高瓦斯突出采面卸压区浅孔抽放技术及应用

李 松

(平顶山天安煤业股份有限公司，河南省平顶山市，467000)

煤岩体中的瓦斯赋存状态有两种，分别是瓦斯游离和瓦斯吸附状态，当游离状态瓦斯从煤岩体裂隙释放后，瓦斯压力降低，部分吸附状态瓦斯也转变为游离状态瓦斯。在部分地区深部煤层中的地应力较大，瓦斯以高压状态存在。正常的采掘活动扰动原有煤岩体应力平衡，并将煤体破碎，瓦斯由吸附状态转变为游离状态，并释放出来，向工作面涌出。在地下开采活动中，瓦斯运移不仅能够发生煤与瓦斯突出动力灾害，而且逸散进入采煤和掘进工作面以后，容易造成瓦斯聚集，达到一定条件还能发生瓦斯爆炸或燃烧，而爆炸扬起煤尘后与瓦斯，混合在一起发生爆炸的危害性更强。因此，煤矿生产中瓦斯灾害是最严重的灾害之一。

瓦斯的运移和储集的前提是通道，卸压后的瓦斯遵守气体流动性法则，由高压区流向低压区，由于密度比空气小，与空气混合后，瓦斯上浮漂移，动力特性符合浮力定律。瓦斯灾害易发生在卸压瓦斯聚集的场所，或是流动经过的巷道空间。

四矿是平顶山煤业集团有限公司的一座现代机械化矿井。近年来，随着浅部资源开采完毕，矿井向深部延伸，煤层瓦斯压力渐渐变大，瓦斯含量逐步增多，也造成矿井鉴定等级由原来的瓦斯矿井向煤与瓦斯突出矿井转化。采掘过程中，瓦斯涌出量激增，为矿井的安全生产、和谐发展带来严重威胁。平煤四矿现阶段开采深度平均达到800 m，但瓦斯抽放效果没有达到理想预期，本煤层不到10%的瓦斯抽放率和仅仅0.013 m3/min的瓦斯抽放量导致瓦斯危害问题凸显。针对四矿现状，采取具体措施提高钻孔瓦斯抽放效果，解决回风流瓦斯聚集问题，阻绝煤与瓦斯突出事故的发生迫在眉睫。

1 采面卸压区浅孔抽放机理

1.1 采煤工作面应力分布规律

煤矿的采掘活动破坏了覆岩原岩应力平衡，改变了煤体中应力分布状态。正常状态下，煤体采出导致开采空间形成支承应力，并由四周煤体支承，当煤体强度极限小于支承应力时，产生屈服变形，支承应力也由采场浅部煤体向深部转移。采场应力是动态变化的过程，推进过程中的应力分布如图1所示，分别有原始应力区、支承应力区和卸压区。

图1 工作面推进过程中应力分布

由于卸压区的煤体受采动影响，支承应力超过了煤体强度极限而使煤体转变为塑性状态，由原承受三向应力转变为两向，甚至单向应力状态，大多数情况下，卸压区的煤体强度均小于原岩应力。

1.2 采煤工作面浅孔抽放瓦斯防突机理

采煤作业的进行导致本来由煤体支承的原岩应力由采空区向四周煤体转移，在工作面前方形成卸压区、支承应力区和原始应力区。在高瓦斯煤体中，支承应力区煤体中的应力大小、瓦斯含量和卸压区范围大小及自身强度是煤与瓦斯突出灾害发生的关键因素。大量生产实践证明，采掘工作面推进方向如果一直有适当宽度的卸压区存在，煤与瓦斯动力灾害就不会发生。

卸压区应力小于原始应力，煤体发生塑性变形、失去弹性、 裂隙发育、透气性增加，煤体中吸附状态的瓦斯解吸转变为游离状态。在支承应力区，瓦斯压力倍增，数倍于原岩应力。卸压区存在于工作面和支承应力之间，能够将游离状态的瓦斯释放出来，并且为工人开采作业区域构建安全屏障。支承应力随着工作面的推进滞后前移，当支承应力的强度高于卸压区宽度能承受的应力极限时，就会发生突出动力灾害。因此，掌握工作面采场应力分布规律，将瓦斯抽放钻孔深入支承应力区，通过卸压抽放瓦斯使得支承应力区前移，相当于加宽卸压区煤体范围，增大卸压区抵抗煤体支承应力的能力，进而降低煤与瓦斯突出动力灾害发生概率，保证安全生产。

