采空区瓦斯分布规律及瓦斯抽采方法的研究.pdf

第 4期 2 0 0 9 年 4月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n NO ． 4 Ap r ． 2 00 9 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 9 0 4 0 0 9 5 0 2 采空区瓦斯分布规律及瓦斯抽采方法的研究 沈广辉 ， 樊艳 虹。 ， 樊 斌。 ， 杜 冰 1 ． 平 煤 集 团 九 矿 ， 河 南 平顶 山4 6 7 0 4 4 ； 2 ． 平煤 集 团 物资供应总公司， 3 ． 平煤 集团 平宝煤业有 限公 司， 河南 平顶山4 6 7 0 0 0 摘要 采空区瓦斯涌出是矿井瓦斯涌出的重要组成部分， 文章详细描述了生产采空区和密闭采空区的瓦 斯 分布规律 及 其抽采 方 式 ， 并 结合 平煤 集 团九矿 采 空区 瓦斯 抽采 的 实 际情 况 ， 介 绍 了顶板 走 向钻 孔抽 采和 采 空区埋 管抽 采 等采 空 区瓦斯抽 采 方法 的应 用。 关键 词 采 空 区 ；瓦斯 涌 出；分 布规律 ；瓦斯 抽采 中图分类 号 T D 7 1 2 ． 5 2 ／ 7 1 2 ． 6 2 3 文献标 识码 A 0引言 对 一 个 矿井 而 言 ， 采 空 区瓦 斯 涌 出量 中的 一部 分 来 自现采 区 的采 空 区 ， 另一 部 分 则 来 自已采 区采 空 区。我 国多数矿 井 采空 区瓦斯 涌 出量 占全矿 井 瓦 斯 涌 出量 的 2 O ～ 4 5 ， 少 数 矿 井 为 5 O ～6 O ， 个 别矿 井达 到 7 0 ， 因此 ， 抽 采 采 空 区瓦 斯 对 矿 井 煤层气开发具有重要意义。笔者在分析生产采空区 和封 闭采 空 区瓦斯 分 布 规 律 的基 础上 ， 介 绍 了平 煤 集 团 九 矿 应 用 较 成 熟 的 2种 采 空 区 瓦斯 抽 放 方 法 ， 对 于采空 区瓦斯 抽 放具有 一定 的指 导意 义 。 1 生产 采 空区瓦斯 分布 规律 及 其抽采 在开采煤层采动影响下， 煤层 和围岩将发生移 动变形而卸压 ， 煤层透气性增大， 围岩裂隙也随之增 加 与扩张 ， 邻 近煤层 和 围岩 中的 瓦斯 即通 过 这 些 裂 隙流 动而 进入 开采 工作 面空 间和采 空 区 。开采 层 的 采动使周围岩层在倾斜方向上发生移动、 破坏和缓 慢下沉 ， 引起 地 层应 力 重新 分 布 。这 种 移 动 和破 坏 随着其与开采层距离的增加而减弱 ， 自下而上依次 出现冒落带 、 裂隙带和弯曲下沉带。处于 冒落带中 的煤层 、 煤 线和岩 层 由于失 去支 撑而 垮落 ， 其 中 的瓦 斯极易直接进人采空区； 裂隙带中的煤 、 岩层 由于下 部岩层垮落而断裂 、 离层， 形成 自下而上逐渐减弱的 收稿 日期 2 0 0 9 --0 1 1 0 作者简介 沈广辉 1 9 7 5 一 ， 男 ， 河 南平顶 山人 ， 本科 ， 助 理工程 师 ， 现主要从事煤 矿通 风安 全方 面 的工 作。E - ma i l s g h 2 7 3 9 1 4 1 1 6 3 ． c o m 垂直与水平裂隙 ， 甚至离层空洞 ， 处于裂 隙带 的煤、 岩层 中的瓦斯通过贯通裂隙 ， 在瓦斯压力作用下进 入采 空 区 ， 瓦斯 涌 出 强 度 随贯 通 裂 隙 自下 而上 逐 渐 减弱而衰减 ， 积聚在采空区顶板裂隙带的瓦斯量非 常大 ； 弯曲下沉带 中的煤、 岩层基本上是非 破坏性 的 ， 仅呈现弹塑性变形和整体弯曲下沉 ， 弯曲下沉的 上限甚至达到地表 ， 在弯曲下沉带 中的煤 岩层 中的 瓦斯不 会 或很少 向下移动 进入 采 空 区。 