高瓦斯煤层瓦斯抽采的研究

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[摘 要]我国大部分矿区煤层属低透气性难抽煤层，给瓦斯治理和利用带来困难。为了提高煤层透气性或增加单位煤体钻孔长度，以达到提高抽放率的目的，本文对高瓦斯煤层瓦斯抽采进行研究，使煤矿开采效率提高。

[关键词]瓦斯抽采；高瓦斯煤层；采空区

中图分类号：TD712 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）42-0095-01

引言

煤层瓦斯，以吸附和游离两种状态赋存在煤体中，形成固气并存的二相介质，因此，研究煤层瓦斯渗流和瓦斯抽放问题必须考虑气体（CH4、CO2等）对煤岩体本身的变形和强度造成的影响。

目前，瓦斯抽采方法主要有本煤层瓦斯抽采、邻近层瓦斯抽采及采空区瓦斯抽采。其中，本煤层瓦斯抽采主要有钻孔法预抽、边采边抽、高位钻孔抽采技术等几种方式；邻近层瓦斯抽采主要有钻孔抽采、巷道抽采及巷道―钻孔混合抽采方式；采空区瓦斯抽采采用采空区埋管、上隅角插管等方式。我国煤矿已有多种抽放瓦斯的方法在应用，但是许多种抽放瓦斯方法由于受煤矿现场条件的限制，而没有获得较好的抽放效果

1 高位钻孔瓦斯抽放原理

煤层开采后，在上覆岩层中形成 2 类裂隙。一类是离层裂隙，是指随岩层下沉在不同岩性地层之间出现的沿层面裂隙，它是由于各个岩层之间的不同岩性、厚度所导致的岩层之间下沉不同步而造成的。另一类是竖向破断裂隙，是指随岩层下沉破断形成的穿层裂隙，它是由于岩层受拉剪作用超过其强度造成的。与此同时，在采空区上覆岩层由下向上依次存在冒落带、裂隙带、弯曲下沉。其中，冒落带破断裂隙非常发育，在工作面推过后，冒落带内岩块破断后呈不规则垮落，裂隙带上部以离层裂隙发育为主，下部则以破断裂隙发育为主，而弯曲下沉带裂隙不发育。

当采空区顶板充分垮落后，采空区中部岩层和下方的矸石紧密接触，从而使得采空区中部顶板岩层裂隙被压实，而采空区四周由于煤壁的支撑作用以及各岩层断块长度的不同，使得上下位岩层的离层仍能在一定程度保留，这样在采空区中部的裂隙被压实，而四周关键层下部形成一个横向连通的采动裂隙发育区，称之为“O”形圈。

显然，“O”形圈在采空区切眼一侧固定不动，而在工作面一侧则随着工作面推进而前移，其移动速度和工作面推进速度相当，因此“O”形圈在采空区顶板充分垮落后始终存在。在“O”形圈上方或者下方受采动影响的煤层涌出的瓦斯在浓度梯度和压力梯度作用下必然会以扩散和渗透的形式向“O”形圈内运移，使得“O”形圈成了上位煤层释放瓦斯聚集和运移的主要场所。高位钻孔就是在风巷向煤层顶板施工的钻孔。高位钻孔瓦斯抽放就是利用工作面回采采动压力形成的顶板裂隙作为通道来抽放邻近层释放的瓦斯。把高位钻孔布置在“O”形圈内，由于“O”形圈长期稳定存在，钻孔能够长时间、有效地抽出瓦斯

2 矿井瓦斯抽放方法研究

（1）煤层可抽放性分类

根据煤层可抽放瓦斯的难易程度，一般可以划分为容易抽放、勉强抽放和难以抽放

三种类型，见表1。

（2）矿井瓦斯抽放方法及其适用条件

矿井瓦斯抽放方法按瓦斯来源可分为开采（本）层瓦斯抽放、邻近层瓦斯抽放、采空区瓦斯抽放和综合瓦斯抽放等；按汇集瓦斯的方式可分为钻孔法、巷道法以及钻孔和巷道混合法；按煤层卸压与否可分为未卸压抽放，卸压抽放和强化抽放（人为提高煤层透气性或增加涌流暴露面积和连通空道等）；按地上、下施工位置可分为地面抽放和井下抽放等。

（3）开采层瓦斯抽放方法

绝大多数开采单一煤层的高瓦斯或突出矿区采用开采层采前预抽瓦斯的方法。

（4）邻近层瓦斯抽放方法

开采煤层群的矿区，当回采工作面瓦斯涌出以邻近层卸压瓦斯为主且采用通风方法不能解决工作面瓦斯超限时，几乎全部实施了邻近层瓦斯抽放，其中约有 70%以上的工作面采用穿层钻孔抽放邻近层瓦斯。

（5）采空区瓦斯抽放/地面钻孔抽放采空区瓦斯方法

采空区瓦斯抽放的方法主要有顶板岩石钻孔、采空区埋管或插管抽放等，其中顶板岩石钻孔抽放采空区冒落拱上方的卸压瓦斯效果显著。对采空区埋管或插管抽放方法来说，抽瓦斯管口的位置越高、离工作面越远、采空区与工作面之间的隔离越好，其抽放效果也越好。为保证一定的抽放量，埋管和插管的管径应不低于150mm，为了降低管路费用，可使用菱镁土等管材。

3 采空区瓦斯抽采

采空区瓦斯抽采具有抽采量大、来源稳定等特点，邻近层及围岩瓦斯的大量涌出，使采空区瓦斯涌出量较大，具备进行采空区瓦斯抽采的条件。采空区埋管在采空区抽采应用广泛，沿回采工作面的回风巷上帮敷设1条瓦斯管，随工作面推进，抽放站管埋入采空区。

在采空区无内部漏风的流场中，采空区内的瓦斯体积分数很高，瓦斯随着采空区风流移动汇集在采空区上隅角，形成高体积分数的瓦斯聚积区；这是因为上隅角的漏风流线大多是流经采空区深部的流线，携带瓦斯量大，最终在上隅角形成瓦斯聚积，所以，抽放的对象应是上隅角瓦斯聚积点的风流。利用上隅角插管抽放方法，将聚集在上隅角的瓦斯抽出，有效地解决了上隅角瓦斯超限问题，同时减少采空区的漏风量及瓦斯涌出量，以便将聚集在采空区上隅角的低体积分数瓦斯抽出。采用此方法时，积极探索瓦斯涌出规律，并通过对采空区瓦斯流场的分析，采取高中低位的立体抽放方法，高低体积分数分散抽采，大大提高抽采效率，具体如图1所示。

结束语

我国高瓦斯低透气性煤层分布比较广、瓦斯抽采难，这是众多煤矿企业普遍存在的技术难题，也是制约安全生产水平的重要因素，因此提高及落实“先抽后采”瓦斯治理方针是至关重要的。由于各矿井煤岩层的赋存特点、瓦斯赋存规律、生产采掘工艺等不同，所以根据矿井自身特点研究瓦斯抽采的合理组合方式、工艺参数、抽放效果评价技术等是非常必要的。煤矿瓦斯抽采，煤层气开发利用是一件利国利民、利企业的大事。国家应积极支持煤矿企业进行瓦斯抽采与利用技术研究开发，建立示范工程，为有效控制煤矿瓦斯灾害事故提供技术支持。

参考文献

[1] 俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州：中国矿业大学出版社，1992.

[2] 李国君.铁法矿区瓦斯控制技术及应用.2004年第四届国际煤层气论坛.2004.12.

[3] 李宗翔.回采采空区上隅角瓦斯抽放的数值模拟与参数确定[J].矿业安全与环保，2002，29（1）.