基于抽采技术的采空区瓦斯治理研究

郑红启，夏会辉

摘要：为解决目前煤矿采煤工作面采空区瓦斯治理的难题，在对采空区瓦斯抽采原理进行分析的基础上，进一步分析了影响采空区抽采瓦斯的主要因素，并对采空区瓦斯常用的抽采技术进行了归纳，为矿井采空区瓦斯治理工作提供相应的治理方法。

关键词：抽采技术 采空区 瓦斯治理

0 引言

随着经济的快速增长，我国对煤炭的需求也持续增加，对矿山的开采深度也逐步增大。矿山开采深度的增加也加大了瓦斯的涌出量，由此也加大了煤矿安全生产的难度，加上储存煤层的地质条件十分复杂，由于瓦斯突出和瓦斯爆炸造成的事故严重的影响了我国煤炭行业的发展。国家煤矿安全监察局公布的全国煤矿事故统计数据表明，2001年到2008年我国因为煤矿事故造成了3418人死亡，而其中由于瓦斯爆炸的死亡人数为8013人，占由于煤矿事故导致的死亡总人数的34.2%，死亡人数占煤矿事故死亡人数的比例最大。不完全调查统计，全国矿井采空区瓦斯涌出量占全矿井瓦斯涌出量的25-30%，甚至部分矿井采空区的瓦斯涌出量占整个工作面的60%以上，安全生产无法得到保障，甚至容易造成重大的瓦斯爆炸事故[1]。另外由于工作面瓦斯超限的原因，很难实现综采面的高机械化。因此，加强采空区瓦斯的抽采以降低采空区瓦斯的涌出量，对实现煤矿安全和高效生产具有重要意义。

1 采空区瓦斯抽采原理

在煤矿的开采过程中，由于受采动的影响，在采空区，煤层形成冒落带、裂隙带以及弯曲带[2]。在压力差、采动等因素的影响制约下，储存在围岩和邻近层的瓦斯将渗流到采空区，另外，在进行回采时，通过残留在采空区的碎煤，部分瓦斯将被释放出来。利用采空区与采空区相通的管道之间的压差，将采空区的瓦斯通过机械抽采的方式利用管道将其抽出，进而在一定程度上减少了采空区向工作面涌出的瓦斯量。一般情况下，当采空区出现以下几个条件时才需要进行瓦斯抽采：①当工作面回风顺槽风流和上隅角中的瓦斯浓度高，瓦斯超限频繁，并且通过通风的方法难以解决；②当上隅角空间中的瓦斯浓度大多数时候超过或达到4%，并且采空区涌出的瓦斯在工作面回风流中占总量的40%-50%甚至更多时；③采用下行开采的方式对整个工作面进行处理，也需要对采空区的瓦斯进行抽采；④当工作面紧挨着其他工作面采空区或者工作面的回风侧的旁边有老空区时，需要采用采空区抽采法；⑤当其他的抽采方法失效时，可以采用采空区抽采作为补充或辅助方式。

2 采空区瓦斯抽采影响因素

煤矿采空区瓦斯抽采的应抽强度和推进距离、风量、工作面产量及采空区的气象分布等密切相关[3]。

2.1 工作面推进距离的影响

随着工作面的不断向前推进，采空区的长度也随之不断增加，同时也增加了采空区的容积，采空区瓦斯的涌出量也将逐步增加。随着推进距离的增大，采空区瓦斯的涌出量先增大后再变小，表现出一种非线性的关系。因为随着采空区范围的扩大，采空区上下岩层的煤，以及残留煤将会大量解吸吸附的瓦斯量，进一步导致工作面瓦斯的涌出量大大增加[4]。随着工作面的推进，以及时间的不断推移，受解吸作用的影响，采空区中四周的煤岩中瓦斯含量已经开始衰减，并且已经超过在工作面推进过程中增加的解吸量，这种衰减在采空区的深部更是明显。随着工作面的推进距离的增加，整个工作面的瓦斯涌出量反而减少。

2.2 采面生产能力的影响

影响瓦斯涌出量的直接因素是煤矿工作面产量。通常情况下，瓦斯涌出量随着产量的增加而增大，但是两者之间不是简单的线性关系。当工作面产量达到一定程度吋，瓦斯涌出量将不再按照原来的比率增加，表现出波动性变化。这是因为，工作面瓦斯的涌出量一方面包含落煤释放的瓦斯，另一方面包含采空区中残留煤，并且吸附瓦斯到释放往往需要相关的条件和时间。

2.3 大气压力变化的影响

对于采空区的瓦斯来说，当流量、负压等抽采条件相同时，其抽采强度通常情况下与大气压力成反比关系，与采面生产能力成正比关系。在这种情况下，可以根据这个关系和当地大气压的实际情况进行绘制采空区瓦斯浓度与大气压之间的关系图，对于防治工作面瓦斯具有重要的意义。

