论文部分内容阅读
[摘 要]在煤矿开采中，瓦斯灾害一直是威胁煤矿安全生产的主要灾害之一。针对矿井煤层透气性差的瓦斯地质条件并结合某矿生产实践，介绍了低透气性煤层的瓦斯抽采技术，同时指出应提高封孔质量和完善抽采系统，以进一步提高矿井瓦斯抽采效果。
[关键词]低透气性煤层；瓦斯抽采；封孔质量
中图分类号：TD712.62 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）35-0033-01
0 前言
某煤矿现开采二1煤层，通风方式采用中央边界式通风（主、副斜井进风，北边界斜井回风），开拓方式为多水平片盘斜井开拓，开采方法为走向长壁后退式开采。低透气性煤层是制约该煤矿安全和高效生产的主要因素之一，同时，随着煤矿的开采深度的增加，地应力不断增高，使得煤层及围岩的透气性变得更差，导致瓦斯含量增加，相对瓦斯涌出量增高，瓦斯的危险性徒然增大。研究表明，煤层采动后，破坏了原岩力平衡，上下岩体向采空区移动，在采面前方一定范围内采场应力作用呈卸压状态，显现增透增流效应。因此，利用工作面采动影响下产生的卸压增透效应，通过抽采钻孔的合理布置，抽采参数的合理优化，高效抽采装置的应用，可快速有效的抽出本煤层内的卸压瓦斯，瓦斯流动使煤层瓦斯压力逐渐降低，吸附瓦斯不断解吸并向抽放钻孔流动，随着工作面不断向前推进，工作面前方一定范围内煤层始终产生卸压作用，在这个卸压范围内进行本煤层瓦斯卸压抽放，可以达到最佳效果，有利于降低煤层的突出危险性。以下就该矿煤岩层的地质条件来谈谈瓦斯抽采技术。
1 开采层瓦斯抽采
1.1 加强预抽，提高预抽效果
1）煤层顺层钻孔预抽。目前，煤层顺层钻孔为矿区本煤层主要预抽方式，即在回采工作面运输巷、回风巷及中切眼布置倾向或走向钻孔。一般采用平行钻孔布置， 钻孔间距一般1～1.5m，上向孔深60～80m，下向孔深30～40m。为提高顺层钻孔预抽效果，应改进钻孔布置方式，并优化选择钻孔密度、孔径、孔深等参数。钻孔布置应推广交叉布孔。交叉布孔在不增加钻孔工程量的条件下， 由于
交叉增加了煤体卸压范围、提高透气性， 同时避免因钻孔坍塌堵塞影响正常抽放的现象，较平行钻孔预抽量提高46%～102%。加大钻孔直径及孔深，既可扩大钻孔的卸压范围，又增加了煤的暴露面积，可明显增加瓦斯抽采量，在抽采钻孔施工设备及条件允许时，应尽可能增大钻孔直径及孔深。钻孔密度则应通过测定有效抽采半径，合理布置钻孔间距，防止因钻孔间距过小抽采效应重叠，降低抽采量。
2）煤层底板穿层孔预抽。底板岩巷密集穿层钻孔抽采瓦斯， 为长时期、高负压预抽低透气性煤层瓦斯创造了条件。具有钻孔数量多，抽出量大，抽采效果好等特点。
1.2 边采（掘）边抽
1）邊采边抽。利用回采工作面超前卸压增透效应，用预抽钻孔抽采工作面前方卸压煤体瓦斯。据抽采观测，受超前支承压力影响，工作面前方5～30m的范围内百米钻孔抽采量明显增加。
2）边掘边抽。煤巷掘进工作面瓦斯涌出量大于3m3/min时，应在巷道两帮施工钻场，对巷道两帮及前方煤体瓦斯进行抽放。试验表明，边掘边抽能拦截大量涌向掘进巷道的卸压解吸瓦斯，降低掘进工作面前方煤体的瓦斯含量，掘进过程中的瓦斯涌出量平均降低67.4%，掘进时回风流瓦斯浓度一般为0.3%～0.5%，消除了突出危险性，巷道掘进速度提高1倍以上。
2 采空区抽采
