論采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律及瓦斯抽采方法的研究

摘 要:隨著煤礦生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大與開采能力的提升，采空區(qū)瓦斯涌出問(wèn)題日漸嚴(yán)重，目前一些礦井采空區(qū)瓦斯涌出量已經(jīng)達(dá)到全礦井瓦斯涌出總量的50%、甚至70%，極大地增加了礦井的通風(fēng)負(fù)擔(dān)與潛在危險(xiǎn)隱患。本文在分析生產(chǎn)采空區(qū)與封閉采空區(qū)瓦斯涌出的不同成因及其分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了采取技術(shù)成熟、高效可靠、有針對(duì)性的抽放措施，保障井下作業(yè)能順暢、安全進(jìn)行的具體方法。

關(guān)鍵詞:采空區(qū) 瓦斯分布 抽采方法

中圖分類號(hào):TD7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2012)04(a)-0005-01

1 采空區(qū)瓦斯涌出概述

采空區(qū)的瓦斯涌出主要來(lái)自現(xiàn)采區(qū)與已采區(qū)這兩個(gè)部分，目前我國(guó)多數(shù)礦井的采空區(qū)瓦斯涌出量都在全礦井瓦斯涌出總量的20%～45%左右，然而隨著煤礦生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大與開采能力的提升，采空區(qū)瓦斯涌出問(wèn)題日漸嚴(yán)重，一些礦井采空區(qū)瓦斯涌出量已經(jīng)超過(guò)全礦井的50%，個(gè)別礦井甚至達(dá)到了70%，極大地增加了礦井作業(yè)的通風(fēng)負(fù)擔(dān)與潛在危險(xiǎn)隱患。因此，管理人員必須在深入理解采空區(qū)瓦斯涌出成因的基礎(chǔ)上，全面掌握其分布規(guī)律，并采取技術(shù)成熟、高效可靠、有針對(duì)性的抽放措施，以保障井下作業(yè)能夠順暢、安全地進(jìn)行。

2 采空區(qū)瓦斯分布的規(guī)律分析

采空區(qū)瓦斯的分布規(guī)律主要與煤層開采情況及賦存條件有關(guān)，下面將分別對(duì)生產(chǎn)采空區(qū)與封閉采空區(qū)的瓦斯分布規(guī)律做一簡(jiǎn)單分析。

2.1 生產(chǎn)采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律分析

由于煤層和圍巖在開采過(guò)程中會(huì)發(fā)生移動(dòng)變形，使煤層在卸壓后透氣性增加，同時(shí)也使圍巖的裂隙呈擴(kuò)張的趨勢(shì)，此時(shí)瓦斯便可能通過(guò)圍巖裂隙滲入開采工作面與采空區(qū)。巖層隨生產(chǎn)采動(dòng)作用沿傾斜方向發(fā)生移動(dòng)，并逐漸引起緩慢下沉及破壞，促使底層應(yīng)力的分布發(fā)生改變，并最終導(dǎo)致彎曲下沉帶、裂隙帶及冒落帶自上而下依次出現(xiàn)。通常彎曲下沉帶的煤層與巖層都是非破壞性的，而僅僅呈現(xiàn)出整體的彎曲下沉和彈塑性形變，其瓦斯涌出至采空區(qū)的量也非常低。裂隙帶中的煤層中部分瓦斯在壓力作用下通過(guò)貫通裂隙進(jìn)入采空區(qū)，其涌出強(qiáng)度由上至下逐漸增強(qiáng)，大量聚積在采空區(qū)頂板附近。而處于冒落帶的煤與巖層則常由于垮落使瓦斯直接進(jìn)入采空區(qū)。數(shù)據(jù)顯示，采空區(qū)瓦斯涌出量在工作面正常開采時(shí)可占工作面總涌出量的50%左右，而檢修時(shí)其占總涌出量的比例還要更高(可達(dá)65%以上)。當(dāng)采空區(qū)距工作面＜20m時(shí)，其瓦斯?jié)舛绕投▌?dòng)明顯，在距工作面20m～50m時(shí)，其濃度以一定比例逐漸升高，因此綜合考慮抽采效果及抽采安全等因素后，應(yīng)將抽采位置確定在與工作面相距30m至60m的范圍內(nèi)。實(shí)際作業(yè)中常使采空區(qū)沿鉆孔、以裂隙為通道形成負(fù)壓環(huán)境加速其解吸，再采用鉆孔、導(dǎo)入、埋管等抽采方法將高濃度的瓦斯抽離采空區(qū)。抽采時(shí)應(yīng)首先分析彎曲下沉帶、裂隙帶及冒落帶的分布情況，再根據(jù)瓦斯涌出量及采面產(chǎn)量、風(fēng)量、氣壓等參數(shù)確定抽采強(qiáng)度。

