煤层瓦斯钻孔卸压抽采试验对比分析研究

郑明亮，许克南，陈慧慧，孙 涛

(1.安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001;2.煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽 淮南 232001)

当前，煤与瓦斯突出问题一直是人们所关注的焦点。不同的煤层中的煤质结构不同，导致瓦斯在煤层中的赋存量和形态的不同以及瓦斯运行规律的差异。不同区域的煤层走向的差异导致其不同区域的应力集中不同，进而所采取的瓦斯卸压钻孔卸压方式也有所区别。

在瓦斯突出方面主要是通过试验研究、试验模拟以及现场研究。对于试验模拟研究主要采用顶板高抽巷结合穿层钻孔瓦斯抽放、网格式上向穿层钻孔卸压瓦斯抽采、顶板走向高抽巷瓦斯抽采等方法，对瓦斯压力以及煤层瓦斯含量能够起到很大的降低效果，基于不同的煤层条件采取不同的瓦斯防突措施，因地制宜对各个工作面的煤层进行钻孔卸压抽采，才能确保矿井保护层瓦斯突出得以控制。

1 试验工作面的基本状况

1.1 5111工作面基本状况

在谢一矿5111工作面中，以C15煤层为保护层，其走向长度为650m，斜长为180m，煤层倾斜角度平均为21°，煤层厚度平均为1.1m。此工作面中C13煤层为被保护层，C15煤层对应于C13煤层保护区域的上下高度在-666.6～-718m之间，-666m处和-718m处对应瓦斯压力分别为4.2MPa和4.9MPa，平均瓦斯压力为4.5MPa，煤层平均瓦斯含量为16.2m3/t。被保护层的平均瓦斯压力为3.4MPa。

1.2 2121(3)工作面基本状况

在谢一矿2121(3)工作面中，13号煤层为被保护煤层，走向方向的长度为1680m，倾斜长为160m，煤层的平均倾斜角度为9°，平均厚度为6.0m。此工作面煤层瓦斯赋存相对稳定，岩层构造简单，适合综合机械化放顶煤采煤。在卸压范围内工作面设计平均月产为93477t，平均月进度为84.15m。

1.3 5123工作面基本状况

上部被保护层工作面为B11煤层的5123工作面，与保护层工作面层间距70m，工作面标高在-660～-774.3m之间。下被保护层B8煤层和保护层B6煤层相距96m。工作面走向长560m，倾向长148m，煤层厚度平均5.0m，煤层倾角为23°，走向被保护区长为560-80=480(m)，倾向被保护区长为148-40=108(m)。

2 抽放钻孔布置设计

2.1 5111工作面抽采瓦斯钻孔布置

对于C13煤层采取的是底板岩巷网格式上向穿层钻孔瓦斯抽放来实现煤层瓦斯卸压抽采，具体实施方式：在工作面倾斜方向的中部，在距离C13煤层底板20m处的岩层中设置1条走向方向的底板瓦斯抽放巷，之后顺着抽放巷每间隔20m布置1个抽放钻场，同时在每个钻场中沿煤层倾斜方向每隔20m设置1个钻孔，在每个钻场中设置8个钻孔，每个钻孔直径为91mm，且钻孔深入到C13煤层中顶板以上1m，钻孔的封孔长度为8m，且钻孔口处的负压低于20kPa。钻孔布置如图1所示，瓦斯抽采效果如图2所示。

图1 5111工作面钻孔布置

图2 C13煤层瓦斯涌出量

2.2 2121(3)工作面抽瓦斯钻孔布置

图3为2121(3)工作面钻孔布置图，1个钻场布置16个瓦斯抽放钻孔，相邻钻孔之间的间距为10m。钻场的上部是钻孔开孔的地方，钻孔的底端为13号煤层中的0.5m处。钻场间隔为28m，呈现水平布置，同时与底板岩巷呈现垂直分布，每个钻场的长度为5m，断面为8m2，基本能够实现钻机的施工要求。每个钻孔直径为100mm，封孔长度9m，孔口抽放负压低于20kPa。瓦斯卸压抽采效果如图4所示。

