采空区瓦斯抽采方法及效果分析

陈峰真 李治刚

（1.山西潞安郭庄煤业有限责任公司，山西 长治 046000；2.太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 030024）

煤层开采过程中，因采动卸压的强烈作用，处于卸压范围以内的围岩部分，通过采动裂隙形成的网络与开采层采空区之间达成某种程度上的相互连通[1]。因此就会形成采动裂隙带现象，这些地域就是煤矿瓦斯抽放的重点关注范围。本文以郭庄矿为例，分析总结了几种采空区抽采方法在3313工作面采动裂隙带的应用效果。

1 矿井概况

潞安郭庄矿井产量为1.80Mt/a，井田内可采煤层有3、14、15-2、15-3号煤层，3号煤层位于山西组下部，煤层厚5.13～6.35m，平均厚5.99m，含泥岩夹矸0～2层。煤层顶板为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，局部为砂岩。平均抗压强度80.70MPa，平均抗拉强度3.1MPa。3号煤层划分为三个采区，北3313为矿井南翼三采区的一个工作面。3313回采工作面长度约200m，工作面间煤柱留设15～20m。郭庄煤矿3号煤层实测瓦斯含量为5.41～7.18m3/t，瓦斯含量梯度为埋藏深度每增加100m，瓦斯含量增加2.26m3/t，工作面最大瓦斯涌出量为18.8m3/min，为高瓦斯矿井。

2 采空区瓦斯抽采

根据矿井瓦斯涌出量预测，现有采空区瓦斯涌出量为15.25～16.25m3/min，涌出量较大，所占比例在20%左右。采空区瓦斯抽采属于卸压抽采，具有抽采量大、来源稳定等特点。就郭庄煤业而言，采空区瓦斯涌出量较大，主要采用高位钻孔解决现采空区瓦斯问题[2]。

2.1 3313工作面轨顺裂隙带钻孔设计

为加大采空区瓦斯抽采力度，在3313轨顺向3313工作面方向布置顶板裂隙带钻孔。根据矿井瓦斯涌出来源分析，结合煤层顶板“三带”分布的具体情况[3]，在3313工作面的轨道顺槽每2m布置一个裂隙带钻孔，钻孔方位角145°（与巷道中线成35°角），倾角27°，孔深100m，开孔高度2m，钻孔Φ113mm，钻孔终孔点距煤层顶板40m、水平控制范围距轨顺52m。具体钻孔布置方式如图1，钻孔参数见表1。

图1 高位钻孔布置示意图

表1 高位钻孔参数表

根据采空区的瓦斯运移规律，高位钻孔的终孔位置最好布置在煤层顶板的裂隙带内。为了考察裂隙带最佳抽采层位，7月14日在3313轨顺距切眼57m、73m、91m、101m、111m、123m处分别安装6个单孔观测孔板用于监测瓦斯变化，编号为1、2、3、4、5、6，1、2号对应的钻孔孔端位于煤层顶板28m、37m，其余的孔端位于煤层顶板40m。

根据对6个钻孔的瓦斯抽采浓度和抽采纯量分析可知，孔端在距煤层顶板高度在25～39m，抽采浓度、纯量在整个变化趋势中达到最大，位于裂隙带。

2.2 3313工作面皮顺钻场裂隙带钻孔

3313皮顺共布置11个裂隙带抽采钻场，钻场间距为50m；每个钻场施工10个裂隙带钻孔，钻孔终点距煤层顶板40m，钻孔覆盖内错皮顺100m范围，钻孔覆盖钻场前方75m范围（前后钻场钻孔压茬覆盖25m）。

皮顺裂隙带钻场一般情况下是2个钻场同时抽采：一个钻场起主要抽采作用（距切眼75m到距切眼25m区段），另一个钻场起辅助抽采作用。根据图2可知，6#、7#钻场同时抽采，随着工作面的推进，6#、7#钻场抽采瓦斯量先减小后增大，在6#钻场距工作面22m时，瓦斯抽采量明显达到最大2.0m3/min，此时钻孔处于顶板裂隙带内，有利于瓦斯的抽放。对皮顺裂隙带钻场抽采量统计分析，瓦斯抽采效果良好，占工作面抽采量的29.8%。

图2 6#、7#钻场同时抽采皮顺裂隙带抽采量变化图

2.3 上隅角插管钻孔

上隅角由于风量小而形成涡流极易导致瓦斯积聚，在回风顺槽穿过煤层顶板布置钻孔，终孔落至煤层上方的岩石顶板（上隅角位置），利用抽采负压抽采空区顶板冒落带内积存的瓦斯，对采空区的瓦斯起到拉动作用，从而减少了采空区瓦斯向工作面上隅角的涌出量。

上隅角插管钻孔设计排距0.9m，每排施工4个，钻孔倾角45°，方位角180°（与巷道中线一致），钻孔深度10m。

如图3、4，通过对比分析上隅角抽采前后瓦斯浓度的变化规律，在未施工上隅角抽采钻孔时，3313工作面上隅角最大瓦斯浓度0.58%，平均瓦斯浓度0.47%。在施工上隅角抽采钻孔后，3313工作面上隅角最大瓦斯浓度0.42%，平均瓦斯浓度0.36%。从上隅角瓦斯浓度变化曲线也可以看出，实施上隅角钻孔抽采后可以将上隅角瓦斯降低0.1%左右。

图3 未施工上隅角抽采钻孔

图4 施工上隅角抽采钻孔

2.4 上隅角埋管抽采

沿3313工作面的回风巷的上帮敷设一条瓦斯管，采用钢丝绳加皮带的方式吊挂在巷道的右帮（靠近皮顺一侧）。当管路安装到支架跟前时落地，随着工作面的推进，胶管逐渐埋入采空区（胶管不进行回收），瓦斯管路每隔3m设一个三通，并安立管和阔门，可以开闭，三通入口处用22目0.5*0.5mm的网孔包裹。其具体实施过程是：工作面开采前，在回风巷安设一趟瓦斯抽放管，瓦斯抽放管每隔3m留设一个三通，三通为全闭状态，当工作面上隅角经过三通时，取开三通盲板，抽取工作面上隅角和采空区瓦斯。具体如图5所示。

图5 采空区埋管抽放示意图

3 抽采效果分析

由表2数据分析可以看出在增加了采空区埋管抽采后，瓦斯浓度、抽放负压降低，混合流量增大，但总体纯瓦斯量变化不大，说明在采空区瓦斯抽采中高位钻孔起主导作用，埋管可以辅助瓦斯抽采，对钻孔抽采有一定的影响。只布置上隅角埋管抽采时，上隅角埋管抽采负压升高，混合流量和瓦斯纯流量增大，对瓦斯抽采有一定的效果。

表2 抽采参数统计表

4 结论

（1）3313轨顺裂隙带钻孔、3313皮顺钻场裂隙带钻孔，能在顶板垮落期间形成的裂隙带抽出煤层中释放的采空区内大量瓦斯，占工作面总抽采量的73.62%，高位钻孔在此工作面抽采中起主要作用。

（2）根据对抽采浓度和抽采流量的变化曲线，可以确定轨顺裂隙带钻孔抽采有效区域为钻孔末端距煤层顶板高度25～39m之间，皮顺裂隙带钻场抽采有效区域为钻场距工作面27～75m之间。

（3）影响瓦斯抽放效果的因素很多，在瓦斯抽放过程中要根据工作面的实际情况对抽采方式进行优化。