煤层预抽与卸压瓦斯耦合规律

王宪光，张基名

（铁法煤业（集团）有限责任公司大兴煤矿，辽宁 铁岭112701）

对于煤层预抽，煤层瓦斯“吃干榨净”是理想化的一种趋向，原始岩体在采动卸压应力范围内裂隙发育，附着的甲烷分子变成游离状态，一部分被风流带入回风流中，一部分通过裂隙汇源到采空区，一部分被钻孔抽采，因此形成了开采煤层瓦斯分源流动的多种通道。对于邻近层瓦斯，相对多的量进入了采空区。

通过观测大兴煤矿北二708回采区域预抽钻孔和南五708两个工作面顶板瓦斯道煤层卸压钻孔，在回采前煤层瓦斯预抽效果和回采期间煤层卸压瓦斯抽采效果，分析相同的钻孔在采、掘不同时期煤层预抽与卸压瓦斯耦合规律。

1 工作面基本情况

1.1 北二708工作面

北二708工作面位于大兴煤矿北二采区西南部，7-2煤层，煤层厚度在5.40～7.50m之间，一般为6.34m。局部发育7-2-2煤层，一般煤厚为0.94m。煤层呈黑色，玻璃光泽，条带结构。本区域7-2煤层瓦斯压力为4.1MPa，煤层原始瓦斯含量为12.33m3/t。煤层自然发火期1～3个月，煤尘爆炸指数为43.83%。

北二708工作面面宽155m，走向长度387m。该工作面从2017年11月16日开采，2018年4月27日停采。

1.2 南五708工作面

南五708工作面位于大兴煤矿南五采区西南部，7-2煤层，煤层厚度在3.40～5.60m之间，一般为4.55m。煤层呈黑色，玻璃光泽，条带结构。本区域7-2煤层瓦斯压力为1.67MPa，煤层原始瓦斯含量为9.65m3/t。煤层自然发火期1～3个月，煤尘爆炸指数为43.39%。

南五708工作面大面面宽160m，小面面宽105m，走向长度512m。该工作面从2013年11月12日开采，2014年3月31日停采。

2 两个工作面预抽钻孔施工情况

2.1 北二708工作面

回采前，对工作面回采区域实施密集顺层钻孔超前预抽交叉布孔技术。

钻场内顺层预抽钻孔在运回顺钻场内扇形布置，孔底间距5m，孔径94mm，如图1所示。

巷道内顺层预抽钻孔在运回顺及切眼的巷内布置，垂直巷道指向回采区域施工，孔间距3m，孔径94mm，如图2所示。

2.2 南五708工作面

南五708工作面未采取顺层预抽技术，而是在南五708顶板瓦斯道向7-2煤层施工了24个煤层卸压钻孔。如图3所示。

南五708顶板瓦斯道的24个煤层卸压钻孔施工后，顶板瓦斯道全段一次性封闭，偶数钻孔用抗静电胶管引出顶板瓦斯道，奇数钻孔孔口敞开。

3 煤层预抽与卸压瓦斯耦合规律

分析煤层预抽与卸压瓦斯耦合规律，可以从钻孔承受采动压力变化，瓦斯抽采量、抽采时间长短以及钻孔与工作面位置关系两个方面考量。

图1 北二708工作面钻场内顺层预抽钻孔设计施工图

图2 北二708工作面巷道内顺层预抽钻孔设计施工图

图3 南五708顶板瓦斯道穿层钻孔施工图

3.1 煤层承受采动压力变化规律

采掘活动在煤层和顶底板中引起各种形式的矿山压力显现，支承压力表现为原岩应力区、应力增高区、应力降低区、稳压区四个区段，如图4所示。在应力增高区煤层裂隙发育，在原岩应力区煤层裂隙不发育，在应力降低区顶底板围岩裂隙完全发育，在稳压区顶底板围岩裂隙发育停止。

从北二708工作面实际观测分析，距采煤工作面5～150m区域为应力增高区，距采煤工作面150m为原岩应力区，距采煤工作面5m至采空区深部35～80m为应力降低区，采空区深部80m至切眼为稳压区。