3 采空区瓦斯抽采方法

通常情况下，采空区抽采类型包括以下三种方式：钻孔抽采方式、巷道抽采方式、插（埋）管抽采方式[5]。

3.1 钻孔抽采方式

①高位钻孔抽采。通过高位钻孔抽采瓦斯，其主要作用是，借助工作面回采采动压力形成的顶板裂隙，以此作为通道，对采空区积存的大量高浓度的瓦斯进行抽采。漳村煤矿采用此技术抽采2203工作面，单个钻孔的瓦斯抽采量约增加了2.87倍，瓦斯抽采总量约增加了3.52倍，此方法有效降低了该工作面的瓦斯涌出量。

②通过对原有的巷道钻孔进行充分的利用，进而在一定程度上对瓦斯进行抽采。在对煤层群实施开采的过程中，对于综采、综放工作面来说，如果已经布置了消火道、下一阶段的回顺等相应的可利用巷道，在条件允许的情况下，可以利用这些巷道，通过打钻孔抽采上段采空区的瓦斯。

③引导抽采法。具体方式是对现有的回采工作面采空区瓦斯，通过对相邻的采空区瓦斯抽采进行引导实现排放。其主要条件是：煤层所在的工作面不存在自燃现象，而且在工作面的上个区段存在采空区，在这种情况下，可以利用上区段采空区的负压作用，对工作面采空区的瓦斯进行引排。

3.2 巷道抽采方式

①高抽巷抽采。对于回采工作面来说，如果煤层较多，并且采空区瓦斯涌出量比较大，在这种情况下，通过采用高抽巷抽采法对釆空区瓦斯进行处理。高抽巷抽采的特点主要表现为：抽采时间长、抽采效果好等，但是需要在顶板以上掘一条或多条巷道，因此增加了工程量。寺家庄煤矿15104工作面采用此技术瓦斯抽采纯量达到110.71 m3/min，抽采率为88.35%，效果显著。

②尾巷抽采采空区瓦斯。对于高产、高效的回采工作面通过双巷布置的方式进行处理，其中一条尾巷通过埋管、向采空区打抽采钻孔或密闭抽采采空区瓦斯，该方法实现采空区均压抽采。大湾煤矿111108综采工作面采用此技术后，瓦斯抽采浓度约为10%左右，瓦斯抽采纯量达到20m3/min，回采期间风排瓦斯量约为8m3/min，大大减少了工作面超限次数。

3.3 埋（插）管抽采方式

所谓埋管法抽采就是沿回采工作面的回风巷方向，在其上帮敷设一条瓦斯管，随着工作面的不断推进，瓦斯管的一端逐渐埋入采空区，每隔一定距离在瓦斯管路上设置一个三通，并安立管和阔门，可以开闭[6]。官地煤矿28408综采工作面采用此技术后上隅角瓦斯浓度为0.26%～0.52%，抽采纯量约为0.74m3/min～1.5m3/min，平均瓦斯抽采率为25%。

3.4 老采空区瓦斯抽采方法

①地面钻孔抽采老采空区瓦斯方法。通常情况下，在地面钻孔邻近层上抽采瓦斯，然后再抽采老采空区的瓦斯。

②井下钻孔抽采老采空区瓦斯方法。对于抽采瓦斯钻孔来说，一般可以通过已采区的保留巷道，进一步向老采空区打高仰角走向的钻孔。

③密闭插管大面积老采空区瓦斯抽采方法。在回采过程中，当相邻多个工作面完成回采后，通常情况下，需要采取相应的措施进行互相联通。

4 总结

在对煤矿瓦斯进行治理的过程中，其重要途径之一就是对采空区的瓦斯进行抽采，采空区瓦斯抽采的应抽强度和推进距离、风量、工作面产量、大气压的变化、瓦斯涌出量的大小及采空区的气象分布高度相关。目前，钻孔抽采、巷道抽采和插（埋）管抽采三种抽采方式在采空区瓦斯抽采过程中比较常用，并且不同抽采方式之间各有其优缺点。因此，需要根据不同的情况选择合适的抽采方式或对抽采方式进行组合来对煤矿的瓦斯进行治理。

参考文献：

[1]李晓泉，田辉鹏.采空区瓦斯抽放方法分析[J].煤炭技术，2012，31（1）：131-133.

[2]杨宏民，夏会辉，睢国慧，等.伪倾斜后高抽巷配合走向高抽巷瓦斯抽放技术[J].煤炭技术，2011，39（12）：40-44.

[3]黄优，王洪波，徐佑林.采空区瓦斯抽放技术的改进及在响水矿的应用[J].煤矿开采，2013，18（1）：94-95.

[4]杨安红.采空区瓦斯抽放技术研究[J].煤炭技术，2009，28（6）：88-89.

[5]王政伟.采空区瓦斯抽放技术在黄白茨矿的研究与应用[D].内蒙古科技大学，2011.

[6]孟祥春.采空区瓦斯涌出特点与抽放方法[J].山东煤炭科技， 2010（3）：184.

作者简介：郑红启（1973-），男，河南平顶山人，本科，助理工程师，从事煤矿开采技术和管理方面的工作。