在采空区无内部漏风的流场中，采空区内的瓦斯体积分数很高，瓦斯随着采空区风流移动汇集在采空区上隅角，形成高体积分数的瓦斯聚积区；这是因为上隅角的漏风流线大多是流经采空区深部的流线，携带瓦斯量大，最终在上隅角形成瓦斯聚积，所以，抽放的对象应是上隅角瓦斯聚积点的风流。利用上隅角插管抽放方法，将聚集在上隅角的瓦斯抽出，有效地解决了上隅角瓦斯超限问题，同时减少采空区的漏风量及瓦斯涌出量，以便将聚集在采空区上隅角的低体积分数瓦斯抽出。采用此方法时，积极探索瓦斯涌出规律，并过对采空区瓦斯流场的分析，采取高中低位的立体抽放方法（见图1），高低体积分数分散抽采，大大提高抽采效率。
3 改进钻孔封孔工艺，提高封孔质量
封孔质量即封孔深度和气密性，是保证抽放效果的关键。封孔深度一般应大于巷道非弹性变形区，非弹性变形区内煤岩压，裂隙非常丰富。据矿区巷道矿压监测，巷道围岩为坚硬的石灰岩、砂岩时非弹性变形区3～5m；巷道围岩为松软的泥岩、煤时非弹性变形区达10～12m。目前，矿区瓦斯抽采钻孔封孔深度一般4～6m。随着矿井开采深度增加，巷道非弹性变形区会进一步扩大，应适当增加封孔深度，以进一步提高瓦斯抽采效果。为保证抽采钻孔的气密性，煤层地质条件简单地区可使用单一新型高分子聚合物封孔剂或聚氨酯封孔；煤层地质条件复杂地区应采用聚氨酯与水泥砂浆联合封孔，能较大幅度提高瓦斯抽采浓度及抽采量。
4 完善抽采系统
1）瓦斯抽采泵。瓦斯抽采泵应与抽采混量相适应。地面泵宜选用大流量泵，一般选用水环式真空泵，额定流量不低于120～200m3/min。井下临时抽放系统，真空泵流量也不宜过小，额定流量不低于80～120m3/min。
2）管网布置。抽放管网决定着抽放阻力大小。抽放阻力大， 系统性能低， 抽放阻力小，系统性能高。管网阻力主要由管路长度、直径及管道设置确定。增大管道直径可明显降低管道阻力。地面瓦斯抽放泵站主管路直径不小于400～500mm，井下瓦斯抽放泵站主管路直径不小于300～400mm。在管网设置上，在满足抽采需要的前提下，应尽量简化网络，及时关闭或拆除无用的管路。管路上应安装自动放水器，及时放水降低管网阻力，以利于
增加瓦斯抽采浓度和纯量。
3）负压调节。负压调节是控制管路瓦斯流量和浓度的重要手段。对于未卸压的煤层，抽采负压对钻孔抽放影响不大，这是因为煤层瓦斯压力一般达1MPa以上，而钻孔抽采负压变化在0.1MPa以内。此外，负压还应与封孔质量相匹配，随着负压的增加抽放量增加，瓦斯浓度下降，当纯瓦斯量达到最大值时，再增加负压只能增加漏气量，不会再增加纯瓦斯量。
4）带抽钻孔数量。带抽钻孔数量直接决定抽放量的大小。带抽钻孔多、孔径大、单孔深， 抽放浓度和抽放量就较大，系统性能高；反之浓度降低，抽放量锐减。矿区瓦斯抽采实践表明，永久系统一般应带抽40000～50000m以上，临时系统带抽20000m以上。
5）延长钻孔抽采时间。抽采钻孔瓦斯涌出强度随时间的延长而衰减，但钻孔抽采瓦斯总量随时间的延长而增加。对于透气性较低的煤层，由于衰减系数大，一般抽采0.5～1年时间，钻孔抽采瓦斯总量才能达到钻孔极限瓦斯抽采量的80%～90%。
5 结论
煤层透气性低、瓦斯抽采难是众多高瓦斯煤矿企业普遍存在的技术难题，也是制约安全生产水平、阻碍瓦斯治理主要因素。由于各矿井煤岩层的赋存特点、瓦斯赋存规律、生产采掘工艺等不同，所以根据矿井自身特点研究瓦斯抽采的合理组合方式、工艺参数、抽放效果评价技术等是非常必要的。
参考文献
[1] 李长贵，刘海源.低透气性煤层瓦斯预抽技术的探讨与实践[J].中国煤炭，2012（3）.
[2] 薛德平，赵摇杰.低透气性煤层瓦斯综合治理技术实践[J].矿业安全与环保，2013（1）.
[3] 张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术[J].北京：煤炭工业出版社，2001.