对 工 作 面 瓦斯 涌 出规律 的测 定 结果 表 明 ， 工 作 面回风流中的瓦斯大部分来 自采 空区， 在工作面正 常开采时 ， 采空区瓦斯涌 出量 占工作面总涌 出量 的 5 6 ． 4 9 ／ 6 ； 工作面检修时， 采空区瓦斯涌出量 占工作面 瓦斯 总 涌 出量 的 6 5 ． 2 。在采 空 区距 离 工作 面 2 0 m范 围 内， 瓦斯浓 度 波 动 较大 ， 且 浓 度 偏 低 ； 在 距 离 工作 面 2 O ～ 5 0 m 范 围 内 ， 采 空 区 瓦斯 浓 度 逐 渐 增 大 ， 可 以理 解为 按一 定梯 度增 加 。 所谓采空区抽采最佳位置是指实施抽采时能有 效 减少 工作 面 的瓦 斯 涌 出量 ， 以满 足 安 全 生 产 的 需 要 和达 到生产 煤层 气 目的 的抽采 位置 。试 验结 果表 明， 生产采空区瓦斯最佳抽采位置是在距离工作 面 3 0 6 0 m 的范围内。因此 ， 生产采空 区瓦斯抽采应 该通过钻孑 L 、 以裂隙为通道使抽采负压能够加速瓦 斯解吸， 解吸瓦斯再通过煤壁裂隙和顶板裂 隙流人 抽采钻孔 ， 这是能抽到高浓度瓦斯的原 因， 也是瓦斯 钻孔的重要作用点 。 生产采空区抽采是一项十分复杂的抽采工艺技 术 ， 目前普遍采用的方法主要有瓦斯道抽采法、 钻孔 抽采法 、 导人法 、 埋管抽采法 4种。生产采空区瓦斯 抽采的应抽强度与采面产量 、 风量、 推进距离、 瓦斯 9 6 工矿 自动 化 2 0 0 9年 4月 涌出量 的大 小 、 大 气压 力 的变 化 以及 采 空 区 三带 分 布状况等各种因素的影 响有着密切 的关系。当然， 条 件不 同 的采面 ， 这 些 因素影 响 的程 度也各 有差 异 。 2 封 闭采 空区瓦斯 分布 规律 及其抽 采 煤炭 开采 所带来 的大面积 封 闭采 空 区本 身就 是 天然的优 良瓦斯存储罐 ， 同时也是威胁安全生产的 重大危险源， 其 中储存 的大量高浓度瓦斯在通风负 压 的作用 和大气 压 力 变 化 的情 况 下 ， 可 能会 通 过 密 闭墙 或煤 柱裂 隙进 入 采 区或 矿 井 巷 道 中 ， 增 加 通 风 负 担和不 安全 因 素 。因此 ， 对 于封 闭采 空 区瓦 斯 的 抽采十分必要 ， 同时若加以合理开发利用， 其丰富的 高 浓度瓦 斯 对 煤 层 气 产 业 的开 发 具 有 极 其 重要 的 意 义 。 全封闭采空区抽采瓦斯效果在很大程度上取决 于 密闭墙 的气 密性 质 量 。一 般 情 况下 ， 全 封 闭 采 空 区的瓦斯抽采采用在 已封闭的采空区密闭墙中插入 抽采 瓦斯 管 的方 法直 接抽采 采 空区瓦 斯 。密 闭墙 的 构筑要保证 良好的气密性 ， 并设有观测管和泄水管 。 全封 闭采 空 区抽 采 瓦 斯浓 度 一 般 在初 期 较 大 ， 以后 逐渐降低到 2 0 ～2 5 ， 甚 至更小 ， 抽采量则 和采 空 区 内瓦斯 涌 出量 多 少 、 采 空 区范 围大小 以及 封 闭 采空 区 的时 间长短有 关 。但 是在 有煤层 自燃起 火 的 矿井 中进行 全封 闭 采 空 区瓦 斯 抽 采 时 ， 必 须 采 取相 应措 施避免 因抽 采 瓦 斯导 致 采 空 区或 密 闭漏 风 ， 从 而使残留煤 自燃 。封闭采空区瓦斯是煤矿区煤层气 产业 开发所 特有 的宝 贵资 源 ， 其 抽采成 本极低 ， 非 常 适合 与其 它煤层 气 开 发方 式 配 合 生产 ， 以降 低 煤层 气 的生产成 本 。 