淺談如何提高我公司3#煤層瓦斯抽放效果
單位：山西陽城宇昌煤業(yè)有限公司 時間：2008-9-10
作者：衛(wèi)國龍
摘 要：本文論述了3#煤層瓦斯抽放方法和措施，取得了良好的抽放效果，對安全生產(chǎn)起到了重要的作用。
關(guān)鍵詞： 煤層瓦斯壓力 煤層透氣性系數(shù) 平行孔 解吸擴(kuò)散速率 交叉布孔方式
正 文：
我國高瓦斯和瓦斯突出礦井占總礦井?dāng)?shù)的46%。瓦斯抽放是減少礦井瓦斯涌出量、防止瓦斯爆炸和突出的治本措施，同時也是開發(fā)利用瓦斯能源、保護(hù)大氣環(huán)境的重要手段。提高3#煤層瓦斯抽放效果，多年來一直是瓦斯抽放工作中難以解決且在努力解決的問題。目前提高本煤層瓦斯抽放率的技術(shù)途徑主要有兩個，一是采用人為方法預(yù)先松動原始煤體，提高煤層的透氣性，主要有水力壓裂、水力割縫等水力化措施以及預(yù)裂爆破等，二是合理布孔和改變鉆孔參數(shù)。那么針對我公司目前的抽放現(xiàn)狀，如何提高3#煤層抽放效果呢？下面談?wù)剮c看法。
一、根據(jù)礦井目前開采煤層的抽放現(xiàn)狀，合理選擇布置鉆孔方式
1、我公司煤層賦存情況及瓦斯含量情況：井田內(nèi)主要含煤地層為二疊系山西組和石炭系太原組。總厚156.6m，含煤5～12層，自上而下編號為：2、3、4、5、6、7、8、9、11、13、15號。煤層總厚為9.68m，含煤系數(shù)8％。
太原組中僅有15號煤層為可采煤層，其余7～8層均為不穩(wěn)定不可采的薄煤層。山西組含有本區(qū)主采煤層即3號煤。目前礦井開采3＃煤層。該煤層位于山西組下部，上距下石盒子組底砂巖（K8）52.7m，下距K5灰?guī)r36.70m，煤層厚4.88～5.95m，一般厚4.54m，傾角2～4o。煤層頂板為厚1.40m的黑色泥巖，底板為粉砂質(zhì)泥巖和粉砂巖。原煤灰份14.99～25.60%，平均為18.15%；揮發(fā)分4.68～5.87%，平均5.18%；容重為1.45m3/t。3＃煤層屬中灰、低硫、高--難熔灰分、高發(fā)熱量之無煙煤。3＃煤層無自燃傾向，煤塵無爆炸危險性。
2004年5月，經(jīng)重慶煤科分院鑒定我公司所開采的3號煤層為突出煤層，礦井屬于煤與瓦斯突出礦井。同時采用間接測定法對我公司3＃煤層瓦斯基本參數(shù)進(jìn)行了測量。測得3＃煤層原始瓦斯壓力為0.5275MPa,瓦斯平均含量為21.24m3/t,采煤落殘存瓦斯含量4.00 m3/t，煤的孔隙率為19.83%，煤對瓦斯吸附常數(shù)a=39.16,b=1.235,oa 透氣性系數(shù)1.2642m2/MPa2·d；鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)0.0021d-1；百米鉆孔初始瓦斯流量0.1034m3/min·100m，測量結(jié)果表明，3#煤層屬于可以抽放類型。
2、礦井目前抽放現(xiàn)狀
目前我公司對本煤層進(jìn)行抽放主要是靠調(diào)整布孔方式和改變鉆孔參數(shù)。
1）回采工作面抽放：回采工作面采用預(yù)抽和邊采邊抽相結(jié)合的抽放方法，即利用工作面回風(fēng)順槽向煤層打平行和交叉于工作面的鉆孔預(yù)抽瓦斯。該預(yù)抽鉆孔還可利用回采工作面推進(jìn)產(chǎn)生的卸壓作用，實施邊采邊抽煤層瓦斯，從而提高瓦斯抽放率，距離回采面10m時再拆除鉆孔。其抽放鉆孔布置參數(shù)為：
布置位置：回風(fēng)巷、進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)；
