煤層預抽與卸壓瓦斯耦合規律

王憲光，張基名

（鐵法煤業（集團）有限責任公司大興煤礦，遼寧 鐵嶺112701）

對于煤層預抽，煤層瓦斯“吃干榨凈”是理想化的一種趨向，原始巖體在采動卸壓應力范圍內裂隙發育，附著的甲烷分子變成游離狀態，一部分被風流帶入回風流中，一部分通過裂隙匯源到采空區，一部分被鉆孔抽采，因此形成了開采煤層瓦斯分源流動的多種通道。對于鄰近層瓦斯，相對多的量進入了采空區。

通過觀測大興煤礦北二708回采區域預抽鉆孔和南五708兩個工作面頂板瓦斯道煤層卸壓鉆孔，在回采前煤層瓦斯預抽效果和回采期間煤層卸壓瓦斯抽采效果，分析相同的鉆孔在采、掘不同時期煤層預抽與卸壓瓦斯耦合規律。

1 工作面基本情況

1.1 北二708工作面

北二708工作面位于大興煤礦北二采區西南部，7-2煤層，煤層厚度在5.40～7.50m之間，一般為6.34m。局部發育7-2-2煤層，一般煤厚為0.94m。煤層呈黑色，玻璃光澤，條帶結構。本區域7-2煤層瓦斯壓力為4.1MPa，煤層原始瓦斯含量為12.33m3/t。煤層自然發火期1～3個月，煤塵爆炸指數為43.83%。

北二708工作面面寬155m，走向長度387m。該工作面從2017年11月16日開采，2018年4月27日停采。

1.2 南五708工作面

南五708工作面位于大興煤礦南五采區西南部，7-2煤層，煤層厚度在3.40～5.60m之間，一般為4.55m。煤層呈黑色，玻璃光澤，條帶結構。本區域7-2煤層瓦斯壓力為1.67MPa，煤層原始瓦斯含量為9.65m3/t。煤層自然發火期1～3個月，煤塵爆炸指數為43.39%。

南五708工作面大面面寬160m，小面面寬105m，走向長度512m。該工作面從2013年11月12日開采，2014年3月31日停采。

2 兩個工作面預抽鉆孔施工情況

2.1 北二708工作面

回采前，對工作面回采區域實施密集順層鉆孔超前預抽交叉布孔技術。

鉆場內順層預抽鉆孔在運回順鉆場內扇形布置，孔底間距5m，孔徑94mm，如圖1所示。

巷道內順層預抽鉆孔在運回順及切眼的巷內布置，垂直巷道指向回采區域施工，孔間距3m，孔徑94mm，如圖2所示。

2.2 南五708工作面

南五708工作面未采取順層預抽技術，而是在南五708頂板瓦斯道向7-2煤層施工了24個煤層卸壓鉆孔。如圖3所示。

南五708頂板瓦斯道的24個煤層卸壓鉆孔施工后，頂板瓦斯道全段一次性封閉，偶數鉆孔用抗靜電膠管引出頂板瓦斯道，奇數鉆孔孔口敞開。

3 煤層預抽與卸壓瓦斯耦合規律

分析煤層預抽與卸壓瓦斯耦合規律，可以從鉆孔承受采動壓力變化，瓦斯抽采量、抽采時間長短以及鉆孔與工作面位置關系兩個方面考量。

圖1 北二708工作面鉆場內順層預抽鉆孔設計施工圖

圖2 北二708工作面巷道內順層預抽鉆孔設計施工圖

圖3 南五708頂板瓦斯道穿層鉆孔施工圖

3.1 煤層承受采動壓力變化規律

采掘活動在煤層和頂底板中引起各種形式的礦山壓力顯現，支承壓力表現為原巖應力區、應力增高區、應力降低區、穩壓區四個區段，如圖4所示。在應力增高區煤層裂隙發育，在原巖應力區煤層裂隙不發育，在應力降低區頂底板圍巖裂隙完全發育，在穩壓區頂底板圍巖裂隙發育停止。

從北二708工作面實際觀測分析，距采煤工作面5～150m區域為應力增高區，距采煤工作面150m為原巖應力區，距采煤工作面5m至采空區深部35～80m為應力降低區，采空區深部80m至切眼為穩壓區。