作者简介
黄晓朔（1989-）， 男，河南省漯河市人，现在在平禹煤电方山分公司、方山矿二1煤新井通风科上班。现任通风科技术员。
[关键词]低透气性煤层；瓦斯抽采；封孔质量
中图分类号：TD712.62 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）35-0033-01
0 前言
某煤矿现开采二1煤层，通风方式采用中央边界式通风（主、副斜井进风，北边界斜井回风），开拓方式为多水平片盘斜井开拓，开采方法为走向长壁后退式开采。低透气性煤层是制约该煤矿安全和高效生产的主要因素之一，同时，随着煤矿的开采深度的增加，地应力不断增高，使得煤层及围岩的透气性变得更差，导致瓦斯含量增加，相对瓦斯涌出量增高，瓦斯的危险性徒然增大。研究表明，煤层采动后，破坏了原岩力平衡，上下岩体向采空区移动，在采面前方一定范围内采场应力作用呈卸压状态，显现增透增流效应。因此，利用工作面采动影响下产生的卸压增透效应，通过抽采钻孔的合理布置，抽采参数的合理优化，高效抽采装置的应用，可快速有效的抽出本煤层内的卸压瓦斯，瓦斯流动使煤层瓦斯压力逐渐降低，吸附瓦斯不断解吸并向抽放钻孔流动，随着工作面不断向前推进，工作面前方一定范围内煤层始终产生卸压作用，在这个卸压范围内进行本煤层瓦斯卸压抽放，可以达到最佳效果，有利于降低煤层的突出危险性。以下就该矿煤岩层的地质条件来谈谈瓦斯抽采技术。
1 开采层瓦斯抽采
1.1 加强预抽，提高预抽效果
1）煤层顺层钻孔预抽。目前，煤层顺层钻孔为矿区本煤层主要预抽方式，即在回采工作面运输巷、回风巷及中切眼布置倾向或走向钻孔。一般采用平行钻孔布置， 钻孔间距一般1～1.5m，上向孔深60～80m，下向孔深30～40m。为提高顺层钻孔预抽效果，应改进钻孔布置方式，并优化选择钻孔密度、孔径、孔深等参数。钻孔布置应推广交叉布孔。交叉布孔在不增加钻孔工程量的条件下， 由于
交叉增加了煤体卸压范围、提高透气性， 同时避免因钻孔坍塌堵塞影响正常抽放的现象，较平行钻孔预抽量提高46%～102%。加大钻孔直径及孔深，既可扩大钻孔的卸压范围，又增加了煤的暴露面积，可明显增加瓦斯抽采量，在抽采钻孔施工设备及条件允许时，应尽可能增大钻孔直径及孔深。钻孔密度则应通过测定有效抽采半径，合理布置钻孔间距，防止因钻孔间距过小抽采效应重叠，降低抽采量。
2）煤层底板穿层孔预抽。底板岩巷密集穿层钻孔抽采瓦斯， 为长时期、高负压预抽低透气性煤层瓦斯创造了条件。具有钻孔数量多，抽出量大，抽采效果好等特点。
1.2 边采（掘）边抽
1）邊采边抽。利用回采工作面超前卸压增透效应，用预抽钻孔抽采工作面前方卸压煤体瓦斯。据抽采观测，受超前支承压力影响，工作面前方5～30m的范围内百米钻孔抽采量明显增加。
2）边掘边抽。煤巷掘进工作面瓦斯涌出量大于3m3/min时，应在巷道两帮施工钻场，对巷道两帮及前方煤体瓦斯进行抽放。试验表明，边掘边抽能拦截大量涌向掘进巷道的卸压解吸瓦斯，降低掘进工作面前方煤体的瓦斯含量，掘进过程中的瓦斯涌出量平均降低67.4%，掘进时回风流瓦斯浓度一般为0.3%～0.5%，消除了突出危险性，巷道掘进速度提高1倍以上。
2 采空区抽采
在采空区无内部漏风的流场中，采空区内的瓦斯体积分数很高，瓦斯随着采空区风流移动汇集在采空区上隅角，形成高体积分数的瓦斯聚积区；这是因为上隅角的漏风流线大多是流经采空区深部的流线，携带瓦斯量大，最终在上隅角形成瓦斯聚积，所以，抽放的对象应是上隅角瓦斯聚积点的风流。利用上隅角插管抽放方法，将聚集在上隅角的瓦斯抽出，有效地解决了上隅角瓦斯超限问题，同时减少采空区的漏风量及瓦斯涌出量，以便将聚集在采空区上隅角的低体积分数瓦斯抽出。采用此方法时，积极探索瓦斯涌出规律，并过对采空区瓦斯流场的分析，采取高中低位的立体抽放方法（见图1），高低体积分数分散抽采，大大提高抽采效率。
