采空區瓦斯抽采方法及效果分析

陳峰真 李治剛

（1.山西潞安郭莊煤業有限責任公司，山西 長治 046000；2.太原理工大學礦業工程學院，山西 太原 030024）

煤層開采過程中，因采動卸壓的強烈作用，處于卸壓范圍以內的圍巖部分，通過采動裂隙形成的網絡與開采層采空區之間達成某種程度上的相互連通[1]。因此就會形成采動裂隙帶現象，這些地域就是煤礦瓦斯抽放的重點關注范圍。本文以郭莊礦為例，分析總結了幾種采空區抽采方法在3313工作面采動裂隙帶的應用效果。

1 礦井概況

潞安郭莊礦井產量為1.80Mt/a，井田內可采煤層有3、14、15-2、15-3號煤層，3號煤層位于山西組下部，煤層厚5.13～6.35m，平均厚5.99m，含泥巖夾矸0～2層。煤層頂板為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖，局部為砂巖。平均抗壓強度80.70MPa，平均抗拉強度3.1MPa。3號煤層劃分為三個采區，北3313為礦井南翼三采區的一個工作面。3313回采工作面長度約200m，工作面間煤柱留設15～20m。郭莊煤礦3號煤層實測瓦斯含量為5.41～7.18m3/t，瓦斯含量梯度為埋藏深度每增加100m，瓦斯含量增加2.26m3/t，工作面最大瓦斯涌出量為18.8m3/min，為高瓦斯礦井。

2 采空區瓦斯抽采

根據礦井瓦斯涌出量預測，現有采空區瓦斯涌出量為15.25～16.25m3/min，涌出量較大，所占比例在20%左右。采空區瓦斯抽采屬于卸壓抽采，具有抽采量大、來源穩定等特點。就郭莊煤業而言，采空區瓦斯涌出量較大，主要采用高位鉆孔解決現采空區瓦斯問題[2]。

2.1 3313工作面軌順裂隙帶鉆孔設計

為加大采空區瓦斯抽采力度，在3313軌順向3313工作面方向布置頂板裂隙帶鉆孔。根據礦井瓦斯涌出來源分析，結合煤層頂板“三帶”分布的具體情況[3]，在3313工作面的軌道順槽每2m布置一個裂隙帶鉆孔，鉆孔方位角145°（與巷道中線成35°角），傾角27°，孔深100m，開孔高度2m，鉆孔Φ113mm，鉆孔終孔點距煤層頂板40m、水平控制范圍距軌順52m。具體鉆孔布置方式如圖1，鉆孔參數見表1。

圖1 高位鉆孔布置示意圖

表1 高位鉆孔參數表

根據采空區的瓦斯運移規律，高位鉆孔的終孔位置最好布置在煤層頂板的裂隙帶內。為了考察裂隙帶最佳抽采層位，7月14日在3313軌順距切眼57m、73m、91m、101m、111m、123m處分別安裝6個單孔觀測孔板用于監測瓦斯變化，編號為1、2、3、4、5、6，1、2號對應的鉆孔孔端位于煤層頂板28m、37m，其余的孔端位于煤層頂板40m。

根據對6個鉆孔的瓦斯抽采濃度和抽采純量分析可知，孔端在距煤層頂板高度在25～39m，抽采濃度、純量在整個變化趨勢中達到最大，位于裂隙帶。

2.2 3313工作面皮順鉆場裂隙帶鉆孔

3313皮順共布置11個裂隙帶抽采鉆場，鉆場間距為50m；每個鉆場施工10個裂隙帶鉆孔，鉆孔終點距煤層頂板40m，鉆孔覆蓋內錯皮順100m范圍，鉆孔覆蓋鉆場前方75m范圍（前后鉆場鉆孔壓茬覆蓋25m）。