图3 2121(3)工作面钻孔布置

图4 13号煤层瓦斯涌出量

2.3 5123工作面瓦斯卸压抽放设计

图5为5123工作面钻孔布置，共有4个瓦斯压力测定钻孔，1号钻孔位于卸压区域内，与卸压边界相距10m；2号钻孔的终孔落在卸压边界线上；3号钻孔位于未卸压区域内，和卸压边界线相距10m。在进行对保护层卸压设计的过程中，对卸压走向设计为60°。设计钻孔时应考虑地面钻井布置在距回风巷30～40m；地面钻井间距不大于300m；地面钻井穿过煤层段槽管直径不小于180mm；地面钻井终孔距保护层顶板间距5m；地面钻井应具有完备的套管加固措施。考察钻孔开孔位置在未卸压区的底板抽放巷道中，瓦斯抽放密闭外侧，1号、2号考察孔应避开其他煤层开采的影响范围，同时布置了4号和5号2个测压孔，将-720mB10底板岩巷作为瓦斯抽放巷。由于存在上下保护层同时卸压，下保护层卸压也是同样的方式。6号、7号、8号为瓦斯卸压钻孔，9号、10号为瓦斯压力测定钻孔，同时将-780mB6作为瓦斯抽放巷。B11煤层瓦斯卸压之后的涌出量如图6所示。

图5 5123工作面钻孔布置

图6 B11煤层瓦斯涌出量

3 工作面瓦斯抽采卸压对比分析

上述3个工作面通过合理的钻孔布置方式，最终瓦斯卸压抽采效果都比较理想。3个工作面中的煤层倾角、层间距、煤层的透气性存在一定的差异，且是否存在弯曲下沉带等因素，需综合考虑，找到适合于各个工作面的瓦斯卸压抽放方法。

3.1 C13煤层瓦斯卸压抽采分析

对C13煤层进行瓦斯抽采卸压过程中，采用的是远距离下保护层回采的方式，因此在C13煤层底板的15～25m的岩层中会产生一定的变形，原因在于C15保护煤层和C13被保护煤层之间的距离为20m，是层间距的17倍。当C13煤层产生一定膨胀变形后，此时煤层透气性逐渐增加，在煤层中进行网格式钻孔(网格式钻孔间距30m×30m)，抽出卸压瓦斯便能够实现对煤层的消突。由于在C13煤层中的缓倾斜煤层部分和倾斜煤层部分的间距小于40m，同时急倾斜煤层之间的距离小于50m，故采用底板巷道网格式上向穿层钻孔抽采瓦斯的方式。

3.2 13号煤层瓦斯抽采分析

2121(3)工作面中，13号煤层为被保护煤层距离下部的保护层70m，当经过对保护层回采之后，岩层发生一定的移动变形，由于13号煤层相对于下保护层较远，岩层在发生移动时总是整体下沉，因此被保护层13号煤层位于弯曲下沉带中。当被保护层发生膨胀变形时，煤层的透气性逐渐地增加，瓦斯开始解吸。煤岩体总是表现整体下沉特性，因而在煤岩体的内部产生一些竖向的裂隙，促进了瓦斯在煤层中的流动，故而对于此类情形只能采取上被保护层底板巷道网格式上向穿层钻孔卸压瓦斯抽采的方式，而在使用此方法的时候应当对远距离下保护层开采过程中的被保护层瓦斯抽采情况进行考虑，同时考虑对缓倾斜和倾斜煤层相对层间距25～40倍的区域，而急倾斜煤层层间距要小于70m。

3.3 B8，B11煤层瓦斯卸压分析

对保护层进行开采之后，位于保护层的上、下煤层B11和B8煤层表现出膨胀变形，煤层的透气性提高。采取合适的钻孔抽采方式能够起到对上、下保护层瓦斯进行抽采，解决煤层突出问题。对于此类具有上下保护层的工作面，应当采取保护层开采上、下被保护层的抽采方法，也就是把单独的上被保护层和下被保护层抽采瓦斯方法结合在一起，同时基于底板巷道网格式上向穿层钻孔抽采模式。

