李 松

(平頂山天安煤業(yè)股份有限公司，河南省平頂山市，467000)

煤巖體中的瓦斯賦存狀態(tài)有兩種，分別是瓦斯游離和瓦斯吸附狀態(tài)，當(dāng)游離狀態(tài)瓦斯從煤巖體裂隙釋放后，瓦斯壓力降低，部分吸附狀態(tài)瓦斯也轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x狀態(tài)瓦斯。在部分地區(qū)深部煤層中的地應(yīng)力較大，瓦斯以高壓狀態(tài)存在。正常的采掘活動(dòng)擾動(dòng)原有煤巖體應(yīng)力平衡，并將煤體破碎，瓦斯由吸附狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x狀態(tài)，并釋放出來，向工作面涌出。在地下開采活動(dòng)中，瓦斯運(yùn)移不僅能夠發(fā)生煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害，而且逸散進(jìn)入采煤和掘進(jìn)工作面以后，容易造成瓦斯聚集，達(dá)到一定條件還能發(fā)生瓦斯爆炸或燃燒，而爆炸揚(yáng)起煤塵后與瓦斯，混合在一起發(fā)生爆炸的危害性更強(qiáng)。因此，煤礦生產(chǎn)中瓦斯災(zāi)害是最嚴(yán)重的災(zāi)害之一。

瓦斯的運(yùn)移和儲(chǔ)集的前提是通道，卸壓后的瓦斯遵守氣體流動(dòng)性法則，由高壓區(qū)流向低壓區(qū)，由于密度比空氣小，與空氣混合后，瓦斯上浮漂移，動(dòng)力特性符合浮力定律。瓦斯災(zāi)害易發(fā)生在卸壓瓦斯聚集的場(chǎng)所，或是流動(dòng)經(jīng)過的巷道空間。

四礦是平頂山煤業(yè)集團(tuán)有限公司的一座現(xiàn)代機(jī)械化礦井。近年來，隨著淺部資源開采完畢，礦井向深部延伸，煤層瓦斯壓力漸漸變大，瓦斯含量逐步增多，也造成礦井鑒定等級(jí)由原來的瓦斯礦井向煤與瓦斯突出礦井轉(zhuǎn)化。采掘過程中，瓦斯涌出量激增，為礦井的安全生產(chǎn)、和諧發(fā)展帶來嚴(yán)重威脅。平煤四礦現(xiàn)階段開采深度平均達(dá)到800 m，但瓦斯抽放效果沒有達(dá)到理想預(yù)期，本煤層不到10%的瓦斯抽放率和僅僅0.013 m3/min的瓦斯抽放量導(dǎo)致瓦斯危害問題凸顯。針對(duì)四礦現(xiàn)狀，采取具體措施提高鉆孔瓦斯抽放效果，解決回風(fēng)流瓦斯聚集問題，阻絕煤與瓦斯突出事故的發(fā)生迫在眉睫。

1 采面卸壓區(qū)淺孔抽放機(jī)理

1.1 采煤工作面應(yīng)力分布規(guī)律

煤礦的采掘活動(dòng)破壞了覆巖原巖應(yīng)力平衡，改變了煤體中應(yīng)力分布狀態(tài)。正常狀態(tài)下，煤體采出導(dǎo)致開采空間形成支承應(yīng)力，并由四周煤體支承，當(dāng)煤體強(qiáng)度極限小于支承應(yīng)力時(shí)，產(chǎn)生屈服變形，支承應(yīng)力也由采場(chǎng)淺部煤體向深部轉(zhuǎn)移。采場(chǎng)應(yīng)力是動(dòng)態(tài)變化的過程，推進(jìn)過程中的應(yīng)力分布如圖1所示，分別有原始應(yīng)力區(qū)、支承應(yīng)力區(qū)和卸壓區(qū)。

圖1 工作面推進(jìn)過程中應(yīng)力分布

由于卸壓區(qū)的煤體受采動(dòng)影響，支承應(yīng)力超過了煤體強(qiáng)度極限而使煤體轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)，由原承受三向應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閮上颍踔羻蜗驊?yīng)力狀態(tài)，大多數(shù)情況下，卸壓區(qū)的煤體強(qiáng)度均小于原巖應(yīng)力。

1.2 采煤工作面淺孔抽放瓦斯防突機(jī)理

采煤作業(yè)的進(jìn)行導(dǎo)致本來由煤體支承的原巖應(yīng)力由采空區(qū)向四周煤體轉(zhuǎn)移，在工作面前方形成卸壓區(qū)、支承應(yīng)力區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)。在高瓦斯煤體中，支承應(yīng)力區(qū)煤體中的應(yīng)力大小、瓦斯含量和卸壓區(qū)范圍大小及自身強(qiáng)度是煤與瓦斯突出災(zāi)害發(fā)生的關(guān)鍵因素。大量生產(chǎn)實(shí)踐證明，采掘工作面推進(jìn)方向如果一直有適當(dāng)寬度的卸壓區(qū)存在，煤與瓦斯動(dòng)力災(zāi)害就不會(huì)發(fā)生。