鉆孔角度：垂直巷道布置、進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)鉆孔上仰2～3°，回風(fēng)巷內(nèi)鉆孔0～1°；
開孔直徑：φ89mm；
終孔直徑：φ73mm；
鉆孔長度：100m
鉆孔間距：5—8m；
鉆孔距底板高度：1.2m；
封孔方式：聚胺酯封孔；
封孔長度：6m
2）掘進(jìn)工作面邊掘邊抽
掘進(jìn)工作面邊掘邊抽是在掘進(jìn)巷道兩側(cè)，隔一定距離，施工一個鉆場，在鉆場內(nèi)施工超前鉆孔，利用鉆孔抽放煤層中的瓦斯。布置參數(shù)為：
同側(cè)鉆場間距：50m；
每個鉆場鉆孔數(shù)量；3個
鉆孔位置：距巷道壁2m、2.3m、2.6m，分別為水平、上仰1°，上仰2°～3°；
鉆孔與巷道夾角：0°、3°、5°；
開孔直徑：φ89mm；
終孔直徑：φ73mm；
鉆孔長度：鉆場中60m，聯(lián)絡(luò)巷中35～50m
鉆孔距底板高度：1.2m；
封孔方式：聚胺脂封孔；
封孔長度：5～8m
3）采空區(qū)抽放及密閉巷道法抽放
我公司采空區(qū)瓦斯涌出量很小，可以不考慮，但隨著開采年限的增長，采空區(qū)面積將越來越大，采空區(qū)瓦斯涌出量將在礦井瓦斯涌出中占較大比重。采空區(qū)涌出的大量瓦斯無疑加重了礦井的通風(fēng)負(fù)擔(dān)。
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全封閉采空區(qū)抽放法
對于采空區(qū)，則采用鉆孔法抽放采空區(qū)瓦斯，即利用回采工作面的進(jìn)風(fēng)順槽，打鉆孔穿透進(jìn)風(fēng)順槽與運輸順槽間的隔離煤柱進(jìn)入工作面采空區(qū)，進(jìn)行抽放。即把瓦斯管直接插入采空區(qū)進(jìn)行瓦斯抽放。鉆孔間距30m，每根瓦斯管的末端2m內(nèi)要有孔眼，同時，施工時要盡量靠近煤層頂板，使之處于高濃度瓦斯帶。
從抽放的情況看，鉆孔測不出流量或流量極小（單孔流量0.013m3/min左右），抽放濃度在12%—58%。從抽放效果分析，平行結(jié)合交叉孔比單平行孔抽放效果好，尤其在3131工作面表現(xiàn)最明顯，抽放濃度普遍高于其它工作面，濃度最高達(dá)58%。因此今后布置鉆孔應(yīng)盡量布置平行交叉孔。
二、針對本煤層抽放存在問題，應(yīng)及時進(jìn)行改進(jìn)。
1、鉆孔的孔深和孔徑問題
本煤層鉆孔抽放瓦斯主要取決于煤體在鉆孔內(nèi)的暴露面積，因此鉆孔的孔深和孔徑越大，抽放效果越好。從目前情況看，我公司3#煤層鉆孔深度均不大，抽放濃度也都不高，今后我們應(yīng)向大孔徑、大孔深方向發(fā)展，將本煤層鉆孔直徑提高到120mm及以上，孔深按切眼長度減20m設(shè)計，從而提高抽放效果。
2、 鉆孔的布置問題
目前我公司3#煤層鉆孔的噸煤鉆孔量只有0.02m3/t，與國家標(biāo)準(zhǔn)0.03—0.05 m3/t還有一定的距離，因此必須切實提高本煤層鉆孔的布孔密度，將原有5—8 m的鉆孔問題縮小到3m，真正達(dá)到應(yīng)抽盡抽的效果。另根據(jù)我公司目前施工平行交叉孔比單平行孔抽放效果好的經(jīng)驗，對今后本煤層鉆孔應(yīng)盡量布置成平行交叉孔，與此同時應(yīng)避免施工下山孔，以減少鉆孔積水與積渣對抽放的影響。為解決瓦斯涌向開采空間的問題，還應(yīng)積極組織施工上鄰近層穿層鉆孔，對上鄰近層進(jìn)行抽放。
3、封孔問題
