采面外丝随采随抽方法及影响因素探讨.pdf

采面瓦斯随采随抽方法及影响因素探讨 廖斌琛 （淮南矿业集团 生产部，安徽 淮南 “） ［摘要］高、突瓦斯煤层回采工作面及回风流瓦斯超限是现场瓦斯管理的一大难题，瓦斯涌 出量 “’ 以上的工作面，仅靠通风解决不了瓦斯超限问题，有效的办法是进行瓦斯抽放。由于 采场接替、抽放效果等诸多原因，随采随抽瓦斯方法为首选。文章对随采随抽方法及影响因素进行了 分析，并介绍了有效的抽放方法。 ［关键词］采面；瓦斯抽放；随采随抽 ［中图分类号］*,-［文献标识码］. ［文章编号］/0/,（）1020, ［收稿日期］ 3 3 4 ［作者简介］廖斌琛（5/“ 3 ） ，湖南涟源人，高级工程师，542 年湘潭矿业学院采矿系毕业，现任集团公司生产技术部副部长。 近年来，随着开采深度的增加，回采工作面的 绝对瓦斯涌出量不断增大，多数高、突瓦斯煤层回 采工作面的瓦斯涌出量达到了 6 2“’，仅靠 通风解决不了瓦斯超限问题。因此，回采工作面瓦 斯抽放受到了高、突瓦斯矿井的重视。由于在经济 效益、抽放时间、抽放效果等方面具有明显优势， 回采面的随采随抽瓦斯成为首选。依据现场实践中 的做法，就采面瓦斯随采随抽的方法和影响随采随 抽效果的有关因素，文章进行粗浅分析，并介绍了 淮南矿区广泛使用、效果显著的抽放方法。 采面瓦斯涌出规律 采面瓦斯涌出量来自两个部分，一是煤壁及采 落煤体涌出的瓦斯，该部分瓦斯直接进入工作面的 风流，成为不可控制并必须由风流带走的瓦斯；二 是采空区涌出的瓦斯，该部分瓦斯由采空区遗煤及 未采煤体，如煤层的下分层、邻近层涌出瓦斯或其 二者的结合所组成，主要从回风隅角涌出进入回风 流，小部分在回风隅角形成瓦斯积聚。 从淮南矿区的统计分析来看，第 部分瓦斯占 总涌出量的 “7 6 ,7；第 部分瓦斯占总涌出量 的 ,7 6 7。由此可知，要减少采面瓦斯涌出 量，只能靠抽放采空区瓦斯和预抽工作面前方煤体 瓦斯。由于受预抽时间、抽放条件、特别是煤层透 气性的限制，直接抽放工作面前方煤体瓦斯的效果 普遍较差，且采面总瓦斯涌出量的大部分来自采空 区，因此，采面随采随抽的目的是要减少涌入工作 面及回风流的总瓦斯量（消除回风瓦斯超限）和消 除回风隅角瓦斯积聚。 “采面随采随抽瓦斯原理 “抽放煤体内瓦斯 瓦斯是煤的伴生物，以吸附和游离于煤的孔、 裂隙的形式存在于煤体中，并以某种规律在煤体中 流动（运动） 。大多数学者认为瓦斯在煤层中的流 动基本符合达西定律，并经过现场实测得出了瓦斯 流动的经验公式，其形式如下 “ 式中，、 为常数，其值与煤的透气性系数、煤 层瓦斯含量系数、煤层原始瓦斯压力、煤层暴露面 瓦斯压力、钻孔直径等因素有关， 8 9 ； 为排放瓦斯在 时煤暴露面的比流量，“； 为排放瓦斯时间，。 该式也可用来判别煤层瓦斯抽放的难易程度。 因此，抽放煤体内瓦斯一是通过钻孔并给其一 定的压力（负压） ，使煤体孔、裂隙内游离瓦斯和 部分解吸瓦斯被抽出；二是利用地应力的变化、注 水等使煤层原始压力、透气性系数、暴露面瓦斯压 力发生变化，增大比流量及其随时间的变化，抽放 更多的瓦斯。 ““抽放采空区瓦斯 ““采空区上覆岩层冒落裂隙分布特征 煤层开采后，其上覆岩层（顶板）在冒落、下 沉过程中形成两类裂隙（底板也能形成裂隙，此处 以顶板为例来说明） ，一类是岩层下沉时，由于岩 性、层厚不同，使岩层产生非均匀下沉，并在下沉 2 年增刊 （总第 2 期）煤矿开 采 年 月 万方数据 过程中在层与层及层理之间出现沿层裂隙，称之为 离层裂隙；另一类是岩层下沉过程中弯曲、断裂形 成的垂直岩层的裂隙，称之为穿层裂隙。正是这两 类裂隙的产生和分布的不均性，使部分岩层冒落， 部分岩层离层、断裂，部分岩层仅仅弯曲下沉。