卸壓區(qū)應(yīng)力小于原始應(yīng)力，煤體發(fā)生塑性變形、失去彈性、 裂隙發(fā)育、透氣性增加，煤體中吸附狀態(tài)的瓦斯解吸轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x狀態(tài)。在支承應(yīng)力區(qū)，瓦斯壓力倍增，數(shù)倍于原巖應(yīng)力。卸壓區(qū)存在于工作面和支承應(yīng)力之間，能夠?qū)⒂坞x狀態(tài)的瓦斯釋放出來，并且為工人開采作業(yè)區(qū)域構(gòu)建安全屏障。支承應(yīng)力隨著工作面的推進(jìn)滯后前移，當(dāng)支承應(yīng)力的強(qiáng)度高于卸壓區(qū)寬度能承受的應(yīng)力極限時(shí)，就會(huì)發(fā)生突出動(dòng)力災(zāi)害。因此，掌握工作面采場(chǎng)應(yīng)力分布規(guī)律，將瓦斯抽放鉆孔深入支承應(yīng)力區(qū)，通過卸壓抽放瓦斯使得支承應(yīng)力區(qū)前移，相當(dāng)于加寬卸壓區(qū)煤體范圍，增大卸壓區(qū)抵抗煤體支承應(yīng)力的能力，進(jìn)而降低煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生概率，保證安全生產(chǎn)。

2 工程概況

四礦位于平頂山礦區(qū)中部，井田東鄰一礦，西接六礦。井田東西方向長2500 m，南北方向長5500 m。礦井采用多水平采區(qū)式開拓，共兩個(gè)水平4個(gè)采區(qū)，其中一水平標(biāo)高-510 m，包括戊九采區(qū)和丁九采區(qū)，二水平標(biāo)高-530 m，包括己三采區(qū)和己一東翼采區(qū)。地面地形為低山丘陵，標(biāo)高一般在+160～+460 m之間，最高點(diǎn)為506.5 m；深部邊界標(biāo)高為-600 m。四礦通風(fēng)方式為中央并列式，采用抽出式通風(fēng)方法。

根據(jù)四礦2004年度礦井瓦斯等級(jí)鑒定報(bào)告，四礦礦井為突出礦井，丁九采區(qū)為突出采區(qū)，其中丁九采區(qū)以下山為中心，東部突出危險(xiǎn)區(qū)在-380 m以下，西部突出危險(xiǎn)區(qū)在-420 m以下，其余為無突出危險(xiǎn)區(qū)；己三采區(qū)為突出采區(qū)，其中突出危險(xiǎn)區(qū)在-390 m標(biāo)高以下，其余為無突出危險(xiǎn)區(qū)；戊九采區(qū)為高瓦斯采區(qū)，己一東翼采區(qū)為低瓦斯采區(qū)。瓦斯災(zāi)害事故一直是威脅平煤集團(tuán)四礦安全生產(chǎn)的重要因素，對(duì)瓦斯動(dòng)力災(zāi)害防治及瓦斯涌出排放是生產(chǎn)工作的重中之重。

卸壓區(qū)淺孔抽放工業(yè)性試驗(yàn)工作面丁56-19200工作面位于丁九采區(qū)西翼，為突出危險(xiǎn)區(qū)域，工作面傾斜長度200 m，走向長度剩余510 m。煤層厚度1.6 m，煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，老頂為中至粗砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖。工作面在采煤作業(yè)進(jìn)行時(shí)，煤體中的瓦斯大量涌出，導(dǎo)致瓦斯聚集超限。而之前制定的瓦斯災(zāi)害治理措施的設(shè)計(jì)與施工沒有針對(duì)性，多是憑借經(jīng)驗(yàn)，實(shí)施效果較差，造成施工浪費(fèi)，工作面瓦斯不能得到有效治理，上隅角瓦斯聚集超限，以致生產(chǎn)過程中存在很大的安全隱患。

3 采面卸壓區(qū)淺孔抽放工業(yè)性試驗(yàn)及效果分析

3.1 鉆孔布置及抽放參數(shù)

