高瓦斯礦井煤層瓦斯抽采設計

魏強

摘要：隨著經濟和科技水平的快速發展，煤層瓦斯是重要的資源，如果能夠實現煤與瓦斯共采，不僅可以減少瓦斯排放量，同時可以控制瓦斯帶來的嚴重災害，促進煤炭生產企業的安全生產，同時瓦斯本身能夠被作為清潔能源使用，減少化石燃料燃燒后造成的環境大氣污染。分析抽采效果證明抽采鉆孔布置科學合理。

關鍵詞：高瓦斯礦井;煤層瓦斯;抽采設計

瓦斯作為威脅礦井生產安全的主要因素之一，是礦井生產安全管理的重點，特別是隨著礦井回采深度的持續增加，井下回采中遭遇高突煤層的風險大幅增加，探索積極有效的瓦斯綜合治理技術至關重要。以此為著手點，針對礦井瓦斯綜合抽采作業開展探究，結合工程實際，在分析采動裂隙場瓦斯抽采機理的基礎上，對瓦斯綜合抽采作業進行全面分析。結果表明，綜合抽采作業效果良好，實現了對礦井瓦斯危害的有效防治。

1 煤層瓦斯抽采原理

預抽和邊采邊抽是本煤層瓦斯常用的抽采方法，其中預抽是在未進行開采的煤層內打設鉆孔，并在回采前提前將煤體內的瓦斯抽出，由于預抽前煤層還未采動卸壓，所以該抽出方式只適應于透氣性較好的煤層。工作面回采過程中，超前一定距離的煤體受采動影響內部會松動卸壓，透氣性增大，此時在即將待開采的煤體中布置鉆孔對卸壓瓦斯進行抽采可取得較好的抽采效果。按照鉆孔布置方式，本煤層內的鉆孔可分為順層平行鉆孔和交叉鉆孔。在本煤層內施工斷面相同的相鄰兩個鉆孔，分析單個鉆孔周邊切向應力的分布衰減過程得出，鉆孔周圍存在一個超過原巖應力5%為界的劇烈影響區域。依據彈性力學原理，設此影響半徑為Ri，如果兩個臨近鉆孔之間的距離>2Ri，則這兩個鉆孔互不影響;但當兩個臨近鉆孔之間的距離<2Ri時，則這兩個鉆孔彼此影響。在兩個相互交叉鉆孔的影響區域，鉆孔周邊的塑性區半徑在交叉范圍內因為受切向集中應力的影響而增大。由彈性力學的相關知識可知，鉆孔周邊的塑性區半徑與其直徑成正比關系。采煤工作面抽采實踐經驗表明，布置在條件相同區域且參數相同的瓦斯抽采鉆孔，其抽采效果不盡相同。分析造成這種現象的原因是抽采過程中鉆孔內部塌孔堵塞造成瓦斯的流動阻力增大。交叉鉆孔因為相互影響而存在局部連通范圍，這樣即使某一鉆孔因塌孔等原因導致流動阻力增大時，其他與之連通的鉆孔。還可以起到抽采作用，從而提高瓦斯抽采效果。

2 礦井瓦斯綜合抽采方法

2.1 覆巖裂隙區瓦斯抽采機理分析

一般來說，采空區覆巖采動裂隙可劃分為兩大類：不同層間存在的離層;巖層中因豎向破斷而出現的穿層裂隙，兩種裂隙共同構成了采空區瓦斯運移的通道。在回采面的采動影響下，其采空區覆巖存在三帶的劃分（垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶），其中采動裂隙主要集中于裂隙帶中，并隨著頂板的破斷在采空區邊緣形成O形圈，而采空區內溢出的瓦斯便會順著運移通道進入覆巖O形圈中，使得瓦斯大量聚集。基于這一原理，將高位鉆孔布設于O形圈上方的裂隙帶巖層中，便可實現對采空區瓦斯的有效抽采。有鑒于此，通過分析3215作業面覆巖結構特征，確定其冒落帶高度（16m）、垮落帶高度（45m）和O形圈寬度（26m），便可確定頂板走向高位鉆孔位置，從而提升瓦斯抽采效果。

2.2 頂板走向高位長鉆孔抽采

3215作業面頂板裂隙帶高度為45m，采空區O形圈寬度為26m。有鑒于此，其頂板走向高位長鉆孔終孔位置應當垂直位于頂板裂隙帶范圍內，同時，終孔水平位置應當位于采空區O形圈范圍內。在3215回風巷道終采線起始間隔底板500mm處布設首個鉆場，隨后每間隔50m布設鉆場一個，鉆場布設尺寸為4m×2.6m，鉆場內鉆孔設計直徑94mm，每個鉆場布設鉆孔8個，分上下兩排布設，采用相互交錯的三花眼布設方式。三花眼布設間隔為500mm，其中下排鉆孔與鉆場底板間隔1500mm。

2.3 超前塑性區瓦斯抽采機理分析

井下的煤層回采作業使得原巖應力場被破壞，從而在作業面前方形成不同的應力區域，依次為應力降低區、應力升高區和原巖應力區。其中，應力降低區煤體破碎現象突出，存在大量裂隙，不再具備承載力。同時，應力峰值前移在煤壁前方中形成極限承載區（應力升高區），其應力峰值向左至靠近煤壁前方的區域在動壓影響下生成大量節理裂隙，形成采動裂隙發育區，也是煤壁前方塑性區。而峰值應力右側區域內的煤體在壓應力的影響下形成裂隙閉合區。此外，原巖應力區受采動擾動的影響相對有限，內部煤體主要為原生裂隙，屬于原生裂隙區。

3 結束語

隨著科技快速發展，采煤工藝日趨大型化、集中化和高產高效。然而我國的煤炭賦存地質條件復雜，煤層瓦斯含量高、瓦斯事故頻發，成為制約安全生產的主要因素之一。瓦斯綜合抽采作為高突煤層瓦斯有效治理的重要手段之一，不斷增強對其應用水平的提升對礦井生產安全有著重要意義。對此礦井管理者必須高度重視，在不斷推動相關技術應用水平提升的同時充分結合礦井實際完善技術，從而獲得貼合礦井生產實際的高效治理技術，真正實現井下瓦斯的有效防治，為礦井的長久持續發展提供堅實保障。

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