本煤層超前卸壓瓦斯抽采技術(shù)在興峪煤礦瓦斯治理中的應(yīng)用

張 慧

(陽泉煤業(yè)集團(tuán)興峪煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000)

1 試驗(yàn)工作面概況

興峪煤礦15203工作面位于15#煤層2采區(qū)，走向長930 m，傾斜長175 m，面積為162 750 m2。工作面標(biāo)高為790 m～823 m，埋藏深度285 m～385 m。工作面所采煤層為15#煤，煤層厚度在6.8 m～7.4 m，平均7.1 m，屬較復(fù)雜結(jié)構(gòu)。本面煤層賦存較穩(wěn)定，該面總體地勢為西高、東低，走向NS，傾向WE，傾角1°～13°，平均4°。瓦斯絕對涌出量預(yù)計為77.3 m3/min。根據(jù)山西省煤炭工業(yè)廳對煤層自燃和爆炸性進(jìn)行的測定，15#煤層煤塵有爆炸性危險，屬三級不易自燃煤層。為解決本工作面的瓦斯涌出問題，在工作面布置了本煤層抽采鉆孔對工作面進(jìn)行瓦斯抽采，并輔以走向高抽巷加傾斜高抽巷進(jìn)行鄰近層瓦斯抽采。

2 超前卸壓瓦斯抽采機(jī)理

煤層開采前，未受采動影響的煤體內(nèi)部具有原生的微孔，煤層瓦斯大部分以吸附形式存在于微孔的表面，由于微孔之間的連通性很差，而且壓力梯度分布均勻，因此，煤層瓦斯處于吸附-解吸的動態(tài)平衡[1-2]。

原始煤體中應(yīng)力場的變化會直接影響瓦斯的賦存狀態(tài)變化和運(yùn)移。煤層的滲透率受應(yīng)力變化影響非常顯著。在工作面回采過程中，工作面附近的圍巖應(yīng)力重新分布，使煤巖體的受力狀態(tài)和透氣性發(fā)生變化，這在很大程度上影響煤層的瓦斯運(yùn)移。在圍巖應(yīng)力降低區(qū)，瓦斯壓力降低，吸附的瓦斯解吸，在煤體內(nèi)存在裂隙時瓦斯開始流動，從而形成一個瓦斯壓力梯度帶。當(dāng)煤體內(nèi)形成貫通裂隙后，解吸瓦斯便在裂隙巖體內(nèi)大量運(yùn)移。這是抽采本煤層超前卸壓瓦斯的一個絕佳時機(jī)[3]。

抽采鉆孔的施工使得鉆孔周圍裂隙發(fā)育，局部煤體卸壓，瓦斯吸附-解吸平衡狀態(tài)被打破，游離瓦斯開始通過裂隙進(jìn)入鉆孔，在抽采負(fù)壓的作用下被抽走，但是，鉆孔施工所造成的卸壓范圍很小，不能使煤體充分卸壓。在工作面推進(jìn)的過程中，工作面前方超前支承壓力最大能夠達(dá)到原巖應(yīng)力的4倍，煤體在超前支承壓力的作用下產(chǎn)生塑性變形，煤體被壓裂，在煤體上形成一個很大的裂隙帶。煤層開采過程中的巖層移動，一方面，引起巖層壓力的變化促進(jìn)瓦斯解吸，另一方面，促進(jìn)導(dǎo)氣裂隙帶的連通和延伸，這是超前卸壓抽采瓦斯的機(jī)理。

3 15203工作面超前支承壓力分布規(guī)律的實(shí)測研究

為了解超前支承壓力對瓦斯抽采鉆孔的影響，在15203工作面布置了測試鉆孔，鉆孔的布置方式如第179頁圖1。測試鉆孔中放入應(yīng)力計，為了保證鉆孔中的應(yīng)力計處于承壓狀態(tài)，在鉆空中注入油并封孔。

在試驗(yàn)過程中，得出工作面前方煤體的應(yīng)力演化過程，如第179頁圖2所示。由圖2可知，在工作面前方的應(yīng)力變化具有一定的規(guī)律。在距離工作面較遠(yuǎn)處(80 m以外)的位置，煤體的應(yīng)力處于原始狀態(tài)，不受煤層開采的影響。在工作面前方80 m～50 m 范圍內(nèi)，煤體應(yīng)力隨著距工作面距離的減小而緩慢增加；在工作面前方20 m左右，煤體所受的應(yīng)力達(dá)到峰值，在距離工作面20 m～0 m范圍內(nèi)，隨著距工作面距離的減小，煤體所受的應(yīng)力急劇下降，達(dá)到最低值2 MPa。