(1)鉆孔深度。根據(jù)采面卸壓區(qū)淺孔抽放機(jī)理，瓦斯抽放鉆孔應(yīng)該深入支承應(yīng)力區(qū)，通過卸壓抽放瓦斯使得支承應(yīng)力區(qū)前移。通過鄰近工作面回風(fēng)巷壓力實(shí)測(cè)結(jié)果，平煤四礦工作面前方卸壓區(qū)和支承應(yīng)力區(qū)范圍分別是4～5 m和8～10 m，據(jù)此，采面卸壓區(qū)淺孔抽放鉆孔孔深應(yīng)為8～15 m。

(2)鉆孔間距。鉆孔作業(yè)工作量、布置方式和瓦斯抽放效果的決定要素之一就是抽放鉆孔的孔間距，其數(shù)值大小與鉆孔抽放半徑有關(guān)。抽放時(shí)間是影響抽放半徑的關(guān)鍵參數(shù)，抽放半徑隨著抽放時(shí)間的增長而增大，并隨著抽放時(shí)間的縮短而減小。大量理論與實(shí)踐證明，瓦斯鉆孔抽放半徑數(shù)值計(jì)算的表達(dá)式為：

(1)

式中：r——瓦斯鉆孔抽放半徑，m；

t——瓦斯鉆孔排放時(shí)間，d；

β——煤體瓦斯動(dòng)力相關(guān)系數(shù)，m/min0.5。

式中β值需通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得出。平煤四礦根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出β=0.0716 m/min0.5，則瓦斯鉆孔抽放半徑為：

(2)

(3)鉆孔直徑。增大鉆孔直徑可以提高鉆孔抽放量。但大直徑鉆孔對(duì)施工工藝要求較高，并且容易誘發(fā)煤與瓦斯突出。依據(jù)工作面淺孔抽放機(jī)理，瓦斯抽放鉆孔終孔要進(jìn)入支承應(yīng)力區(qū)，孔深為8～15 m，由此，抽放鉆孔直徑宜在100 mm之內(nèi)，根據(jù)工程實(shí)踐，孔徑一般為75～100 mm。

(4)鉆孔布置方式。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)計(jì)算出鉆孔抽放半徑為0.78 m，為了使瓦斯抽放范圍覆蓋至整個(gè)工作面，孔間距設(shè)置為1.5 m，采用三花眼布置，如圖2所示。

圖2 瓦斯抽放鉆孔示意圖

(5)鉆孔施工順序。平煤集團(tuán)為治理瓦斯突出災(zāi)害，在高突工作面回采前均施工順層瓦斯抽放鉆孔進(jìn)行抽放，但鉆孔長度較短，造成煤體中部50～60 m寬的區(qū)域未能抽放。工作面淺孔抽放施工過程中，為了達(dá)到預(yù)期效果，鉆孔應(yīng)由中部向上下平巷方向施工，加強(qiáng)工作面中部區(qū)域的瓦斯抽放。

(6)鉆孔抽放負(fù)壓。采掘作業(yè)造成覆巖應(yīng)力重新分布，煤壁前方形成了卸壓區(qū)、支承應(yīng)力區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，其中卸壓區(qū)和支承應(yīng)力區(qū)由于受到采動(dòng)影響，煤體達(dá)到極限強(qiáng)度后發(fā)生塑性變形，造成裂隙發(fā)育、貫通，提高了煤體的透氣性。抽放負(fù)壓為影響采掘工作面瓦斯抽放質(zhì)量的重要因素，抽放效果隨著抽放負(fù)壓的增大而顯著提高。然而工程施工中，淺孔抽放鉆孔的封孔管封孔端一般在煤體卸壓區(qū)內(nèi)，深度1 m左右，另外，根據(jù)封孔器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及主要采用軟管連接采掘面抽放鉆孔，過高的抽放負(fù)壓會(huì)導(dǎo)致抽放管路和鉆孔連接端漏氣，軟管容易發(fā)生變形，影響抽放效果。借鑒大量國內(nèi)外采煤工作面鉆孔抽放經(jīng)驗(yàn)，鉆孔抽放負(fù)壓不低于6500 Pa。

3.2 抽放工藝

(1)抽放系統(tǒng)及抽放方法。四礦丁56-19200工作面布置了采區(qū)抽放泵站系統(tǒng)。抽放泵為兩臺(tái)水循環(huán)真空泵，型號(hào)為2BEA-253，抽排能力為2×40 m3/min，回風(fēng)巷支管為管徑150 mm的薄壁管，下山干管為直徑的200 mm薄壁管；沿工作面布設(shè)一套脈吸管，直徑為150 mm，置于支架架箱處，脈吸管每隔10 m布置一個(gè)多通連接器，并用軟管連接插入工作面超前鉆孔里的封孔器，形成采面卸壓區(qū)淺孔抽放系統(tǒng)。抽放作業(yè)安排在檢修班完成，根據(jù)工作面作業(yè)方式和勞動(dòng)組織形式，安排專人分段對(duì)工作面抽放鉆孔打鉆，并進(jìn)行封孔連管抽放。生產(chǎn)班采煤作業(yè)時(shí)停止抽放，關(guān)閉閥門，并將軟管拔出，同時(shí)回收封孔器，置于支架架箱內(nèi)。