封孔質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到鉆孔抽放的效果。由于巷道兩幫承受頂板壓力，煤壁往里5m范圍內(nèi)有一個卸壓帶，在此卸壓帶內(nèi)，鉆孔容易通過產(chǎn)生的裂隙與巷道導(dǎo)通，造成漏氣，因此3#煤層鉆孔封孔深度要求達(dá)到10m，必須采用聚胺脂封孔，切實提高3#煤層鉆孔的抽放質(zhì)量。
4、提早拆除鉆孔的問題
從3#煤層抽放最好的3131工作面抽放情況看，3#煤層抽放鉆孔在距工作面12m左右時抽放濃度明顯增大。此時工作面前方煤體正承受采空區(qū)頂板的集中壓力，使煤體產(chǎn)生了較多裂隙，從而增加了煤體透氣性，隨著工作面前移，應(yīng)力集中帶也相應(yīng)前移，前部形成新的卸壓帶，在卸壓帶內(nèi)抽放瓦斯，鉆孔抽放濃度大幅升高。要求在本煤層抽放鉆孔距工作面小于5m時，方可進(jìn)行鉆孔拆除，盡量避免提早拆除鉆孔，以便在最佳抽放階段抽放瓦斯。
三、嘗試采用外界干預(yù)和其它技術(shù)手段改善煤層透氣性
1、采用深孔控制預(yù)裂爆破或松動爆破改善煤層透氣性
首先在煤體中打爆破孔，然后距爆破孔8—12m打直徑90—120mm的抽放孔，利用炸藥爆炸瞬間產(chǎn)生的高溫高壓爆生氣體，使煤體沿抽放孔方向產(chǎn)生更多的定向裂隙或其它裂隙，使松動裂隙區(qū)范圍從裝藥半徑的15—20倍增加到60—250倍，以提高煤的透氣性，達(dá)到提高抽放效果的目的。在抽放后期，當(dāng)回采工作面采至距抽放孔10—30米時，開始對抽放孔進(jìn)行低壓注水，利用爆破后煤體內(nèi)裂隙發(fā)育的有利條件，充分濕潤煤體，以抑制回采中瓦斯的涌出，同時也降低了煤塵。
2、采用高壓水邊注水邊抽瓦斯改善煤層透氣性。
鉆孔按10m間距施工，每間隔一個孔對鉆孔實施高壓注水，借助高壓水對煤體的壓力，使鉆孔周圍煤體中的應(yīng)力重新分布，進(jìn)而產(chǎn)生豐富的微小裂隙，然后對相鄰未注水的鉆孔實施抽放，使鉆孔抽放到較為豐富的瓦斯。
3、采用對煤體注氣的方法改善煤層透氣性
針對我公司各開采煤層內(nèi)瓦斯大多以吸附狀態(tài)存在的現(xiàn)狀，通過鉆孔向煤體內(nèi)注入高壓的惰性氣體（如氮氣），然后對相鄰的鉆孔實施抽放，其實質(zhì)是向煤層注入能量，改變壓力的傳導(dǎo)特性，增大解吸擴(kuò)散速率，從而達(dá)到提高抽放瓦斯量的目的。
4、采用交叉布孔方式布置鉆孔
交叉布孔方式，一是考慮鉆孔之間由于空間交叉，塑性變形區(qū)增大，增加了鉆孔在塑性變形區(qū)的卸壓圈，增大了鉆孔周圍的滲透性；二是鉆孔之間煤體裂隙連通，各抽放鉆孔間建立了瓦斯流通網(wǎng)絡(luò)，避免了某些鉆孔塌孔、堵孔使鉆孔瓦斯抽放量降低的弊端，從而提高鉆孔的瓦斯抽放量。
鉆孔瓦斯流量主要與鉆孔的見煤長度、煤層瓦斯壓力、滲透系數(shù)、鉆孔直徑等因素有關(guān)。決定鉆孔瓦斯流量的關(guān)鍵參數(shù)是瓦斯壓力和煤層滲透系數(shù)，特別是瓦斯壓力。但是煤層原始瓦斯壓力是不能改變的，而且我國目前含瓦斯煤層其原始瓦斯壓力一般都在4 MPa以下，只有極個別煤層的瓦斯壓力達(dá)到10 MPa以上。因此提高鉆孔抽放瓦斯量的關(guān)鍵在于如何提高煤層滲透系數(shù)和增大鉆孔直徑。只要根據(jù)我公司開采煤層的實際情況，對目前存在的問題進(jìn)行研究與探索，同時嘗試使用趨于成熟或新的技術(shù)手段改善煤層透氣性，從中總結(jié)出一套適合于我公司3#煤層抽放經(jīng)驗，對今后我公司3#煤層抽放技術(shù)能夠起到一定的指導(dǎo)作用。