皮順裂隙帶鉆場一般情況下是2個鉆場同時抽采：一個鉆場起主要抽采作用（距切眼75m到距切眼25m區段），另一個鉆場起輔助抽采作用。根據圖2可知，6#、7#鉆場同時抽采，隨著工作面的推進，6#、7#鉆場抽采瓦斯量先減小后增大，在6#鉆場距工作面22m時，瓦斯抽采量明顯達到最大2.0m3/min，此時鉆孔處于頂板裂隙帶內，有利于瓦斯的抽放。對皮順裂隙帶鉆場抽采量統計分析，瓦斯抽采效果良好，占工作面抽采量的29.8%。

圖2 6#、7#鉆場同時抽采皮順裂隙帶抽采量變化圖

2.3 上隅角插管鉆孔

上隅角由于風量小而形成渦流極易導致瓦斯積聚，在回風順槽穿過煤層頂板布置鉆孔，終孔落至煤層上方的巖石頂板（上隅角位置），利用抽采負壓抽采空區頂板冒落帶內積存的瓦斯，對采空區的瓦斯起到拉動作用，從而減少了采空區瓦斯向工作面上隅角的涌出量。

上隅角插管鉆孔設計排距0.9m，每排施工4個，鉆孔傾角45°，方位角180°（與巷道中線一致），鉆孔深度10m。

如圖3、4，通過對比分析上隅角抽采前后瓦斯濃度的變化規律，在未施工上隅角抽采鉆孔時，3313工作面上隅角最大瓦斯濃度0.58%，平均瓦斯濃度0.47%。在施工上隅角抽采鉆孔后，3313工作面上隅角最大瓦斯濃度0.42%，平均瓦斯濃度0.36%。從上隅角瓦斯濃度變化曲線也可以看出，實施上隅角鉆孔抽采后可以將上隅角瓦斯降低0.1%左右。

圖3 未施工上隅角抽采鉆孔

圖4 施工上隅角抽采鉆孔

2.4 上隅角埋管抽采

沿3313工作面的回風巷的上幫敷設一條瓦斯管，采用鋼絲繩加皮帶的方式吊掛在巷道的右幫（靠近皮順一側）。當管路安裝到支架跟前時落地，隨著工作面的推進，膠管逐漸埋入采空區（膠管不進行回收），瓦斯管路每隔3m設一個三通，并安立管和闊門，可以開閉，三通入口處用22目0.5*0.5mm的網孔包裹。其具體實施過程是：工作面開采前，在回風巷安設一趟瓦斯抽放管，瓦斯抽放管每隔3m留設一個三通，三通為全閉狀態，當工作面上隅角經過三通時，取開三通盲板，抽取工作面上隅角和采空區瓦斯。具體如圖5所示。

圖5 采空區埋管抽放示意圖

3 抽采效果分析

由表2數據分析可以看出在增加了采空區埋管抽采后，瓦斯濃度、抽放負壓降低，混合流量增大，但總體純瓦斯量變化不大，說明在采空區瓦斯抽采中高位鉆孔起主導作用，埋管可以輔助瓦斯抽采，對鉆孔抽采有一定的影響。只布置上隅角埋管抽采時，上隅角埋管抽采負壓升高，混合流量和瓦斯純流量增大，對瓦斯抽采有一定的效果。

表2 抽采參數統計表

4 結論

（1）3313軌順裂隙帶鉆孔、3313皮順鉆場裂隙帶鉆孔，能在頂板垮落期間形成的裂隙帶抽出煤層中釋放的采空區內大量瓦斯，占工作面總抽采量的73.62%，高位鉆孔在此工作面抽采中起主要作用。

（2）根據對抽采濃度和抽采流量的變化曲線，可以確定軌順裂隙帶鉆孔抽采有效區域為鉆孔末端距煤層頂板高度25～39m之間，皮順裂隙帶鉆場抽采有效區域為鉆場距工作面27～75m之間。

（3）影響瓦斯抽放效果的因素很多，在瓦斯抽放過程中要根據工作面的實際情況對抽采方式進行優化。