(2)抽放鉆孔布置。因丁56-19200采面具有突出危險(xiǎn)性，將工作面卸壓區(qū)瓦斯抽放孔作為防治突出措施鉆孔，鉆孔直徑89 mm，鉆孔間距1.5 m，與支架寬度相同，沿工作面推進(jìn)方向布置，鉆孔深度大于9.2 m。采煤作業(yè)與瓦斯抽放工藝相互配合，循環(huán)推進(jìn)距離4.2 m，鉆孔始終超前工作面5 m，循環(huán)施工鉆孔共計(jì)89個(gè)，累計(jì)鉆深819 m。

3.3 抽放效果

實(shí)施卸壓區(qū)淺孔抽放后，丁56-19200工作面回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛冉档土?.25%，由平均瓦斯?jié)舛?/p>

0.95%下降到0.7%；抽放泵站瓦斯抽放濃度較本煤層瓦斯抽放濃度提高3倍，最高可達(dá)25%，瓦斯抽放量可達(dá)4320 m3/d，增加了2420 m3/d；瓦斯抽放率提高了15%，是順層預(yù)抽的1.3倍。泵站抽放濃度變化曲線如圖3所示，抽放效果對(duì)比表見表1。

圖3 抽放泵站瓦斯?jié)舛茸兓€

工作面推進(jìn)度/m·月-1工作面回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛?%每循環(huán)打措施孔平均用時(shí)/h瓦斯斷電次數(shù)/次·月-1抽放率/%工作面月平均產(chǎn)量/萬t·月-1抽放前470.951228104.4抽放后700.750256.6

高瓦斯突出采面卸壓區(qū)淺孔抽放技術(shù)的實(shí)施，降低了回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?，預(yù)防工作面突出災(zāi)害的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了三八制的正規(guī)循環(huán)作業(yè)，即每天兩班生產(chǎn)，一班檢修及抽放，使采掘作業(yè)得以正常進(jìn)行，平均單產(chǎn)提高2.2萬t/月。有效防治了煤與瓦斯突出事故的發(fā)生和工作面瓦斯聚集超限，實(shí)現(xiàn)了礦井安全、高效生產(chǎn)。

4 結(jié)論

根據(jù)采場(chǎng)應(yīng)力分布規(guī)律及瓦斯在煤層中賦存特征，采用高瓦斯突出采面卸壓區(qū)淺孔抽放技術(shù)，理論上可以有效解決工作面瓦斯聚集和動(dòng)力災(zāi)害隱患。通過丁56-19200綜采工作面工業(yè)性試驗(yàn)，利用相鄰工作面壓力實(shí)測(cè)結(jié)果確定鉆孔抽放參數(shù)，對(duì)相關(guān)設(shè)備合理選型組成可靠的抽放系統(tǒng)，從而保證了高瓦斯突出采面卸壓區(qū)淺孔抽放技術(shù)在平煤四礦的成功實(shí)施，其解決問題的方法可為具有類似問題的煤與瓦斯突出礦井提供借鑒。

[1] 錢鳴高，繆協(xié)興，許家林等.巖層控制的關(guān)鍵層理論[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社， 2003

[2] 中國礦業(yè)學(xué)院.煤和瓦斯突出的防治 [M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1979

[3] 俞啟香,王凱,楊勝強(qiáng). 中國采煤工作面瓦斯涌出規(guī)律及其控制研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000(1)

[4] 楊建國，歐陽廣斌，劉偉等.高突綜采工作面卸壓區(qū)瓦斯抽放技術(shù)[J].中國煤炭，2003(10)

[5] 豐安祥.采用下行通風(fēng)的方法處理采空區(qū)的瓦斯[J].煤礦安全，2000(4)

[6] 劉冠學(xué),豐安祥,鐘國清.下行通風(fēng)處理工作面采空區(qū)瓦斯的技術(shù)分析[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2000(3)

[7] 林柏泉,張仁貴.前進(jìn)式預(yù)埋管法抽放采空區(qū)瓦斯的試驗(yàn)研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997(2)

[8] 林柏泉,周世寧,張仁貴.U形通風(fēng)工作面采空區(qū)上隅角瓦斯治理技術(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào)，1997(5)

[9] 陳星明,黃珍,棘勇.高突工作面卸壓區(qū)淺孔抽放技術(shù)[J].煤礦現(xiàn)代化，2007(1)