3.2 瓦斯抽采量、抽采時間長短以及鉆孔與工作面位置關系的變化規律

3.2.1 具有煤層預抽和卸壓瓦斯抽采鉆孔的瓦斯抽采變化規律分析

北二708工作面的煤層回采區域預抽鉆孔，經歷了掘、備、采三個時期。煤層回采區域預抽鉆孔在掘進和備采期間預抽突出煤層瓦斯，起到了消除回采區域煤層煤與瓦斯突出危險和兼顧瓦斯抽采達標的雙重作用。回采期間，在工作面的卸壓范圍內同一鉆孔發揮著抽采煤層卸壓瓦斯的作用，在工作面的未卸壓區域持續預抽煤層瓦斯。預抽鉆孔在應力增高區、應力耦合時期煤層裂隙普遍發育，煤層附著的甲烷分子一部分變成游離狀態，該時期認為是煤層預抽與卸壓瓦斯耦合時期，該現象認為是煤層預抽與卸壓瓦斯耦合現象。

北二708工作面的煤層回采區域預抽鉆孔從施工預抽開始，到采煤機切割鉆孔，最長抽采時間達480天。每個回采區域預抽鉆孔瓦斯抽采經歷了預抽變化區、預抽穩定區和卸壓抽采區。如圖5所示。

圖4 工作面前后支承壓力分布圖

圖5 具有煤層預抽和卸壓瓦斯抽采的鉆孔在抽采瓦斯方面的變化曲線

在鉆孔連抽開始的8～10天內鉆孔處在預抽瓦斯濃度變化區，鉆孔預抽瓦斯濃度在5%～20%之間，平均瓦斯濃度為10%。鉆孔預抽穩定區是在鉆孔預抽10天以后，到鉆孔與采煤工作面距離100～150m的范圍內，鉆孔預抽瓦斯濃度在1%～3%之間，平均瓦斯濃度為2%。鉆孔卸壓抽采區是在鉆孔距采煤工作面100～150m到鉆孔被采煤機切割的范圍內，鉆孔預抽瓦斯濃度在5%～30%之間，平均瓦斯濃度為10%。

3.2.2 僅有卸壓瓦斯抽采鉆孔的瓦斯抽采變化規律分析

南五708工作面的頂板瓦斯道卸壓鉆孔，抽采時間為63天，僅僅經歷了采煤時期的卸壓抽采區。如圖6所示。

圖6 卸壓鉆孔在抽采瓦斯方面的變化曲線

從觀測的數據來看，南五708頂板瓦斯道的煤層卸壓鉆孔在距采煤工作面20～30m位置開始抽采瓦斯濃度及瓦斯量逐漸提高，進入采空區25～40m位置瓦斯抽采效果達到最佳，進入采空區50m以后瓦斯抽采效果遞減。實測單孔瓦斯濃度最高達85%，12個鉆孔瓦斯流量最大達18.75m3/min，單孔平均瓦斯濃度達55%，12個鉆孔平均瓦斯流量13.89m3/min。

從鉆孔瓦斯觀測的數據和工作面前后支撐壓力分布曲線可以看出，鉆孔的預抽瓦斯變量和卸壓瓦斯抽采變量與工作面前后支撐壓力相耦合，在預抽初期和卸壓瓦斯抽采期應增加提高鉆孔的抽采負壓，使煤層瓦斯抽采發揮最大作用。

預抽鉆孔在終孔后應立即連抽，保證孔口負壓在13KPa以上，負壓維持時間在連續抽采10天左右為最佳，使預抽變化區能抽盡抽。之后鉆孔減低負壓維持抽采，負壓值可控制在2～5KPa，使預抽穩定區低負壓長久抽采，新完工的鉆孔抽采能力得到保證。在鉆孔距采煤工作面50m提高孔口負壓，負壓值可控制在10～13KPa，使卸壓抽采區的鉆孔達到最佳抽采效果，減低煤壁瓦斯和落煤瓦斯。

4 結束語

煤層預抽初期和卸壓抽采期是鉆孔瓦斯抽采效果提升的關鍵時期，應加強抽采系統的管理，提高抽采能力。掌握煤層預抽與卸壓瓦斯耦合規律，便于較為精確的生產管理，不錯過最佳抽采時期。