3.4 综合对比分析

通过对上述3个工作面煤层瓦斯卸压情况进行阐述，可以看出对于不同煤层之间所使用的瓦斯卸压抽采方式存在一定的区别。对于5111工作面，目标是对上保护层C15煤层开采以及对被保护层C13煤层进行瓦斯抽采，而且煤层倾角较小，C15和C13煤层之间相距小于40m，和2121(3)工作面相比较，13-1煤层和13号煤层间距为70m，大于40m，而且缓倾斜和倾斜煤层相对于层间距表现较为明显，因此这两种工况不同点就在于一个是对上保护层瓦斯进行钻孔卸压抽采，一个是对下保护层进行瓦斯钻孔卸压抽采，都采取网格式布孔抽采，但是钻孔的间距上保护层瓦斯卸压抽采要比下保护层瓦斯卸压抽采小一点，钻孔直径、封孔长度、底板保护范围、孔口的抽放负压等参数相同。在5123工作面中，当保护层开采完后，保护层的上下煤层会发生一定的膨胀变形，煤层透气性增加，故采用上下保护层一同卸压的方式，钻孔卸压是结合了上保护层网格式卸压钻孔和下保护层网格式卸压钻孔进行抽采，因此该保护层的瓦斯钻孔卸压方式是综合了两个工作面的瓦斯卸压方式。

4 结 论

通过对不同工作面的实际工况条件、卸压瓦斯抽采效果以及瓦斯卸压钻孔方式的分析，可知根据各个煤层膨胀变形情况、煤层内部裂隙发育情况、以及煤层透气性等因素配以合适的瓦斯抽采技术，可以抽采卸压瓦斯，降低被保护层的瓦斯含量，消除被保护层的突出危险性。同时为了验证保护层已经得到消突，应当基于对钻孔布置均匀度、煤层残余瓦斯压力、残余瓦斯含量以及瓦斯的抽采率等来表明该保护层已经消突。

[参考文献]

[1]袁 亮.卸压开采抽采瓦斯理论及煤与瓦斯共采技术体系[J].煤炭学报,2009,34(1):1-8.

[2]周红星,程远平,刘洪永,等.突出煤层穿层钻孔孔群增透技术及应用[J].煤炭学报,2011，36(9):1515-1518.

[3]王海锋,程远平,刘桂建,等.被保护层保护范围的扩界及连续开采技术研究[J].采矿与安全工程学报,2013,30(4):595-599.

[4]李庐阳，何启林，黄文尧.深孔欲裂爆破在正行煤层掘进过程中的应用[J].煤炭技术，2014，33(9)：186-187，188.

[5]程远平，俞启香.中国矿区区域性瓦斯治理技术的发展[J].采矿与安全工程学报，2007，24(4)：383-390.

[6]马文涛，王三明.近距离下保护层开采卸压瓦斯运移规律研究[J].煤炭技术,2015,34(2):152-154.

[7]周德永.甘林堂淮南矿区瓦斯区域性治理——保护层开采的成果与展望[J].矿业安全与环保，2005，32(2):37-39.

[8]赵 训，韩真理，李树清，等.近距离煤层下保护层开采保护层范围的确定[J].煤炭科学技术，2013，41(10):53-56.

[9]魏建平，李 鹏，王登科，等．下保护层开采卸压保护范围及可行性分析[J]．煤矿安全，2012，43(10)：158-160.

[10]高保彬，刘云鹏，袁东升．下保护层开采上覆煤岩卸压增透机理研究与应用[J]．煤炭科学技术，2013，41(7)：67-70.

[11]刘明举，牟全斌，魏建平，等．新安煤矿瓦斯赋存规律及影响因素探讨[J]．煤矿安全，2007，38(11)：60-62.