低透氣性煤層瓦斯預抽技術的探討與實踐

李長貴 劉海源 張 浩

（1.沈陽焦煤有限責任公司，遼寧省沈陽市，110122；2.中國礦業大學（北京），北京市海淀區，100083）

1 工作面概況

沈陽焦煤（集團）有限責任公司紅陽三礦煤層埋藏深，變質程度高，瓦斯吸附性強，屬于低透氣煤層，在采取開鉆場先抽后采措施中，一是需要較長的預抽時間，二是提前掘送巷道，增加維護工作量，給礦井接續帶來影響。北一1211采煤工作面所采的12＃煤層有煤與瓦斯突出危險，12－1＃煤層平均厚1.50m；夾矸為泥巖，平均厚0.92m。12－2＃煤層平均厚1.39m。12－1＃煤層頂板為黑色泥巖，平均厚11.2m。12－2＃煤底板為細砂巖，平均厚1.79m。12－1＃煤層頂板泥巖堅固性系數f＝2.19～2.65。12－1＃煤層及12－2＃煤層堅固性系數f＝0.26。12－2＃煤層底板細砂巖堅固性系數f＝4～6。工作面位于北一下采區運輸上山以南，東鄰1209采空區，西為未采動區。北一采區12＃煤層原始瓦斯壓力為0.68MP a，瓦斯含量9.5 m3／t，在北一1209工作面掘進和回采時，雖然也采取了加大供風量和瓦斯抽放等措施，但是效果不佳，經常出現瓦斯超限現象，工作面和回風流瓦斯濃度經常超過1.0%，上尾巷瓦斯濃度最大達到6%，絕對瓦斯涌出量為36m3／m in。給采掘工作面生產帶來一定的影響。

2 工作面瓦斯涌出情況

2.1 工作面掘進準備期間瓦斯涌出情況

北一1211運輸巷和回風巷都是采用綜合掘進機掘進，在掘進至650m時，由于12＃煤層與下覆13＃煤層局部復合，瓦斯涌出量明顯增加，在一次連續掘進3.2m的情況下，瓦斯濃度接近1.0%，最高值達到1.2%，給安全生產帶來隱患。工作面掘進時瓦斯濃度變化見圖1。

圖1 工作面掘進時瓦斯濃度變化

2.2 工作面回采期間的瓦斯涌出情況及瓦斯治理措施

工作面回采時，供風量為1500m3／m in，當工作面連續割煤約2000t時，采空區預埋管抽放純瓦斯量為6m3／m in，高位鉆孔抽放純瓦斯量為15 m3／m in，但此時工作面及回風流瓦斯濃度已達到或超過1.0%，制約工作面的安全生產。回采時瓦斯濃度變化見圖2。

圖2 工作面回采時瓦斯濃度變化

3 瓦斯來源及治理措施分析

3.1 瓦斯來源

通過對北一1211工作面的瓦斯來源進行分析得出，除下覆13＃煤層受采動影響涌出的瓦斯和部分煤體內瓦斯順裂隙涌入采空區和工作面外，大部分來源于回采落煤時的解吸瓦斯。

采空區預埋管僅能對下覆13＃煤層涌出的瓦斯和采空區瓦斯進行抽放，而且很有局限性；高位鉆孔主要抽放煤體、頂板裂隙涌入采空區的瓦斯。而工作面開采煤體內賦存的瓦斯活動變化快，落煤時瞬間瓦斯解吸釋放量大，僅靠通風的方法稀釋是很難解決的，常造成工作面和回風瓦斯濃度超限。

3.2 瓦斯治理措施分析

由于12＃煤層透氣性差，采取大面積預抽瓦斯效果難以達到預期要求。在工作面煤壁受采動影響范圍內，煤體受采動影響產生裂隙，是瓦斯解吸釋放最活躍位置，也是瓦斯抽放最佳時期。通過對工作面采動范圍附近瓦斯壓力測定，煤層透氣性增至1.068m2／MP a2d，達到可以抽放的條件，為此確定了在工作面采動影響范圍內實施預抽技術的可行性。

在受采動效應影響下，工作面煤巖體的連續性失去了傳遞力作用，一定范圍內的圍巖應力場發生變化，使圍巖應力重新分布，破壞了原來的應力平衡狀態，此時圍巖彈性能及瓦斯能釋放，勢必造成應力場內裂隙再次增大，孔隙率和煤層透氣性增加，同時煤層內的瓦斯由吸附狀態轉化為游離狀態。因此，通過瓦斯抽放系統將解吸游離瓦斯在落煤前抽出，降低工作面在落煤時向采煤工作面空間釋放瓦斯量，可較大程度上減少瓦斯超限。

4 抽放工藝

通過對煤層透氣性和卸壓半徑測定以及北一12＃煤層地壓顯現規律的觀測，得出北一1211工作面動壓影響范圍一般為15～30m，考慮到工作面的推進度，確定鉆孔深度為12m。卸壓影響范圍見圖3。

圖3 卸壓影響范圍示意圖

北一1211工作面長175m，在距進、回風巷出口12.5m開始布置首個預抽鉆孔，之后每隔5 m布置1個預抽鉆孔，共計布置31個預抽鉆孔。預抽鉆孔成孔后，用? 50mm硬質塑料管和礦用合成樹脂進行封孔作業，封孔長度為5m。

在工作面運輸巷設置一條? 150mm雙抗可彎曲塑料膠管，并且在雙抗可彎曲塑料膠管上每隔20m布置一個抽放多通，鉆孔與抽放多通連接，每個抽放多通可連接4個分支鉆孔。? 150mm雙抗可彎曲塑料膠管另一頭與回風巷中? 325mm抽放管路連接至瓦斯抽放泵站。預抽工藝示意圖見圖4。

圖4 北一1211工作面預抽工藝示意圖

每打成一孔封孔后即開始抽放，用回風巷中? 325mm抽放管路閥門控制抽放負壓。隨著成孔越來越多并最終全部處于抽放狀態，逐漸將壓力調節至46.7k P a。為了增加抽放時間，同時使用8臺鉆機施鉆，一般施鉆和封孔作業時間累計4.5h，平均抽放時間6h。每施工完一個孔就及時對接抽放系統，提高抽放時間和鉆孔利用率。施鉆、回采流程示意圖見圖5。

圖5 打鉆、回采流程示意圖

5 效果分析

經過6h的預抽后，抽放總管路內的瓦斯濃度由最初的5%升至最高時35%，最后降至3%，此時將各預抽鉆孔斷開，開始采煤作業。在工作面日產原煤5000t的情況下，回風流最大瓦斯濃度0.8%，一般在0.5～0.6%，見圖6。

正常抽放期間平均流量為40m3／m in，濃度為20%，純瓦斯量為8 m3／m in，達到了預期效果。不但解決了瓦斯問題，同時對消除煤與瓦斯突出也有重要作用。

圖6 預抽后瓦斯濃度隨回采煤量變化

6 結論

（1）應用動壓范圍內預抽技術，施工操作簡單易行，抽出的瓦斯量大，濃度高，有效降低了煤層瓦斯含量和壓力，減少回采落煤期間向生產區域解吸釋放瓦斯。特別是對有突出危險的煤層，還起到防突措施的作用。

（2）該方法更適用于回采速度均勻的綜采工作面，特別是要在工作面回采停止動壓帶形成和發育時期立即進行打鉆抽放，效果更加理想。

（3）對于較長的采煤工作面應多臺鉆機同時作業，避免由于打鉆時間長，動壓穩定后，瓦斯解吸速度減緩，影響瓦斯抽放效果和抽放量。