3采 空区瓦斯 抽采 方法 采 空 区的 瓦斯 抽 采方 法 很 多 ， 下面 主要 介 绍在 平煤 集 团九矿应 用 比较成 熟 的顶板走 向钻孔 法和采 空 区埋管 法 。 3 ． 1 顶板 走 向钻孔 抽采 控 制 上 隅 角 瓦 斯 的措 施 主 要 是 采 空 区 瓦斯 抽 采、 上隅角抽采等。采空区抽采和上隅角方法很多， 通常情况下采用顶板走向钻孔抽采和上隅角埋管抽 采联合的抽采方法。采用顶板走 向钻孑 L 法时， 钻场 距离煤层顶板上方约 1 ～2 m， 钻场深度为 5 ． 5 m。 钻场间距为 7 0 8 0 m， 为长短、 高低两排孔， 终孔位 于距 离 煤 层 顶 板 1 O ～2 0 m、 距 风 巷 的水 平 距 离 为 5 ～3 O m 处 ， 钻孔 终孔间距为 5 ～1 0 m， 长孔 为 I 1 0 m， 短孔 为 7 5 m， 钻场 间钻孔压茬长度 为 3 0 4 0 m。 选择合理的高位钻孔终孔位置是该抽采方式效 果好 坏 的关键 。受 回采 速度 的影 响 ， 工作 面推 进过 快 ， 相对采空区顶板岩层移动和变形较慢， 若顶板钻 孔布置层位过高， 靠近工作面侧采空区顶板岩层裂 隙发育不充分 ， 就会 降低瓦斯抽采效果， 因此， 对于 综采工作面的顶板钻孔层位布置应根据工作面的推 进速 度 、 老顶来 压 步距 、 顶 板 岩 性 等综 合 考 虑确 定 。 根据实测， 工 作面裂 隙带最 大发 育高度 为采高 的 7 倍 左 右 ， 钻 孔终 孔 布 置 在 煤 层 顶 板 6倍左 右 的高 度 时 ， 钻孔 抽 采 瓦斯 浓 度 可 达 6 O 以上 ， 但 抽 采 流 量小 ， 阻力 大 ， 抽 采泵 负压 达 5 O k P a以上 ， 抽采 流量 仅为额定流量的 1 O 。通过对抽采效 果的考察发 现 ， 合 适 的钻 孔 位 置 在 冒落 拱 的 顶 部 ， 抽 采 浓 度 不 高， 但抽采流量大。因此， 钻孔 终孔应 布置在 3 ～ 6 倍 的采 高处 ， 即距 煤层 顶板 1 0 2 0 m 的位置 。 在采 空 区 流场 中 ， 瓦斯 聚 集 区一 般 位 于风 巷下 1 0 m 左 右 ， 布 置 在 该 区 域 内 的 钻 孔 瓦 斯 浓 度 大 ， 一 般 为 4 5 ～ 5 0 ， 因此 ， 钻 孔 在倾 向 上 应 布置 在 该 区域 ， 对邻 近层 瓦斯 和采空 区瓦斯 进行 拦截 ， 减少上 隅角 瓦斯 涌 出。 3 ． 2采 空 区埋 管抽 采 采 空 区埋管 抽采通 过安 装管 路直接 抽采 采空 区 瓦斯 ， 尽量减少采空区瓦斯流入工作面。该方式预 先在 回风 巷 安 装 金 属 抽 采 管 路 与 矿 井 抽 采 系统 相 连 ， 金 属抽 采 管直 径 为 2 0 0 ～3 0 0 mm。随 着工 作面 向前 推进 ， 管路 的末端 吸气 口 进 入采 区 。 4结语 采 空 区抽采 是 治 理 瓦斯 的 最 主要 的途 径 之一 ， 其抽 采方 法很多 。由于生 产采空 区 和封闭采 空 区的 瓦斯 涌 出成 因不 同 ， 使 得形 成 的瓦 斯 分布 规 律 也不 同， 因此 ， 必须根 据 各采 空 区的 实 际情 况 ， 选 择合 理 的抽 采方 法进行 瓦斯 抽采 。文 中介绍 的顶板 走 向钻 孔采 和采 空区埋 管抽 采法 在平煤 集 团 九矿 应用较 多 ， 技术成熟， 且取得了较好的瓦斯抽采效果 。 参考文献 [ 1 ] 王岩森 ， 马立 强， 顾永功．矿压显现 对工作面 瓦斯 涌出 规律影响分析E J 3 ． 煤矿安全 ， 2 0 0 4 1 1 1 9 ～2 2 ． [ 2 ] 俞启香．矿 井瓦 斯 防治 [ M] ．徐州 中国矿业 大学 出 版社 ， I 9 9 2 ．