当 采空区上覆岩层运动趋于稳定后，可近似地将其划 分为所谓“竖三带” 、 “横三区” （见图 ） 。即在采 空区沿垂直方向由下而上分为冒落带、裂隙带、弯 曲下沉带；沿工作面推进方向（走向）及倾斜方向 分为煤壁支撑影响区、离层区、重新压实区。重新 压实区位于采空区中部，随着工作面的不断推进， 靠工作面煤壁的原离层区被逐步压实成为新的“重 新压实区” ，故重新压实区是随工作面的推进而移 动的，而开切眼侧和上下顺槽侧的离层区由于煤柱 的支撑作用，能较长时间地存在。这些能长时间存 在的离层区和工作面空间相互贯通，形成一个连通 的环形圈（见图 “） ，即人们通常所说的“”形 圈。 图 竖三带与横三区 冒落带；“裂隙带；弯曲下沉带；煤壁支撑影响角； 煤壁支撑影响区（ ’） ；离层区（’ ） ； *重新压实区（ ） 图 “ “”形圈示意 ““采空区瓦斯的流动及分布 采空区瓦斯的流动至少受到 , 种力的作用对 工作面围岩和邻近煤层来说，采空区是一种应力释 放区，邻近层瓦斯在原始压力作用下，通过顶底板 裂隙大量涌入采空区；二是通风动力使工作面及采 空区两端产生压差，风流带动瓦斯向低压端流动； 三是瓦斯的密度为空气密度的 -.//0 倍，空气浮力 使瓦斯向上运移。以上行通风为例，由于这 , 种力 的共同作用，采空区的瓦斯将沿工作面倾斜方向向 上流动并经上隅角涌出。同时由于“”形圈的存 在，为采空区及上覆岩层裂隙带内瓦斯的流动和储 存提供了通道和空间，而距工作面较近的采空区， 漏风量较大，部分瓦斯得以稀释，距工作面较远处 冒落区逐渐被压实，“”形圈边缘空间减少，瓦 斯储存量减少。因此，采空区瓦斯沿工作面倾向呈 上大下小；沿走向距工作面一定范围内呈由小到 大，随距工作面距离增大又由大到小的趋势分布 （见图 ,） 。 图 , 采空区沿工作面走向瓦斯浓度分布 ““采空区瓦斯抽放原理 由于“”形圈存在的空间是采空区瓦斯流动 和聚集的主要地方，且瓦斯的流动和聚集呈一定的 规律分布，显然，采空区瓦斯抽放的原理就是要利 用采动裂隙“”形圈这一岩层移动特征，分析并 掌握瓦斯聚集分布规律，将抽放的着眼点放在瓦斯 浓度最高、聚集量最大的部位，选择合理的抽放方 法和适当的抽放系统，尽量多地抽出采空区积聚瓦 斯，改变或部分改变采空区瓦斯流向，达到消除上 隅角瓦斯积聚、回风流瓦斯超限的目的。但“” 形圈的产生及其空间几何尺寸与顶板岩性、岩层厚 度、地质构造、工作面采高、推进速度等因素有 关，这些都影响抽放方法的选择和抽放效果。 采面瓦斯随采随抽方法 按抽放瓦斯的来源可分为抽放本层瓦斯和抽放 ,0 “-- 年增刊 （总第 01 期）煤矿开 采“-- 年 “ 月 万方数据 邻近层瓦斯；按抽放点位置不同可分为本煤层内抽 放（顺层抽放） 、顶底板抽放和采空区抽放。顶板 抽放又分为顶板走向钻孔抽放和巷道抽放；采空区 抽放可分为埋管抽放和钻孔抽放。 抽放本层瓦斯，是指不能 次采全高的中厚及 厚煤层顶分层或放顶煤回采工作面的抽放，其瓦斯 来自本煤层。该种工作面的特点是采空区瓦斯涌出 量占工作面瓦斯总涌出量的 “以上，上隅角极 易形成瓦斯积聚。采取抽放措施最好既能减少煤壁 涌出的那部分瓦斯，又能解决上隅角的瓦斯积聚问 题。抽放方法可以采用顺层抽放（平顶山、焦作、 永荣等矿区使用较多）或顶板抽放（淮南、淮北、 辽源等矿区使用较多） ，或采空区抽放，或采用其 中二者乃至全部。 抽放邻近层瓦斯，是指开采保护层或本层瓦斯 不大，其瓦斯主要来自邻近层的工作面，此类工作 面的特点是瓦斯涌出量的 ’来自邻近层 经采空区涌出，抽放的目的是拦截邻近层瓦斯。拦 截邻近层瓦斯可采用顶、底板抽放（阳泉使用效果 较好）和采空区抽放（抚顺、铁法等矿区使用效果 较好） 。 