3.2 瓦斯抽采量、抽采时间长短以及钻孔与工作面位置关系的变化规律

3.2.1 具有煤层预抽和卸压瓦斯抽采钻孔的瓦斯抽采变化规律分析

北二708工作面的煤层回采区域预抽钻孔，经历了掘、备、采三个时期。煤层回采区域预抽钻孔在掘进和备采期间预抽突出煤层瓦斯，起到了消除回采区域煤层煤与瓦斯突出危险和兼顾瓦斯抽采达标的双重作用。回采期间，在工作面的卸压范围内同一钻孔发挥着抽采煤层卸压瓦斯的作用，在工作面的未卸压区域持续预抽煤层瓦斯。预抽钻孔在应力增高区、应力耦合时期煤层裂隙普遍发育，煤层附着的甲烷分子一部分变成游离状态，该时期认为是煤层预抽与卸压瓦斯耦合时期，该现象认为是煤层预抽与卸压瓦斯耦合现象。

北二708工作面的煤层回采区域预抽钻孔从施工预抽开始，到采煤机切割钻孔，最长抽采时间达480天。每个回采区域预抽钻孔瓦斯抽采经历了预抽变化区、预抽稳定区和卸压抽采区。如图5所示。

图4 工作面前后支承压力分布图

图5 具有煤层预抽和卸压瓦斯抽采的钻孔在抽采瓦斯方面的变化曲线

在钻孔连抽开始的8～10天内钻孔处在预抽瓦斯浓度变化区，钻孔预抽瓦斯浓度在5%～20%之间，平均瓦斯浓度为10%。钻孔预抽稳定区是在钻孔预抽10天以后，到钻孔与采煤工作面距离100～150m的范围内，钻孔预抽瓦斯浓度在1%～3%之间，平均瓦斯浓度为2%。钻孔卸压抽采区是在钻孔距采煤工作面100～150m到钻孔被采煤机切割的范围内，钻孔预抽瓦斯浓度在5%～30%之间，平均瓦斯浓度为10%。

3.2.2 仅有卸压瓦斯抽采钻孔的瓦斯抽采变化规律分析

南五708工作面的顶板瓦斯道卸压钻孔，抽采时间为63天，仅仅经历了采煤时期的卸压抽采区。如图6所示。

图6 卸压钻孔在抽采瓦斯方面的变化曲线

从观测的数据来看，南五708顶板瓦斯道的煤层卸压钻孔在距采煤工作面20～30m位置开始抽采瓦斯浓度及瓦斯量逐渐提高，进入采空区25～40m位置瓦斯抽采效果达到最佳，进入采空区50m以后瓦斯抽采效果递减。实测单孔瓦斯浓度最高达85%，12个钻孔瓦斯流量最大达18.75m3/min，单孔平均瓦斯浓度达55%，12个钻孔平均瓦斯流量13.89m3/min。

从钻孔瓦斯观测的数据和工作面前后支撑压力分布曲线可以看出，钻孔的预抽瓦斯变量和卸压瓦斯抽采变量与工作面前后支撑压力相耦合，在预抽初期和卸压瓦斯抽采期应增加提高钻孔的抽采负压，使煤层瓦斯抽采发挥最大作用。

预抽钻孔在终孔后应立即连抽，保证孔口负压在13KPa以上，负压维持时间在连续抽采10天左右为最佳，使预抽变化区能抽尽抽。之后钻孔减低负压维持抽采，负压值可控制在2～5KPa，使预抽稳定区低负压长久抽采，新完工的钻孔抽采能力得到保证。在钻孔距采煤工作面50m提高孔口负压，负压值可控制在10～13KPa，使卸压抽采区的钻孔达到最佳抽采效果，减低煤壁瓦斯和落煤瓦斯。

4 结束语

煤层预抽初期和卸压抽采期是钻孔瓦斯抽采效果提升的关键时期，应加强抽采系统的管理，提高抽采能力。掌握煤层预抽与卸压瓦斯耦合规律，便于较为精确的生产管理，不错过最佳抽采时期。