2.2 封閉采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律分析

作為礦井開采工作的副產(chǎn)物，大面積封閉采空區(qū)本身就具有積蓄瓦斯氣體的特性，一旦其中的高濃度瓦斯隨著氣壓的改變或通風(fēng)負(fù)壓的作用從煤柱裂隙或密閉墻滲入到巷道或采區(qū)，就極有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。因此，必須選用適宜的方法，將其中的高濃度瓦斯抽離。該類采空區(qū)瓦斯的抽采方法一般是以插管法直接抽采，其抽采效果主要受到密閉墻氣密性的影響，因此應(yīng)保證密閉墻具有良好的氣密性，并設(shè)置好泄水管與觀測(cè)管。瓦斯抽采量通常取決于采空區(qū)的范圍及其封閉時(shí)間，通常抽采初期濃度較高，并隨著抽采工作的進(jìn)行而逐漸降低。抽采中應(yīng)注意避免漏風(fēng)等操作引起的殘留煤自燃問(wèn)題。密閉采空區(qū)抽取的高濃度瓦斯可作為煤層氣產(chǎn)業(yè)的能源產(chǎn)品加以利用，以達(dá)到提高開采效率，降低生產(chǎn)成本的節(jié)能減排目的。

3 采空區(qū)瓦斯抽采的具體措施

目前采空區(qū)瓦斯抽采的方法很多，選取時(shí)應(yīng)結(jié)合工作面的巷道布置與開采方法等實(shí)際生產(chǎn)特征，優(yōu)選技術(shù)較為成熟的方法，并做好相應(yīng)的安全保護(hù)措施。

3.1 引導(dǎo)排放法

引導(dǎo)排放抽采法的工作原理是利用相鄰層采空區(qū)的瓦斯對(duì)現(xiàn)采空區(qū)中的瓦斯進(jìn)行引排。其使用條件的要求是工作面的煤層不存在自然發(fā)火的可能性，當(dāng)該現(xiàn)采空區(qū)上段存在采空區(qū)時(shí)，可首先考慮采取引導(dǎo)排放法，通過(guò)對(duì)上段采空區(qū)的瓦斯進(jìn)行強(qiáng)化抽采，在上段形成一負(fù)壓區(qū)域，以改變兩采空區(qū)之間的壓力平衡，從而使先采空區(qū)中的瓦斯因負(fù)壓作用向上區(qū)段流動(dòng)，間接排除了現(xiàn)采空區(qū)的瓦斯，具有安全、對(duì)現(xiàn)階段生產(chǎn)作業(yè)影響小等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 頂板走向鉆孔抽采

頂板走向鉆孔抽采法可以控制采空區(qū)上隅角瓦斯的涌出狀態(tài)，通常情況下采用頂板走向鉆孔抽采和上隅角埋管抽采聯(lián)合的抽采方法。采用頂板走向鉆孔法時(shí)，鉆場(chǎng)距離煤層頂板上方約1m～2m，鉆場(chǎng)深度5.5m左右，鉆場(chǎng)間距70m～80m，為長(zhǎng)短、高低兩排孔，終孔位于距離煤層頂板10m～20m、距風(fēng)巷的水平距離為5m～30m處，鉆孔終孔間距為5m～10m，長(zhǎng)孔為110m，短孔為75m，鉆場(chǎng)間鉆孔壓茬長(zhǎng)度在30m～40m之間。該抽采方法的抽采效果關(guān)鍵在于高位鉆孔終孔位置的合理選擇。綜采工作面的頂板鉆孔層位布置應(yīng)根據(jù)工作面的推進(jìn)速度、老頂來(lái)壓步距、頂板巖性等綜合考慮確定。工作面裂隙帶最大發(fā)育高度通常為采高的7倍左右，鉆孔終孔布置在煤層頂板6倍左右的高度時(shí)，鉆孔抽采瓦斯?jié)舛瓤蛇_(dá)60%以上，但抽采流量小、阻力大，抽采泵負(fù)壓達(dá)50kPa以上，抽采流量?jī)H為額定流量的10%。而合適的鉆孔位置在冒落拱的頂部，抽采濃度不高，但抽采流量大。因此，鉆孔終孔應(yīng)布置在3～6倍的采高處，即距煤層頂板10m～20m的位置。在采空區(qū)流場(chǎng)中，瓦斯聚集區(qū)一般位于風(fēng)巷下10m左右，布置在該區(qū)域內(nèi)的鉆孔瓦斯?jié)舛容^大，因此鉆孔在傾向上應(yīng)布置在該區(qū)域，對(duì)鄰近層瓦斯和采空區(qū)瓦斯進(jìn)行攔截，減少上隅角瓦斯涌出。

3.3 采空區(qū)埋管抽采

采空區(qū)埋管抽采通過(guò)安裝管路直接抽采采空區(qū)瓦斯，盡量減少采空區(qū)瓦斯流入工作面。該方法預(yù)先在回風(fēng)巷安裝金屬抽采管路與礦井抽采系統(tǒng)相連，金屬抽采管直徑一般為200mm～300mm。隨著工作面向前推進(jìn)，管路的末端進(jìn)入采區(qū)。

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