本煤层超前卸压瓦斯抽采技术在兴峪煤矿瓦斯治理中的应用

张 慧

(阳泉煤业集团兴峪煤业有限责任公司，山西 阳泉 045000)

1 试验工作面概况

兴峪煤矿15203工作面位于15#煤层2采区，走向长930 m，倾斜长175 m，面积为162 750 m2。工作面标高为790 m～823 m，埋藏深度285 m～385 m。工作面所采煤层为15#煤，煤层厚度在6.8 m～7.4 m，平均7.1 m，属较复杂结构。本面煤层赋存较稳定，该面总体地势为西高、东低，走向NS，倾向WE，倾角1°～13°，平均4°。瓦斯绝对涌出量预计为77.3 m3/min。根据山西省煤炭工业厅对煤层自燃和爆炸性进行的测定，15#煤层煤尘有爆炸性危险，属三级不易自燃煤层。为解决本工作面的瓦斯涌出问题，在工作面布置了本煤层抽采钻孔对工作面进行瓦斯抽采，并辅以走向高抽巷加倾斜高抽巷进行邻近层瓦斯抽采。

2 超前卸压瓦斯抽采机理

煤层开采前，未受采动影响的煤体内部具有原生的微孔，煤层瓦斯大部分以吸附形式存在于微孔的表面，由于微孔之间的连通性很差，而且压力梯度分布均匀，因此，煤层瓦斯处于吸附-解吸的动态平衡[1-2]。

原始煤体中应力场的变化会直接影响瓦斯的赋存状态变化和运移。煤层的渗透率受应力变化影响非常显著。在工作面回采过程中，工作面附近的围岩应力重新分布，使煤岩体的受力状态和透气性发生变化，这在很大程度上影响煤层的瓦斯运移。在围岩应力降低区，瓦斯压力降低，吸附的瓦斯解吸，在煤体内存在裂隙时瓦斯开始流动，从而形成一个瓦斯压力梯度带。当煤体内形成贯通裂隙后，解吸瓦斯便在裂隙岩体内大量运移。这是抽采本煤层超前卸压瓦斯的一个绝佳时机[3]。

抽采钻孔的施工使得钻孔周围裂隙发育，局部煤体卸压，瓦斯吸附-解吸平衡状态被打破，游离瓦斯开始通过裂隙进入钻孔，在抽采负压的作用下被抽走，但是，钻孔施工所造成的卸压范围很小，不能使煤体充分卸压。在工作面推进的过程中，工作面前方超前支承压力最大能够达到原岩应力的4倍，煤体在超前支承压力的作用下产生塑性变形，煤体被压裂，在煤体上形成一个很大的裂隙带。煤层开采过程中的岩层移动，一方面，引起岩层压力的变化促进瓦斯解吸，另一方面，促进导气裂隙带的连通和延伸，这是超前卸压抽采瓦斯的机理。

3 15203工作面超前支承压力分布规律的实测研究

为了解超前支承压力对瓦斯抽采钻孔的影响，在15203工作面布置了测试钻孔，钻孔的布置方式如第179页图1。测试钻孔中放入应力计，为了保证钻孔中的应力计处于承压状态，在钻空中注入油并封孔。

在试验过程中，得出工作面前方煤体的应力演化过程，如第179页图2所示。由图2可知，在工作面前方的应力变化具有一定的规律。在距离工作面较远处(80 m以外)的位置，煤体的应力处于原始状态，不受煤层开采的影响。在工作面前方80 m～50 m 范围内，煤体应力随着距工作面距离的减小而缓慢增加；在工作面前方20 m左右，煤体所受的应力达到峰值，在距离工作面20 m～0 m范围内，随着距工作面距离的减小，煤体所受的应力急剧下降，达到最低值2 MPa。

图1 应力测试钻孔布置图

图2 工作面支承压力演化过程

因此，试验工作面前方煤体应力峰值不同，出现的位置亦不同，这和工作面推进速度及工作面围岩性质的不同有关。工作面前方的煤体在支承压力的作用下，经历了先增压后卸压的过程，在这个过程中煤体所受的应力变化剧烈，会引起煤体状态的改变。煤体中的裂隙会大量发育，瓦斯压力降低，瓦斯解吸量大量增加，从而影响瓦斯抽采的效果。

4 工作面超前支承压力对本煤层瓦斯抽采的影响规律

在工作面回采过程中，由于支承压力的存在，工作面前方煤体的透气性急剧增加，裂隙大量发育，瓦斯大量解吸，能在此区域采用本煤层钻孔抽取大量瓦斯。总体上，工作面前方支承压力变化状态和瓦斯运移的变化，在空间基本一致，大体遵循同一变化规律，如图3所示。

从图3可以看出，Ⅰ稳压瓦斯正常涌出区(瓦斯抽采原始期)：工作面前方80 m以外范围，瓦斯动力参数保持其原始数值，钻孔瓦斯涌出量按指数规律自然衰减；Ⅱ升压瓦斯涌出变化区(瓦斯抽采减弱期)：工作面前方22 m～80 m范围，受采动影响在支承压力作用下，煤体裂隙和孔隙封闭、收缩，渗透性更差，瓦斯流量趋于减小；Ⅲ降压瓦斯涌出变化区(瓦斯抽采增长期)：工作面前方10 m～22 m内，支承压力峰值跃过此区，随工作面推进，压力有所降低，支承压力梯度为负值，煤体中闭缩的孔裂隙逐渐扩张，瓦斯运移速度递增，瓦斯流量逐渐增大。虽然煤体应力大于原岩应力，但是这一阶段是瓦斯抽采量增加的关键阶段，因此更应该注重这个阶段的瓦斯抽采；Ⅳ卸压瓦斯涌出活跃区(瓦斯抽采衰减期)：工作面前方 0 m～10 m范围，该区内围岩应力降低，煤层承受的压力不断减小，即产生卸压作用，煤体产生膨胀变形，渗透性增加，同时,瓦斯加剧解析，流量不断增大，因而瓦斯压力下降。

图3 工作面前方支承压力与瓦斯运移分区

因此，在回采期间，对15203工作面前方距切眼280 m及415 m之间的9个钻孔的瓦斯流量、负压、浓度等参数进行观测并进行数据处理，经分析整理可得瓦斯抽采量随工作面推进的分布规律和变化规律，如图4所示。

图4 钻孔瓦斯抽采量与距工作面距离的关系

由图4可知，工作面超前支承压力对本煤层瓦斯抽采具有很大的促进作用。在本煤层进行抽采时，抽采量的变化大致可以分为4个阶段。第一阶段，煤体处于原始应力区，瓦斯抽采量不受煤层开采的影响；第二阶段，瓦斯抽采相对于第一阶段有轻微的降低；第三阶段，瓦斯的抽采量相对于前两个阶段有显著的增加，这个阶段受到支承压力强烈的作用，这个区域一般位于工作面前方7 m～20 m处；第四阶段，为瓦斯抽采衰减期，主要原因是受到煤层开采的影响钻孔不复存在。

5 小结

根据工作面前方支承压力变化情况，瓦斯抽采的4个阶段分别为原始抽采区、缓慢降低区、显著增强区以及衰减区。在工作面前方30 m范围内煤层瓦斯涌出量开始逐步上升，这一区间是本煤层瓦斯抽采钻孔的最佳抽采位置，必须充分利用这一区间瓦斯涌出的特点进行瓦斯抽采。但在实际过程中，这部分区域位于巷道的超前支护范围，煤体所受的应力会显著增加，抽采钻孔的成型以及封孔会存在严重的问题，这是超前卸压抽采瓦斯所要解决的关键问题。