2 工程概况

四矿位于平顶山矿区中部，井田东邻一矿，西接六矿。井田东西方向长2500 m，南北方向长5500 m。矿井采用多水平采区式开拓，共两个水平4个采区，其中一水平标高-510 m，包括戊九采区和丁九采区，二水平标高-530 m，包括己三采区和己一东翼采区。地面地形为低山丘陵，标高一般在+160～+460 m之间，最高点为506.5 m；深部边界标高为-600 m。四矿通风方式为中央并列式，采用抽出式通风方法。

根据四矿2004年度矿井瓦斯等级鉴定报告，四矿矿井为突出矿井，丁九采区为突出采区，其中丁九采区以下山为中心，东部突出危险区在-380 m以下，西部突出危险区在-420 m以下，其余为无突出危险区；己三采区为突出采区，其中突出危险区在-390 m标高以下，其余为无突出危险区；戊九采区为高瓦斯采区，己一东翼采区为低瓦斯采区。瓦斯灾害事故一直是威胁平煤集团四矿安全生产的重要因素，对瓦斯动力灾害防治及瓦斯涌出排放是生产工作的重中之重。

卸压区浅孔抽放工业性试验工作面丁56-19200工作面位于丁九采区西翼，为突出危险区域，工作面倾斜长度200 m，走向长度剩余510 m。煤层厚度1.6 m，煤层直接顶为砂质泥岩，老顶为中至粗砂岩，底板为砂质泥岩。工作面在采煤作业进行时，煤体中的瓦斯大量涌出，导致瓦斯聚集超限。而之前制定的瓦斯灾害治理措施的设计与施工没有针对性，多是凭借经验，实施效果较差，造成施工浪费，工作面瓦斯不能得到有效治理，上隅角瓦斯聚集超限，以致生产过程中存在很大的安全隐患。

3 采面卸压区浅孔抽放工业性试验及效果分析

3.1 钻孔布置及抽放参数

(1)钻孔深度。根据采面卸压区浅孔抽放机理，瓦斯抽放钻孔应该深入支承应力区，通过卸压抽放瓦斯使得支承应力区前移。通过邻近工作面回风巷压力实测结果，平煤四矿工作面前方卸压区和支承应力区范围分别是4～5 m和8～10 m，据此，采面卸压区浅孔抽放钻孔孔深应为8～15 m。

(2)钻孔间距。钻孔作业工作量、布置方式和瓦斯抽放效果的决定要素之一就是抽放钻孔的孔间距，其数值大小与钻孔抽放半径有关。抽放时间是影响抽放半径的关键参数，抽放半径随着抽放时间的增长而增大，并随着抽放时间的缩短而减小。大量理论与实践证明，瓦斯钻孔抽放半径数值计算的表达式为：

(1)

式中：r——瓦斯钻孔抽放半径，m；

t——瓦斯钻孔排放时间，d；

β——煤体瓦斯动力相关系数，m/min0.5。

式中β值需通过现场测试得出。平煤四矿根据试验结果得出β=0.0716 m/min0.5，则瓦斯钻孔抽放半径为：

(2)

(3)钻孔直径。增大钻孔直径可以提高钻孔抽放量。但大直径钻孔对施工工艺要求较高，并且容易诱发煤与瓦斯突出。依据工作面浅孔抽放机理，瓦斯抽放钻孔终孔要进入支承应力区，孔深为8～15 m，由此，抽放钻孔直径宜在100 mm之内，根据工程实践，孔径一般为75～100 mm。

(4)钻孔布置方式。根据现场参数计算出钻孔抽放半径为0.78 m，为了使瓦斯抽放范围覆盖至整个工作面，孔间距设置为1.5 m，采用三花眼布置，如图2所示。

图2 瓦斯抽放钻孔示意图

(5)钻孔施工顺序。平煤集团为治理瓦斯突出灾害，在高突工作面回采前均施工顺层瓦斯抽放钻孔进行抽放，但钻孔长度较短，造成煤体中部50～60 m宽的区域未能抽放。工作面浅孔抽放施工过程中，为了达到预期效果，钻孔应由中部向上下平巷方向施工，加强工作面中部区域的瓦斯抽放。

