高瓦斯礦井裂隙帶瓦斯抽采研究與實踐

孫鵬

摘 要：針對山西某高瓦斯礦井目前瓦斯抽采難度大、效果差等情況，對3#煤層工作面裂隙帶瓦斯抽采參數進行了優化研究與實踐。由實踐效果可知鉆孔內的瓦斯濃度有所上升，平均基本接近56%，最高達到65%，工作面瓦斯在上隅角的聚集濃度有所下降，不到0.4%，降低了工作面的瓦斯涌出量，保障了工作面安全生產。

關鍵詞：高瓦斯礦井;鉆孔參數;瓦斯濃度

煤層中含有著大量的瓦斯，其賦存狀態主要包括游離和吸附兩種形式，其中大部分以吸附狀態為主。在煤層開采過程中，瓦斯會伴隨著煤開采而釋放出來，并帶來礦井瓦斯災害。礦井瓦斯災害是比較嚴重的災害之一，但瓦斯又有著重要的利用價值，今后一段時間內在能源方面起到一定的補充作用。因此，如何采用有效的方法對礦井瓦斯進行利用是現在國家主要的研究方向。

1 礦井概況

某礦屬于髙瓦斯礦井，主采煤層為3#煤，煤層總厚為5.62～5.7m，平均厚度為5.66m，傾角3～6°，煤層含夾矸0～1層，平均厚度為0.05m。煤層頂底板巖性為：老頂為中粒砂巖、平均厚度3.85m，直接頂為粉砂巖、平均厚度3.14m，直接底為中粒砂巖、平均厚度1.33m，老底為粉砂巖、平均厚度1.33m。煤層瓦斯含量為2.81～15.05m3/t，由于工作面開采時，煤層采動影響較大，會有大量瓦斯涌出，工作面最大的瓦斯絕對涌出量達到18.4 3/t，屬于較難抽采類型，全礦井3#煤層可抽采瓦斯量為3604.89m3。

開采層瓦斯抽采取決于煤層的自然透氣性，目前隨著煤層埋深增大，各采區主采煤層的地溫、地壓隨之增加，煤層瓦斯相對含量及瓦斯壓力也在增大，根據《抽采可研報告》，3號煤層鉆孔瓦斯流量衰減為0.2862～0.6068（d-1）、透氣性系數為0.0605～0.1209m2/MPa·d，可抽性屬較難抽采類型。因此采用有效的瓦斯抽采技術，有利于更好地治理瓦斯。

2 工作面瓦斯抽采概況

2.1 礦井瓦斯特性

根據過去研究機構對該礦井煤層瓦斯特性實驗研究，可知該工作面煤層孔隙、裂紋比較發育且其煤粒的形貌結構特征比較明顯，煤的變質程度較高，其顆粒呈明顯的疊狀分布并且排列形式較為復雜。煤的粒徑越小，對瓦斯解吸速率會加快。根據瓦斯吸附實驗測試可知，該礦井瓦斯的吸附常a值分別為37.408m3/t，32.490m3/t，b值分別為0.771/MPa，0.9100/MPa，R值分別為0.9974，0.9964，試驗煤樣的粒徑級別愈高，在解析試驗階段產生的溫度數值波動速率就愈大。根據該礦井煤與瓦斯突出參數測試可知，瓦斯放散初速度為7.1mmHg、堅固性系數0.512～0.544、煤層瓦斯壓力梯度0.013MPa/m、煤層瓦斯含量12.32～14.79m3/t和煤層透氣性系數0.0246 m2/（MPa2·d）。

2.2 瓦斯抽采現狀

據礦井下實際采掘與抽采條件，在該礦井一工作面軌道順槽打3個高位預裂孔，記錄孔內瓦斯純抽采量。該工作面可采距離為1800m，工作面長度為250m，開采煤層平均厚度為5.6m。工作面推進過程中，伴隨著煤塵的涌出，就具有一定的爆炸可能性，煤層屬于不易自燃煤層，工作面瓦斯的相對涌出量為8.0m3/t，絕對涌出量為4.0m3/t。

2.3 瓦斯抽采效果分析

根據現場實際，采用按照瓦斯涌出量計算的方法進行瓦斯抽采效果分析，公式如下：

（1）

式中：dg-煤層瓦斯抽采率，%;qgc-煤層抽采瓦斯量，m3/min;qgf-煤層風排瓦斯量，m3/min。

通過調研，統計工作面瓦斯涌出情況見表1所示。由表1可得：工作面各月份的風排瓦斯量分別為18.8 m3/min，16.4 m3/min，18.3 m3/min;結合公式（1）可得各月份工作面瓦斯抽采率分別為：35.7%，40.6%，37.3%，平均抽采率為37.9%。

通過考察順槽高位鉆孔瓦斯抽采量及高位裂隙帶鉆孔單孔瓦斯抽采量可知，抽采效果并不理想，因此，需要通過現場考察與理論研究對抽采鉆孔參數進行科學的優化。

3 裂隙帶瓦斯抽采鉆孔優化研究

3.1 裂隙帶鉆孔優化參數研究

在煤層巷道中鉆孔，往頂板方向打鉆孔，使鉆孔終孔點位置處于采動裂隙“O”形圈內，如圖1。鉆孔中控點位置按照以下確定，式中H值應該大于冒落帶高度。

若沿上順槽布置，則：

（2）

（3）

若沿下順槽布置，則：

（4）

（5）

式中：S上、S下-鉆孔距上、下順槽水平距離，m;h上、h下-鉆孔終孔點距上、下順槽垂直距離，m;H-煤層頂板冒落帶高度，m;B-鉆孔距“O”形圈外邊界的距離，取“O”形圈寬度的1/3，m;γ-煤層傾角，單位度：α、β-上、下山側裂隙邊界與煤層夾角，單位度。

對于該工作面，冒落帶高度為23.5m，裂隙帶高度范圍23.5～43m，當H=23.5m時，其余值B=23m，α=82°，β=80°，γ=3°，則S上 =27.5m，h上=25.5m，S下=26m，h下=28m。為了避免鉆孔過早破壞而導致有效抽采時間縮短，我們打鉆時取最大高度H=43m，其余值B=23m，α=82°，β=80°，γ=3°，則S上=40m，h上=45m，S下=35.5m，h下=47.5m。因此我們在順槽內打鉆的終孔點的范圍是距離順槽頂板22.5～42m，距離順槽左幫27.5～40m。

3.2 裂隙帶鉆孔抽采效果分析

圖2為優化瓦斯抽采鉆孔設計后瓦斯濃度變化圖。由圖可知，鉆孔自施工完畢并入抽采系統開始抽采以來，鉆孔內的瓦斯濃度有所上升，基本接近56%，最高達到65%，工作面瓦斯在上隅角的聚集濃度有所下降，不到0.4%，工作面瓦斯涌出量大大下降，安全能力提升。

4 結論

本文對某礦井高瓦斯綜放工作面瓦斯抽采現狀進行了監測分析，對裂隙帶瓦斯抽采鉆孔參數進行了優化試驗，由實踐效果可知鉆孔內的瓦斯濃度有所上升，基本接近56%，最高達到65%，工作面瓦斯在上隅角的聚集濃度有所下降，不到0.4%，降低了工作面的瓦斯涌出量，保障了工作面全生產。

參考文獻：

[1]胡殿明，林柏泉，呂有廠，等.煤層瓦斯賦存規律及防治技術[M].徐州：中國礦業大學出版社，1992.

[2]郝建峰.特厚煤層工作面采空區瓦斯治理技術研究[J].現代礦業，2016（12）34-37.