3 改进钻孔封孔工艺，提高封孔质量
封孔质量即封孔深度和气密性，是保证抽放效果的关键。封孔深度一般应大于巷道非弹性变形区，非弹性变形区内煤岩压，裂隙非常丰富。据矿区巷道矿压监测，巷道围岩为坚硬的石灰岩、砂岩时非弹性变形区3～5m；巷道围岩为松软的泥岩、煤时非弹性变形区达10～12m。目前，矿区瓦斯抽采钻孔封孔深度一般4～6m。随着矿井开采深度增加，巷道非弹性变形区会进一步扩大，应适当增加封孔深度，以进一步提高瓦斯抽采效果。为保证抽采钻孔的气密性，煤层地质条件简单地区可使用单一新型高分子聚合物封孔剂或聚氨酯封孔；煤层地质条件复杂地区应采用聚氨酯与水泥砂浆联合封孔，能较大幅度提高瓦斯抽采浓度及抽采量。
4 完善抽采系统
1）瓦斯抽采泵。瓦斯抽采泵应与抽采混量相适应。地面泵宜选用大流量泵，一般选用水环式真空泵，额定流量不低于120～200m3/min。井下临时抽放系统，真空泵流量也不宜过小，额定流量不低于80～120m3/min。
2）管网布置。抽放管网决定着抽放阻力大小。抽放阻力大， 系统性能低， 抽放阻力小，系统性能高。管网阻力主要由管路长度、直径及管道设置确定。增大管道直径可明显降低管道阻力。地面瓦斯抽放泵站主管路直径不小于400～500mm，井下瓦斯抽放泵站主管路直径不小于300～400mm。在管网设置上，在满足抽采需要的前提下，应尽量简化网络，及时关闭或拆除无用的管路。管路上应安装自动放水器，及时放水降低管网阻力，以利于
增加瓦斯抽采浓度和纯量。
3）负压调节。负压调节是控制管路瓦斯流量和浓度的重要手段。对于未卸压的煤层，抽采负压对钻孔抽放影响不大，这是因为煤层瓦斯压力一般达1MPa以上，而钻孔抽采负压变化在0.1MPa以内。此外，负压还应与封孔质量相匹配，随着负压的增加抽放量增加，瓦斯浓度下降，当纯瓦斯量达到最大值时，再增加负压只能增加漏气量，不会再增加纯瓦斯量。
4）带抽钻孔数量。带抽钻孔数量直接决定抽放量的大小。带抽钻孔多、孔径大、单孔深， 抽放浓度和抽放量就较大，系统性能高；反之浓度降低，抽放量锐减。矿区瓦斯抽采实践表明，永久系统一般应带抽40000～50000m以上，临时系统带抽20000m以上。
5）延长钻孔抽采时间。抽采钻孔瓦斯涌出强度随时间的延长而衰减，但钻孔抽采瓦斯总量随时间的延长而增加。对于透气性较低的煤层，由于衰减系数大，一般抽采0.5～1年时间，钻孔抽采瓦斯总量才能达到钻孔极限瓦斯抽采量的80%～90%。
5 结论
煤层透气性低、瓦斯抽采难是众多高瓦斯煤矿企业普遍存在的技术难题，也是制约安全生产水平、阻碍瓦斯治理主要因素。由于各矿井煤岩层的赋存特点、瓦斯赋存规律、生产采掘工艺等不同，所以根据矿井自身特点研究瓦斯抽采的合理组合方式、工艺参数、抽放效果评价技术等是非常必要的。
参考文献
[1] 李长贵，刘海源.低透气性煤层瓦斯预抽技术的探讨与实践[J].中国煤炭，2012（3）.
[2] 薛德平，赵摇杰.低透气性煤层瓦斯综合治理技术实践[J].矿业安全与环保，2013（1）.
[3] 张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术[J].北京：煤炭工业出版社，2001.
作者简介
黄晓朔（1989-）， 男，河南省漯河市人，现在在平禹煤电方山分公司、方山矿二1煤新井通风科上班。现任通风科技术员。