圖1 應(yīng)力測試鉆孔布置圖

圖2 工作面支承壓力演化過程

因此，試驗(yàn)工作面前方煤體應(yīng)力峰值不同，出現(xiàn)的位置亦不同，這和工作面推進(jìn)速度及工作面圍巖性質(zhì)的不同有關(guān)。工作面前方的煤體在支承壓力的作用下，經(jīng)歷了先增壓后卸壓的過程，在這個過程中煤體所受的應(yīng)力變化劇烈，會引起煤體狀態(tài)的改變。煤體中的裂隙會大量發(fā)育，瓦斯壓力降低，瓦斯解吸量大量增加，從而影響瓦斯抽采的效果。

4 工作面超前支承壓力對本煤層瓦斯抽采的影響規(guī)律

在工作面回采過程中，由于支承壓力的存在，工作面前方煤體的透氣性急劇增加，裂隙大量發(fā)育，瓦斯大量解吸，能在此區(qū)域采用本煤層鉆孔抽取大量瓦斯。總體上，工作面前方支承壓力變化狀態(tài)和瓦斯運(yùn)移的變化，在空間基本一致，大體遵循同一變化規(guī)律，如圖3所示。

從圖3可以看出，Ⅰ穩(wěn)壓瓦斯正常涌出區(qū)(瓦斯抽采原始期)：工作面前方80 m以外范圍，瓦斯動力參數(shù)保持其原始數(shù)值，鉆孔瓦斯涌出量按指數(shù)規(guī)律自然衰減；Ⅱ升壓瓦斯涌出變化區(qū)(瓦斯抽采減弱期)：工作面前方22 m～80 m范圍，受采動影響在支承壓力作用下，煤體裂隙和孔隙封閉、收縮，滲透性更差，瓦斯流量趨于減小；Ⅲ降壓瓦斯涌出變化區(qū)(瓦斯抽采增長期)：工作面前方10 m～22 m內(nèi)，支承壓力峰值躍過此區(qū)，隨工作面推進(jìn)，壓力有所降低，支承壓力梯度為負(fù)值，煤體中閉縮的孔裂隙逐漸擴(kuò)張，瓦斯運(yùn)移速度遞增，瓦斯流量逐漸增大。雖然煤體應(yīng)力大于原巖應(yīng)力，但是這一階段是瓦斯抽采量增加的關(guān)鍵階段，因此更應(yīng)該注重這個階段的瓦斯抽采；Ⅳ卸壓瓦斯涌出活躍區(qū)(瓦斯抽采衰減期)：工作面前方 0 m～10 m范圍，該區(qū)內(nèi)圍巖應(yīng)力降低，煤層承受的壓力不斷減小，即產(chǎn)生卸壓作用，煤體產(chǎn)生膨脹變形，滲透性增加，同時,瓦斯加劇解析，流量不斷增大，因而瓦斯壓力下降。

圖3 工作面前方支承壓力與瓦斯運(yùn)移分區(qū)

因此，在回采期間，對15203工作面前方距切眼280 m及415 m之間的9個鉆孔的瓦斯流量、負(fù)壓、濃度等參數(shù)進(jìn)行觀測并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)分析整理可得瓦斯抽采量隨工作面推進(jìn)的分布規(guī)律和變化規(guī)律，如圖4所示。

圖4 鉆孔瓦斯抽采量與距工作面距離的關(guān)系

由圖4可知，工作面超前支承壓力對本煤層瓦斯抽采具有很大的促進(jìn)作用。在本煤層進(jìn)行抽采時，抽采量的變化大致可以分為4個階段。第一階段，煤體處于原始應(yīng)力區(qū)，瓦斯抽采量不受煤層開采的影響；第二階段，瓦斯抽采相對于第一階段有輕微的降低；第三階段，瓦斯的抽采量相對于前兩個階段有顯著的增加，這個階段受到支承壓力強(qiáng)烈的作用，這個區(qū)域一般位于工作面前方7 m～20 m處；第四階段，為瓦斯抽采衰減期，主要原因是受到煤層開采的影響鉆孔不復(fù)存在。

5 小結(jié)

根據(jù)工作面前方支承壓力變化情況，瓦斯抽采的4個階段分別為原始抽采區(qū)、緩慢降低區(qū)、顯著增強(qiáng)區(qū)以及衰減區(qū)。在工作面前方30 m范圍內(nèi)煤層瓦斯涌出量開始逐步上升，這一區(qū)間是本煤層瓦斯抽采鉆孔的最佳抽采位置，必須充分利用這一區(qū)間瓦斯涌出的特點(diǎn)進(jìn)行瓦斯抽采。但在實(shí)際過程中，這部分區(qū)域位于巷道的超前支護(hù)范圍，煤體所受的應(yīng)力會顯著增加，抽采鉆孔的成型以及封孔會存在嚴(yán)重的問題，這是超前卸壓抽采瓦斯所要解決的關(guān)鍵問題。