煤層群開采工作面多源瓦斯抽采應用研究

曾上徠

(興源礦業有限公司，湖南 耒陽 421800)

在煤層群開采條件下，首采煤層工作面開采后頂底板的變形使得鄰近煤巖層之間形成利于瓦斯運移的裂隙和通道，導致工作面瓦斯涌出量加大，易引起工作面瓦斯濃度超限，制約工作面正常回采進度，甚至威脅礦井安全生產[1-3]。

工作面回采后，采空區頂板變形垮落，由下到上形成三帶，即垮落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶，三帶的受破壞程度和受力情況各有特征[4-5]，許多學者針對三帶的特征展開了大量研究和現場實際應用。黃森林[6]通過現場實測、理論分析和現場試驗相結合的方法，綜合得出工作面垮落帶高度，為高位鉆孔參數設計提供了可靠的技術數據；韓彪[7]從經驗公式和數值模擬兩方面研究得出垮落帶和裂隙帶的高度，在此基礎上，設計并施工了高位鉆孔進行裂隙帶瓦斯抽采，解決了鄰近層瓦斯涌出量大的問題；崔永青等[8]基于馬堡煤礦地質特征，采用RFPA軟件模擬和現場考察，研究得到了礦井工作面開采后覆巖破斷與垮落規律，劃分了“三帶”的分布區域；杜康[9]采用UDEC數值模擬軟件對上屯留煤礦工作面上覆巖層的移動規律進行了數值模擬研究，得出了采空區上覆巖層垮落帶的發育規律和高度；楊楓等[10]現場進行了裂隙帶高位抽采鉆孔、高位抽采巷道和采空區抽采鉆孔3種方法的對比試驗，對3種鉆孔的瓦斯抽采效果進行分析，通過3種鉆孔進行的瓦斯抽采杜絕了工作面瓦斯濃度頻繁超限的發生，加快了工作面推進效率，且將高效抽采的瓦斯直接用于發電，取得了良好的經濟效益。

上述研究都是針對采空區上方“三帶”和瓦斯抽采應用，均取得了很大成效。本文基于礦井煤層群開采以及煤層賦存不穩定的實際情況，研究工作面垮落帶和裂隙帶的高度范圍，通過提前施工鉆孔對裂隙帶瓦斯進行抽采，有效降低工作面瓦斯涌出量，解決工作面上隅角和回風巷瓦斯濃度超限的問題，以期對礦井的瓦斯治理和安全生產提供指導。

1 礦井概況

興源礦業有限公司伍家沖煤礦主采6號煤層，上部2、3、5號煤層為不穩定局部可采煤層。6號煤層厚度為0～20.2 m，平均厚度為3.31 m，上距5號煤平均距離為29.81 m；5號煤厚度為0～1.98 m，平均0.61 m；5號煤上部18.35 m為3號煤，平均厚度0.55 m；3號煤上部20.13 m為2號煤，平均厚度0.71 m。

2261工作面位于伍家沖煤礦22采區南翼，上至-195 m標高為界，下至-244 m標高為界，工作面平均走向長385 m，傾斜長102 m，面積39 270 m2，平均煤厚2.5 m，傾角12°。在2261工作面回采期間，工作面經常出現超限事故，分析原因是由于其上鄰近煤巖層大量卸壓瓦斯通過貫穿的裂隙通道涌入回采區域，同時本煤層采空區遺煤瓦斯進一步加大了工作面瓦斯涌出量，極易造成工作面瓦斯超限事故，威脅安全生產。

2 垮落帶和裂隙帶高度計算

2261工作面采用全部垮落法管理頂板，采高為2.5 m，則依據如下公式[11]計算可得工作面采空區上方垮落帶和裂隙帶高度分別為：

式中：M為開采高度，2.5 m。

計算可知，工作面的垮落帶和裂隙帶高度分別為12.30 m和24.68 m，則工作面垮落帶范圍大致為采空區上方0～12.30 m之間，裂隙帶高度范圍為采空區上方12.30～36.98 m之間。

3 瓦斯抽采鉆孔布置

隨著工作面的持續推進，煤層頂板變形垮落，逐漸形成垮落帶；而垮落帶上方的巖石受到下部垮落巖石的影響，導致壓力失衡進而出現下沉，產生垂直斷裂或離層，最終形成裂隙帶，在此之間煤巖體內積聚的瓦斯受卸壓影響而釋放，并在裂隙帶內存儲下來，瓦斯壓力明顯增高，此時向該區域打入鉆孔，一方面為這些瓦斯提供了流動的通道，另一方面抽采孔的負壓也會使瓦斯的流動增強，從而抽采出大量卸壓瓦斯。

在工作面回風巷靠工作面一側向煤層頂板方向以一定傾角掘進一條長5 m左右的巷道，落平后布置鉆場，相鄰鉆場間距為30 m左右(可依據煤層賦存狀況進行適當調整)，鉆場長2 m、寬2.2 m、高2.2 m，每個鉆場布置9個鉆孔，鉆孔終孔位置位于采空區上方15～40 m范圍裂隙帶內，鉆孔終孔間距為6 m，鉆孔布置見圖1所示，表1所示為其中3號鉆場鉆孔參數。

圖1 垮落帶和裂隙帶瓦斯抽采鉆孔布置

表1 3號鉆場高位鉆孔施工參數

當工作面推進至抽采鉆孔的抽采范圍內時，鉆場內的瓦斯抽采鉆孔開始抽采作業，為保證抽采作業的持續性，當前一個鉆場抽采作業結束時，后一個鉆場的鉆孔進行接替抽采作業，以此形成循環接替抽采系統。

4 抽采效果分析

以3號鉆場的9個抽采鉆孔的瓦斯平均抽采效果為例，見圖2，當工作面推進至鉆孔的抽采范圍內時，鉆孔的瓦斯抽采效果開始顯現；隨著回采的進行，采空區上部煤巖體垮落、裂隙增加，涌出的瓦斯通過抽采鉆孔被大量抽出，此時鉆孔處于高效抽采階段，抽采濃度和抽采流量大幅度增加，抽采鉆孔平均抽采濃度35%，平均抽采純量0.64 m3/min，最高達到1.50 m3/min；在鉆孔抽采的最后階段，鉆孔的絕大部分因垮落帶的垮落和隨裂隙帶的沉降而失效，抽采效果下降直至回采面推過鉆場，鉆孔作廢，下一抽采鉆場開始接續抽采。

圖2 裂隙帶鉆孔瓦斯抽采效果

作為游離瓦斯的富集區，裂隙帶內瓦斯抽采效果較為理想，且能持續較長時間；同時在鉆場內鉆孔抽采期間，工作面回風流和上隅角瓦斯濃度均在超限濃度值以下，無瓦斯濃度超限事故發生，說明所實施的瓦斯抽采措施達到了預期效果，大大降低了工作面風排瓦斯壓力，保證了安全回采。

5 結 語

1) 工作面采空區垮落帶和裂隙帶的形成需要一定的時間，在此期間可通過提前合理施工瓦斯抽采鉆孔進行卸壓瓦斯抽采，有效減少工作面的瓦斯涌出量。

2) 由于煤層賦存的不穩定性，可依據煤層的賦存情況，靈活調節和合理施工裂隙帶抽采鉆孔，通過現場抽采效果考察，所施工的鉆孔可進行采空區裂隙帶和鄰近煤巖層瓦斯的抽采(多源瓦斯抽采)，抽采濃度和純量分別為35%和0.64 m3/min，大大降低了風排瓦斯壓力，解決了上隅角及回風流瓦斯超限問題，保障了安全生產。