煤层群开采工作面多源瓦斯抽采应用研究

曾上徕

(兴源矿业有限公司，湖南 耒阳 421800)

在煤层群开采条件下，首采煤层工作面开采后顶底板的变形使得邻近煤岩层之间形成利于瓦斯运移的裂隙和通道，导致工作面瓦斯涌出量加大，易引起工作面瓦斯浓度超限，制约工作面正常回采进度，甚至威胁矿井安全生产[1-3]。

工作面回采后，采空区顶板变形垮落，由下到上形成三带，即垮落带、断裂带和弯曲下沉带，三带的受破坏程度和受力情况各有特征[4-5]，许多学者针对三带的特征展开了大量研究和现场实际应用。黄森林[6]通过现场实测、理论分析和现场试验相结合的方法，综合得出工作面垮落带高度，为高位钻孔参数设计提供了可靠的技术数据；韩彪[7]从经验公式和数值模拟两方面研究得出垮落带和裂隙带的高度，在此基础上，设计并施工了高位钻孔进行裂隙带瓦斯抽采，解决了邻近层瓦斯涌出量大的问题；崔永青等[8]基于马堡煤矿地质特征，采用RFPA软件模拟和现场考察，研究得到了矿井工作面开采后覆岩破断与垮落规律，划分了“三带”的分布区域；杜康[9]采用UDEC数值模拟软件对上屯留煤矿工作面上覆岩层的移动规律进行了数值模拟研究，得出了采空区上覆岩层垮落带的发育规律和高度；杨枫等[10]现场进行了裂隙带高位抽采钻孔、高位抽采巷道和采空区抽采钻孔3种方法的对比试验，对3种钻孔的瓦斯抽采效果进行分析，通过3种钻孔进行的瓦斯抽采杜绝了工作面瓦斯浓度频繁超限的发生，加快了工作面推进效率，且将高效抽采的瓦斯直接用于发电，取得了良好的经济效益。

上述研究都是针对采空区上方“三带”和瓦斯抽采应用，均取得了很大成效。本文基于矿井煤层群开采以及煤层赋存不稳定的实际情况，研究工作面垮落带和裂隙带的高度范围，通过提前施工钻孔对裂隙带瓦斯进行抽采，有效降低工作面瓦斯涌出量，解决工作面上隅角和回风巷瓦斯浓度超限的问题，以期对矿井的瓦斯治理和安全生产提供指导。

1 矿井概况

兴源矿业有限公司伍家冲煤矿主采6号煤层，上部2、3、5号煤层为不稳定局部可采煤层。6号煤层厚度为0～20.2 m，平均厚度为3.31 m，上距5号煤平均距离为29.81 m；5号煤厚度为0～1.98 m，平均0.61 m；5号煤上部18.35 m为3号煤，平均厚度0.55 m；3号煤上部20.13 m为2号煤，平均厚度0.71 m。

2261工作面位于伍家冲煤矿22采区南翼，上至-195 m标高为界，下至-244 m标高为界，工作面平均走向长385 m，倾斜长102 m，面积39 270 m2，平均煤厚2.5 m，倾角12°。在2261工作面回采期间，工作面经常出现超限事故，分析原因是由于其上邻近煤岩层大量卸压瓦斯通过贯穿的裂隙通道涌入回采区域，同时本煤层采空区遗煤瓦斯进一步加大了工作面瓦斯涌出量，极易造成工作面瓦斯超限事故，威胁安全生产。

2 垮落带和裂隙带高度计算

2261工作面采用全部垮落法管理顶板，采高为2.5 m，则依据如下公式[11]计算可得工作面采空区上方垮落带和裂隙带高度分别为：

式中：M为开采高度，2.5 m。

计算可知，工作面的垮落带和裂隙带高度分别为12.30 m和24.68 m，则工作面垮落带范围大致为采空区上方0～12.30 m之间，裂隙带高度范围为采空区上方12.30～36.98 m之间。

3 瓦斯抽采钻孔布置

随着工作面的持续推进，煤层顶板变形垮落，逐渐形成垮落带；而垮落带上方的岩石受到下部垮落岩石的影响，导致压力失衡进而出现下沉，产生垂直断裂或离层，最终形成裂隙带，在此之间煤岩体内积聚的瓦斯受卸压影响而释放，并在裂隙带内存储下来，瓦斯压力明显增高，此时向该区域打入钻孔，一方面为这些瓦斯提供了流动的通道，另一方面抽采孔的负压也会使瓦斯的流动增强，从而抽采出大量卸压瓦斯。

在工作面回风巷靠工作面一侧向煤层顶板方向以一定倾角掘进一条长5 m左右的巷道，落平后布置钻场，相邻钻场间距为30 m左右(可依据煤层赋存状况进行适当调整)，钻场长2 m、宽2.2 m、高2.2 m，每个钻场布置9个钻孔，钻孔终孔位置位于采空区上方15～40 m范围裂隙带内，钻孔终孔间距为6 m，钻孔布置见图1所示，表1所示为其中3号钻场钻孔参数。

图1 垮落带和裂隙带瓦斯抽采钻孔布置

表1 3号钻场高位钻孔施工参数

当工作面推进至抽采钻孔的抽采范围内时，钻场内的瓦斯抽采钻孔开始抽采作业，为保证抽采作业的持续性，当前一个钻场抽采作业结束时，后一个钻场的钻孔进行接替抽采作业，以此形成循环接替抽采系统。

4 抽采效果分析

以3号钻场的9个抽采钻孔的瓦斯平均抽采效果为例，见图2，当工作面推进至钻孔的抽采范围内时，钻孔的瓦斯抽采效果开始显现；随着回采的进行，采空区上部煤岩体垮落、裂隙增加，涌出的瓦斯通过抽采钻孔被大量抽出，此时钻孔处于高效抽采阶段，抽采浓度和抽采流量大幅度增加，抽采钻孔平均抽采浓度35%，平均抽采纯量0.64 m3/min，最高达到1.50 m3/min；在钻孔抽采的最后阶段，钻孔的绝大部分因垮落带的垮落和随裂隙带的沉降而失效，抽采效果下降直至回采面推过钻场，钻孔作废，下一抽采钻场开始接续抽采。

图2 裂隙带钻孔瓦斯抽采效果

作为游离瓦斯的富集区，裂隙带内瓦斯抽采效果较为理想，且能持续较长时间；同时在钻场内钻孔抽采期间，工作面回风流和上隅角瓦斯浓度均在超限浓度值以下，无瓦斯浓度超限事故发生，说明所实施的瓦斯抽采措施达到了预期效果，大大降低了工作面风排瓦斯压力，保证了安全回采。

5 结 语

1) 工作面采空区垮落带和裂隙带的形成需要一定的时间，在此期间可通过提前合理施工瓦斯抽采钻孔进行卸压瓦斯抽采，有效减少工作面的瓦斯涌出量。

2) 由于煤层赋存的不稳定性，可依据煤层的赋存情况，灵活调节和合理施工裂隙带抽采钻孔，通过现场抽采效果考察，所施工的钻孔可进行采空区裂隙带和邻近煤岩层瓦斯的抽采(多源瓦斯抽采)，抽采浓度和纯量分别为35%和0.64 m3/min，大大降低了风排瓦斯压力，解决了上隅角及回风流瓦斯超限问题，保障了安全生产。