低透气性煤层瓦斯预抽技术的探讨与实践

李长贵 刘海源 张 浩

（1.沈阳焦煤有限责任公司，辽宁省沈阳市，110122；2.中国矿业大学（北京），北京市海淀区，100083）

1 工作面概况

沈阳焦煤（集团）有限责任公司红阳三矿煤层埋藏深，变质程度高，瓦斯吸附性强，属于低透气煤层，在采取开钻场先抽后采措施中，一是需要较长的预抽时间，二是提前掘送巷道，增加维护工作量，给矿井接续带来影响。北一1211采煤工作面所采的12＃煤层有煤与瓦斯突出危险，12－1＃煤层平均厚1.50m；夹矸为泥岩，平均厚0.92m。12－2＃煤层平均厚1.39m。12－1＃煤层顶板为黑色泥岩，平均厚11.2m。12－2＃煤底板为细砂岩，平均厚1.79m。12－1＃煤层顶板泥岩坚固性系数f＝2.19～2.65。12－1＃煤层及12－2＃煤层坚固性系数f＝0.26。12－2＃煤层底板细砂岩坚固性系数f＝4～6。工作面位于北一下采区运输上山以南，东邻1209采空区，西为未采动区。北一采区12＃煤层原始瓦斯压力为0.68MP a，瓦斯含量9.5 m3／t，在北一1209工作面掘进和回采时，虽然也采取了加大供风量和瓦斯抽放等措施，但是效果不佳，经常出现瓦斯超限现象，工作面和回风流瓦斯浓度经常超过1.0%，上尾巷瓦斯浓度最大达到6%，绝对瓦斯涌出量为36m3／m in。给采掘工作面生产带来一定的影响。

2 工作面瓦斯涌出情况

2.1 工作面掘进准备期间瓦斯涌出情况

北一1211运输巷和回风巷都是采用综合掘进机掘进，在掘进至650m时，由于12＃煤层与下覆13＃煤层局部复合，瓦斯涌出量明显增加，在一次连续掘进3.2m的情况下，瓦斯浓度接近1.0%，最高值达到1.2%，给安全生产带来隐患。工作面掘进时瓦斯浓度变化见图1。

图1 工作面掘进时瓦斯浓度变化

2.2 工作面回采期间的瓦斯涌出情况及瓦斯治理措施

工作面回采时，供风量为1500m3／m in，当工作面连续割煤约2000t时，采空区预埋管抽放纯瓦斯量为6m3／m in，高位钻孔抽放纯瓦斯量为15 m3／m in，但此时工作面及回风流瓦斯浓度已达到或超过1.0%，制约工作面的安全生产。回采时瓦斯浓度变化见图2。

图2 工作面回采时瓦斯浓度变化

3 瓦斯来源及治理措施分析

3.1 瓦斯来源

通过对北一1211工作面的瓦斯来源进行分析得出，除下覆13＃煤层受采动影响涌出的瓦斯和部分煤体内瓦斯顺裂隙涌入采空区和工作面外，大部分来源于回采落煤时的解吸瓦斯。

采空区预埋管仅能对下覆13＃煤层涌出的瓦斯和采空区瓦斯进行抽放，而且很有局限性；高位钻孔主要抽放煤体、顶板裂隙涌入采空区的瓦斯。而工作面开采煤体内赋存的瓦斯活动变化快，落煤时瞬间瓦斯解吸释放量大，仅靠通风的方法稀释是很难解决的，常造成工作面和回风瓦斯浓度超限。

3.2 瓦斯治理措施分析

由于12＃煤层透气性差，采取大面积预抽瓦斯效果难以达到预期要求。在工作面煤壁受采动影响范围内，煤体受采动影响产生裂隙，是瓦斯解吸释放最活跃位置，也是瓦斯抽放最佳时期。通过对工作面采动范围附近瓦斯压力测定，煤层透气性增至1.068m2／MP a2d，达到可以抽放的条件，为此确定了在工作面采动影响范围内实施预抽技术的可行性。

在受采动效应影响下，工作面煤岩体的连续性失去了传递力作用，一定范围内的围岩应力场发生变化，使围岩应力重新分布，破坏了原来的应力平衡状态，此时围岩弹性能及瓦斯能释放，势必造成应力场内裂隙再次增大，孔隙率和煤层透气性增加，同时煤层内的瓦斯由吸附状态转化为游离状态。因此，通过瓦斯抽放系统将解吸游离瓦斯在落煤前抽出，降低工作面在落煤时向采煤工作面空间释放瓦斯量，可较大程度上减少瓦斯超限。

4 抽放工艺

通过对煤层透气性和卸压半径测定以及北一12＃煤层地压显现规律的观测，得出北一1211工作面动压影响范围一般为15～30m，考虑到工作面的推进度，确定钻孔深度为12m。卸压影响范围见图3。

图3 卸压影响范围示意图

北一1211工作面长175m，在距进、回风巷出口12.5m开始布置首个预抽钻孔，之后每隔5 m布置1个预抽钻孔，共计布置31个预抽钻孔。预抽钻孔成孔后，用ø 50mm硬质塑料管和矿用合成树脂进行封孔作业，封孔长度为5m。

在工作面运输巷设置一条ø 150mm双抗可弯曲塑料胶管，并且在双抗可弯曲塑料胶管上每隔20m布置一个抽放多通，钻孔与抽放多通连接，每个抽放多通可连接4个分支钻孔。ø 150mm双抗可弯曲塑料胶管另一头与回风巷中ø 325mm抽放管路连接至瓦斯抽放泵站。预抽工艺示意图见图4。

图4 北一1211工作面预抽工艺示意图

每打成一孔封孔后即开始抽放，用回风巷中ø 325mm抽放管路阀门控制抽放负压。随着成孔越来越多并最终全部处于抽放状态，逐渐将压力调节至46.7k P a。为了增加抽放时间，同时使用8台钻机施钻，一般施钻和封孔作业时间累计4.5h，平均抽放时间6h。每施工完一个孔就及时对接抽放系统，提高抽放时间和钻孔利用率。施钻、回采流程示意图见图5。

图5 打钻、回采流程示意图

5 效果分析

经过6h的预抽后，抽放总管路内的瓦斯浓度由最初的5%升至最高时35%，最后降至3%，此时将各预抽钻孔断开，开始采煤作业。在工作面日产原煤5000t的情况下，回风流最大瓦斯浓度0.8%，一般在0.5～0.6%，见图6。

正常抽放期间平均流量为40m3／m in，浓度为20%，纯瓦斯量为8 m3／m in，达到了预期效果。不但解决了瓦斯问题，同时对消除煤与瓦斯突出也有重要作用。

图6 预抽后瓦斯浓度随回采煤量变化

6 结论

（1）应用动压范围内预抽技术，施工操作简单易行，抽出的瓦斯量大，浓度高，有效降低了煤层瓦斯含量和压力，减少回采落煤期间向生产区域解吸释放瓦斯。特别是对有突出危险的煤层，还起到防突措施的作用。

（2）该方法更适用于回采速度均匀的综采工作面，特别是要在工作面回采停止动压带形成和发育时期立即进行打钻抽放，效果更加理想。

（3）对于较长的采煤工作面应多台钻机同时作业，避免由于打钻时间长，动压稳定后，瓦斯解吸速度减缓，影响瓦斯抽放效果和抽放量。