(6)钻孔抽放负压。采掘作业造成覆岩应力重新分布，煤壁前方形成了卸压区、支承应力区和原岩应力区，其中卸压区和支承应力区由于受到采动影响，煤体达到极限强度后发生塑性变形，造成裂隙发育、贯通，提高了煤体的透气性。抽放负压为影响采掘工作面瓦斯抽放质量的重要因素，抽放效果随着抽放负压的增大而显著提高。然而工程施工中，浅孔抽放钻孔的封孔管封孔端一般在煤体卸压区内，深度1 m左右，另外，根据封孔器的结构特点，以及主要采用软管连接采掘面抽放钻孔，过高的抽放负压会导致抽放管路和钻孔连接端漏气，软管容易发生变形，影响抽放效果。借鉴大量国内外采煤工作面钻孔抽放经验，钻孔抽放负压不低于6500 Pa。

3.2 抽放工艺

(1)抽放系统及抽放方法。四矿丁56-19200工作面布置了采区抽放泵站系统。抽放泵为两台水循环真空泵，型号为2BEA-253，抽排能力为2×40 m3/min，回风巷支管为管径150 mm的薄壁管，下山干管为直径的200 mm薄壁管；沿工作面布设一套脉吸管，直径为150 mm，置于支架架箱处，脉吸管每隔10 m布置一个多通连接器，并用软管连接插入工作面超前钻孔里的封孔器，形成采面卸压区浅孔抽放系统。抽放作业安排在检修班完成，根据工作面作业方式和劳动组织形式，安排专人分段对工作面抽放钻孔打钻，并进行封孔连管抽放。生产班采煤作业时停止抽放，关闭阀门，并将软管拔出，同时回收封孔器，置于支架架箱内。

(2)抽放钻孔布置。因丁56-19200采面具有突出危险性，将工作面卸压区瓦斯抽放孔作为防治突出措施钻孔，钻孔直径89 mm，钻孔间距1.5 m，与支架宽度相同，沿工作面推进方向布置，钻孔深度大于9.2 m。采煤作业与瓦斯抽放工艺相互配合，循环推进距离4.2 m，钻孔始终超前工作面5 m，循环施工钻孔共计89个，累计钻深819 m。

3.3 抽放效果

实施卸压区浅孔抽放后，丁56-19200工作面回风巷瓦斯浓度降低了0.25%，由平均瓦斯浓度

0.95%下降到0.7%；抽放泵站瓦斯抽放浓度较本煤层瓦斯抽放浓度提高3倍，最高可达25%，瓦斯抽放量可达4320 m3/d，增加了2420 m3/d；瓦斯抽放率提高了15%，是顺层预抽的1.3倍。泵站抽放浓度变化曲线如图3所示，抽放效果对比表见表1。

图3 抽放泵站瓦斯浓度变化曲线

工作面推进度/m·月-1工作面回风巷瓦斯浓度/%每循环打措施孔平均用时/h瓦斯断电次数/次·月-1抽放率/%工作面月平均产量/万t·月-1抽放前470.951228104.4抽放后700.750256.6

高瓦斯突出采面卸压区浅孔抽放技术的实施，降低了回风流瓦斯浓度，预防工作面突出灾害的发生，实现了三八制的正规循环作业，即每天两班生产，一班检修及抽放，使采掘作业得以正常进行，平均单产提高2.2万t/月。有效防治了煤与瓦斯突出事故的发生和工作面瓦斯聚集超限，实现了矿井安全、高效生产。

4 结论

根据采场应力分布规律及瓦斯在煤层中赋存特征，采用高瓦斯突出采面卸压区浅孔抽放技术，理论上可以有效解决工作面瓦斯聚集和动力灾害隐患。通过丁56-19200综采工作面工业性试验，利用相邻工作面压力实测结果确定钻孔抽放参数，对相关设备合理选型组成可靠的抽放系统，从而保证了高瓦斯突出采面卸压区浅孔抽放技术在平煤四矿的成功实施，其解决问题的方法可为具有类似问题的煤与瓦斯突出矿井提供借鉴。

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