淺談煤礦底板采動卸壓瓦斯抽采與礦壓的耦合關系

張克浩 曾昌彬 陶啟興

摘 要：趙家壩煤礦去年在1942采面成功實施大傾角復合煤層群首采層底板采動卸壓瓦斯抽采，取得了非常好的效果。本文分析了其抽采效果與采動礦壓的關系，得出了底板穿層瓦斯抽采鉆孔的基本原理及關鍵參數。

關鍵詞：底板卸壓；瓦斯抽采；采動影響；破壞深度

中圖分類號：TD712 文獻標志碼：A

1 底板塑形破壞深度

根據張金才對A.S.Vesic公式進行修正的巖土層極限承載力的計算公式，可得出極限支承壓力條件下破壞區的塑形最大深度和長度。

式中：φ0─底板巖體的內摩擦角（底板巖體以泥巖、細砂巖為主，取φ0=39°）；

Xa可利用煤層屈服長度的經驗公式：Xa=0.015H計算。式中H為埋深，1942綜采工作面埋深取600m，計算得出Xa=9m。

煤層底板巖體最大塑形破壞深度距工作面端部的水平距離L1：

L1=h1tgφ0≈13.04m

采空區內底板塑形破壞區沿水平方向的最大長度

L2≈64.4m

2 底板最大卸壓深度及彈性破壞區

彈性破壞區的計算可以根據《煤與瓦斯突出防治規定》中的上保護層最大有效距離計算。

上保護層最大有效距離：S上=S'上β1β2≈48.43m

式中S'下、S'上——下保護層和上保護層的理論有效間距，m。

因此，彈性破壞區范圍為底板下16.1m～48.43m。

3 1942采煤工作面底板穿層瓦斯抽采鉆孔布置

為抽采底板采動裂隙下的鄰近層、圍巖瓦斯，我們在下鄰近層11242運輸巷設計了底板穿層鉆孔。其終孔位置深入卸壓區，距正開采的9號煤層6m左右，如圖1所示。

4 底板鉆孔瓦斯抽采效果

第2組鉆孔施工完畢后兩組鉆孔同時并網抽采，綜合抽采濃度為50%左右，混合抽采流量為4.5m3/min。隨著工作面不斷推進，更多鉆孔進入采動破壞區，原深入采動破壞區的鉆孔軌跡也更多的經過采動破壞區，使抽采濃度不斷升高，綜合抽采濃度穩定在60%左右。但即使更多的鉆孔投入抽采，受到直徑100mm的抽采管路限制，瓦斯綜合抽采混合流量提高至6m3/min后難以繼續增大。該抽采方法投入抽采后1942采面采空區瓦斯濃度大幅下降，在工作面風量減少30%的情況下，回風瓦斯濃度從0.5%下降至0.3%，抽采濃度高，效果好，推廣意義大。

5 1942底板穿層鉆孔抽采與采動壓力的耦合關系分析

根據現場測得的各組鉆孔單孔瓦斯濃度與單孔瓦斯抽采混合流量繪制了圖2和圖3。

由圖2可見，當鉆孔在工作面煤壁前方10m～20m時，抽采流量下降，而鉆孔在工作面煤壁前方8m左右時抽采流量加速上升，直至鉆孔被工作面推過后進入采空區，瓦斯抽采流量上漲變緩。

由圖3可見，當鉆孔在工作面煤壁前方13m～20m時，抽采濃度基本不變，鉆孔在工作面煤壁前方13m時抽采濃度加速上升，直至鉆孔被工作面推過10m后，鉆孔抽采濃度仍在上漲，但鉆孔到采空區10m左右時，濃度上漲變緩。說明瓦斯濃度在支承壓力區的峰值應力前方時，抽采流量有明顯下降，抽采濃度變化不大。這是因為在應力峰值前方，底板及煤壁塑性破壞較少，原生裂隙及少量新生塑性破壞產生的裂隙受壓閉合，透氣性降低。

在工作面煤壁前方8m左右抽采流量及濃度迅速上升，該區域在支承壓力峰值附近。煤壁及直接底因承受支承壓力的應力峰值產生塑性破壞后，煤層及直接底含煤成分瓦斯解析速度大幅增加，而峰值區后靠近采空區側所受支承壓力逐步減少，塑性破壞產生的縱橫交錯的裂隙及原生裂隙張開，透氣性變好，在鉆孔負壓的作用下滲入抽采管路，濃度和流量加速上升。可見，透氣性最好，抽采流量最大的區域是采空區后方15m～30m。該區域所承受壓力為負數，產生底鼓，透氣性達到頂峰，該處抽采流量及濃度都達到最高，直到底板采動破壞范圍內的含煤地層的瓦斯解析量低于瓦斯抽采純量，抽采濃度和流量開始緩慢降低。一直到接近采空區重新壓實區，采動破壞區裂隙重新閉合，抽采濃度及流量加速降低。

對比圖2、圖3還可發現，瓦斯濃度早于瓦斯流量加速上升。說明在應力峰值區之前，部分煤壁或底板含煤地層已經發生塑性破壞，瓦斯解析量增大，瓦斯濃度升高。但是受限于承壓大，裂隙閉合，透氣性依然差，抽采流量直到承壓減小，透氣性才開始明顯提高，抽采流量隨之加速上升。

結語

綜上所述，采動壓力對其下的煤、巖層有非常好的增透效果，增透區位于超前壓力峰值后方采空區側。將底板瓦斯抽采鉆孔布置在該增透卸壓區，鉆孔軌跡盡量多經過彈性變形及塑性變形區，能取得很好的抽采效果，達到經濟、安全、高效治災的目的。

參考文獻

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[2]國家安全生產監督管理總局.防治煤與瓦斯突出規定[M].北京：煤炭工業出版社，2009.