来讲，地应力越高，煤层的透气性系数越小，则钻孔的瓦斯流量就小。当本煤层开采后，使其上覆、下伏煤层及围岩卸压，即出现卸压区。由于地应力的降低，煤层透气系数的增加，上、下邻近层的瓦斯显现“卸压流动效应”，大量的卸压瓦斯向着两个方向流动：一是，沿抽采层流向钻孔；二是，沿层间的岩石裂隙流向开采层的采空区。两个方向的流量大小决定于两个方向的流动阻力和瓦斯压力差。

邻近层受采动影响后，岩体与煤体发生位移和膨胀变形。观测表明，沿层面的位移和膨胀变形量远远小于垂直于层面方向的位移和膨胀量，这就是说，在垂直层面的法线方向，卸压最大。由于上述原因，在冒落带以外的卸压区内，卸压瓦斯的主要流动方向是沿着煤层流向钻孔。

随着煤层距开采层层间距的加大，卸压瓦斯流向采空区的阻力也增加，所以层间距大时，卸压瓦斯流向采空区的瓦斯量就减少，反之，瓦斯量就增加。随着工作面的推进，钻孔周围的卸压区越来越大，瓦斯的来源越来越广，但同时卸压瓦斯流向钻孔的途径也逐渐变远，钻孔附近的瓦斯压力也越来越低。开始时前者对流量的影响大于后者，所以钻孔流量呈增加状态，以后两者趋于平衡，流量呈不变状态，当后者的影响大于前者时，流量呈减少状态，最后，由于钻孔附近的瓦斯已排放，而远方的卸压瓦斯在路径长、阻力大补给不上的情况下，瓦斯流量逐渐降到一定值时，钻孔抽采作用大大降低。此时，在抽采层的新卸压区必须要有新钻孔投入抽采，否则，新卸压的瓦斯因无出路会大量涌入来空区，造成回采工作面上隅角瓦斯积聚，诱发工作面回风巷瓦斯超限。

４.2工作面顶底板围岩应力状态分析

7＃、8＃开采后，周围煤岩层向采空区移动，使得采空区上下方煤岩体应力、瓦斯压力、瓦斯流量、煤层膨胀变形、温度等参数发生重大变化。可以将采空区划分为4 个带，即正常应力带、集中应力带、卸压带和应力恢复带。

（１）正常应力带。在7＃、8＃煤层回采工作面前方40m 以内，该范围内煤层未受采动影响，应力变形和瓦斯动力参数基本上处于原始状态。

（2）集中应力带。位于7＃、8＃煤层回采工作面前方2 一40m 范围内，此带范围内煤层承受的应力高于原始状态，最大应力点位于工作面前方5 ～ 40m 范围内，7＃、8＃煤层的瓦斯压力和煤体温度都略有增加，钻孔瓦斯流量仍然很小。

（3）卸压带。从开始急剧卸压的地点作为卸压带的初始点，通常位于工作面后方5～20m 外，最大卸压点位于工作面后方20 ～200m 范围内，随后卸压速度减缓，应力开始恢复。

（4）应力恢复带。位于工作面较远处，冒落岩石逐渐被压实，煤层、岩层重新承受压力，地压缓慢恢复，达到相对稳定状态。但应力值小于原始应力值，煤层仍保留一定的膨胀变形。

５瓦斯抽采方法确定

通過对急倾斜煤层卸压效果和卸压范围的一系列考察和实践，我们一方面加强采煤工作面运输巷尾巷封堵；优化工作面支护参数，增大工作面断面；工作面上隅角挂风帐等常规通风方法，减少采空区漏风。另一方面，确定了3745、3845工作面瓦斯抽采治理综合措施：

（１）在3745、3845共用运输巷内每隔30m掘进一小石门至5#煤层，在见煤点处布置钻场，并于钻场内沿煤层布置扇形钻孔。

（２）加大9#煤层（3945工作面已布置）瓦斯抽采力度。改3m孔间距为1.5m，增加钻孔密度，提高瓦斯抽采量。

（３）由于3745、3845是套采，回风巷、运输巷都布置在岩层内，5#煤层尚未布置巷道，很难对裂隙带进行抽采，决定从3945回风巷打穿层钻孔实施卸压带瓦斯抽采。

６实施效果

上节中采用的通风基本方法，解决了短时“治标”问题；（1）、（2）对邻近层（5#、9#煤层）瓦斯进行了卸压抽采；（3）对裂隙带瓦斯进行了卸压抽采。

通过现场实测3745、3845工作面回风流瓦斯浓度从1.2%下降到0.6%以下，工作面平均瓦斯浓度仅0.27% ，上隅角瓦斯浓度降至0.75%以下，工作面绝对瓦斯涌出量从7.2 m3/min下降到1.53/min以下，保证了3745、3845工作面安全开采。通过卸压瓦斯抽采技术对邻近层瓦斯抽采的应用，5#、9#煤层的瓦斯得到了有力释放。3945工作面正式开采时，风排瓦斯量仅为1.34 m3/min，比3943工作面减少5.86m3/min。5#煤层钻孔瓦斯流量达到3.56 m3/min，瓦斯压力降到0.1MPa 以下，煤体膨胀变形25mm，底板巷道的支柱压力和岩体应力都降到最低值，煤体温度显著下降到17 ℃ ，5#煤层底板岩层移动60mm。

７结束语

（１）邻近层卸压抽采最好顺煤层沿工作面倾斜方向布置钻孔，扇形孔易造成抽采“盲区”。

（2）裂隙带瓦斯抽采最好终孔位置处于采高6-8倍的地层下方，抽采效果最佳的钻孔层位在煤层顶板向上6-13m处,且尽量靠近工作面上隅角。

（3）采用风力排渣施工瓦斯钻孔工艺钻进快、成孔质量高。

【参考文献】

［１］李树刚，钱鸣高.我国煤层与甲烷安全共采技术的可行性[J].科学导报，2000，(6):39-41．

［２］胡千庭，蒋时才，苏文叔.我国煤矿瓦斯灾害防治对策[J].矿业安全与环保，2000，27(1):1-4．

［３］张正林，李树刚.卸压瓦斯抽采技术研究及其效果[J]．

［责任编辑：张涛］