随采随 抽方法 抽放本层瓦斯 顺层抽放 钻孔抽放 采空区抽放 钻孔抽放 {埋管抽放 顶（底）板抽放 巷道抽放 {          钻孔抽放 抽放邻近层瓦斯 采空区抽放 钻孔抽放 {埋管抽放 顶（底）板抽放 巷道抽放 {                       钻孔抽放 影响因素 影响采面随采随抽瓦斯效果的因素包括自然 （客观）因素和人为（主观）因素两类。自然因素 主要有煤层的透气性、顶底板岩性、瓦斯来源等， 人为因素主要有钻孔或巷道布置位置和布置方法、 工作面采高、推进速度、钻孔个数、封孔质量、抽 放设备能力及抽放管路直径等。 采用的抽放方法不同，影响因素对抽放效果的 影响也不同。但有些因素对各种抽放方法的影响基 本相同，如煤层顶底板岩性、抽放设备、抽放管径 等；有些因素仅对某种抽放方法有影响，如煤层透 气性仅对顺层抽放效果有影响，钻孔数量、孔径、 封孔工艺及质量、地质构造主要对钻孔抽放方法有 影响。 “抽放方法与影响因素的关系 “顺层抽放与影响因素 影响顺层抽放效果的主要因素是煤层的透气 性，其次是抽放的孔口负压。煤层透气性越大，孔 口负压越高，抽放效果越好。煤层透气性的大小取 决于煤体孔隙与裂隙的发育程度，发育程度一是在 成煤过程中所固有；二是与地应力有关。因此，不 同的煤层和埋藏深度，其空隙、裂隙尺寸、结构形 式以及发育程度的差别很大。一般地说，煤的硬度 系数越大，孔、裂隙越发育。地应力较小时，裂隙 伸张，透气性增大；地应力增大时，裂隙闭合程度 增大，透气性变小。所以，工作面煤壁前方卸压范 围（现场实测 *）内的钻孔抽放效果较好。同 时，煤体暴露面（如钻孔内）瓦斯自然排放的比流 量越大，或其随时间的变化值越大，说明煤层瓦斯 容易涌出来，抽放越容易。 “采空区抽放方法及影响因素 采空区抽放主要有埋管抽放和钻孔抽放，目前 只在少数矿区有较好的效果，如抚顺、铁法、辽源 等矿区。影响其抽放效果的至关因素是采空区能否 长时间形成较大的空间和管路埋放的位置、工艺。 如果煤层的伪顶或直接顶很厚，及时冒落充填了采 后空间，使工作面风巷上帮煤壁与采空区空间较 小，即“”形圈宽度和高度很小，就难以实现预 期的抽放效果。 “顶（底）板抽放方法与影响因素 顶（底）板抽放主要有钻孔抽放和巷道抽放， 影响其效果的因素很多，如顶（底）板岩性、层 厚、地质构造、钻孔或巷道布置位置、钻孔数量、 抽放设备能力等。 “顶板岩性对抽放的影响 顶板岩层的岩性不同，“”形圈及裂隙的空 间尺寸就会不同，如顶板岩性致密、坚硬，单层厚 度较大，其断裂块长度较大，裂隙较少而“”形 圈空间可能较大；岩性太软，易碎易冒，易被重新 压实，很难形成大的空间。淮南矿区部分煤层工作 面顶板计算机数值模拟分析和相似材料模拟试验研 究得出的顶板冒落、裂隙规律见表 。 , 年增刊 （总第 - 期）煤矿开 采, 年 , 月 万方数据 表 不同煤层工作面顶板裂隙发育区域 序号顶板岩性厚度“顶顶岩性厚度“ 灰色中粒砂岩细砂岩’’ 灰色细砂岩粉砂质粘土岩** *,-煤层. / 0煤层0 砂质泥岩 0灰色泥岩粉砂质粘土岩’- ,’煤层0. / 煤层 采高,’煤层工作面0. / 煤层工作面0 “1” 形圈及 裂隙最发 育区 （以风 巷为界） 倾斜方向 2 垂直方向 2 0 倾斜方向 2 * 垂直方向 2 ’ 由此可知，将钻孔布置在表中所示区域，可收 到好的抽放效果，现场实际也证明了这一点。 ““地质构造的影响 地质构造如褶曲、断层对钻孔的布置和抽放效 果影响很大，褶曲使钻孔很难落在设计的层位和最 佳抽放位置，导致钻孔有效利用长度缩短。钻孔在 施工过程中往往难以通过断层，既使通过了，断层 带附近钻孔也不能成型，并且断层带往往漏气，影 响抽放效果。这些都是现场经常碰到的问题，因 此，钻场及钻孔的布置应尽量避开地质构造带。 ““工作面采高与推进速度的影响 工作面采高也是影响钻孔布置的一个参数，一 般来说，采高越大，顶板冒落带的高度越大，钻孔 布置的位置也应高一些。工作面推进速度对钻孔布 置的影响也不可忽视。众所周知，工作面老顶总要 经历一个下沉变形、产生裂隙、断裂冒落的过程， 岩性一定，其冒落步距（周期来压步距）也基本已 定。如果工作面推进较慢，该过程的时间要长一 些，裂隙比较发育，钻孔布置在裂隙带内，也能抽 到大量瓦斯；反之，若工作面推进过快，老顶很快 断裂冒落，能产生裂隙的上覆岩层裂隙带离工作面 已较远。因此，抽放钻孔应尽量布置在冒落带的顶 部。现场证实推进速度较快的综采工作面（采高 左右） ，垂直方向 ’ 2 0 是抽放的最佳区域； 而月进度在 以下的炮采面（采高 0 左右） ， 钻孔在 0 2 0 的高度仍能有效抽放瓦斯。 ““钻孔数量与孔径的影响 显而易见，抽放钻孔的数量与需抽放的瓦斯量 有关，总瓦斯涌出量 0“34 以上的工作面，考 虑到最大供风量等因素，抽放率应达到 5 2 5，即抽放量不得小于 “34。而每个钻孔的 抽放量是有一定规律的，经过多个工作面的观测， 单孔流量一般在 2 “34，因此，每个钻场的 钻孔数量要根据需抽放量合理确定，一般不宜少于 个。较大的钻孔孔径不仅可以降低抽放阻力，增 加抽放量，同时，孔径和钻孔数量也有一定的关 联。根据现场多个工作面的观测，相同抽放条件 下，增大孔径可以适当减少钻孔数量（见表 0） 表 0 孔径与孔数对抽放量的影响 抽放量 “ 34/ 孔径“ 钻孔个数 “个 ’ 0 - ’ ’’ ““封孔工艺和封孔质量的影响 封孔工艺和封孔质量是影响抽放效果的一个关 键因素，如果封孔质量不高，造成钻孔漏气，就形 不成高的抽放负压，抽放浓度不高，抽放效果就 差。提高封孔质量，除了钻孔尽量在坚硬的岩层内 开孔，保证开孔规整外，主要和封孔工艺、封孔材 料、封孔长度等有关。为了保证封孔质量，目前我 们要求封孔长度不小于 ，这样，人工封孔显然 难以保证质量，特别是采用黄泥、水泥沙浆等材料 时，必须要用机械封孔工艺。 ““抽放系统的影响 影响抽放效果的另一关键因素是抽放系统，即 抽放设备和抽放管径。要能有效地抽出采空区瓦 斯，必须要有一定的抽放能力做保证。抽放系统的 配置，首先要根据需抽放的瓦斯量和预见的抽放浓 度确定抽放泵的流量，其次是根据钻孔的位置（冒 落带或裂隙带）和孔径及抽放泵的流量、真空度选 择抽放管路、管径。如果配置得当，既能提供足够 的孔口负压（必须远大于工作面上端的通风负压） ， 又有较大的流量，抽放效果就好，否则，如果配置 不尽合理，抽放效果就要受到影响。某矿一个工作 面，采用 0 台 0,6 / 0 抽放泵抽放时，抽放量为 -2 0“34，改用地面大系统抽放后，井下抽放 钻孔数量、孔口负压均基本未变，抽放量却达到 2 0“34。通过现场测定，一般认为如果钻 孔孔径为 ’，钻孔落点在冒落带或冒落带与裂 隙带的接合部，则孔口负压不宜低于 78，其 它情况则在 0 2 0’ 78 效果较好；抽放泵流 量（实际流量）不应小于需抽放瓦斯量的 0 倍；为 * 0 年增刊 （总第 * 期）煤矿开 采0 年 0 月 万方数据 确保达到应有的孔口负压和流量，采面抽放管路的 管径最小不能小于 “。 淮南矿区有效的随采随抽瓦斯方法 经过几年的摸索和实践，顶板走向钻孔和顶板 巷道随采随抽抽放方法被证实是适合淮南矿区的、 有效地治理采面瓦斯的方法，已在矿区得到广泛应 用，并取得了良好的经济效益和安全效益。 表 顶板抽放采煤工作面经济效益分析 项目风巷风排 风巷加尾 巷风排 风巷加钻 孔抽放 风巷加巷 道抽放 平均单进 ’ 综采***, 炮采*-** 年产量 万 . / 综采“*“0*,,* 炮采“**1* 措施总投入 万元 / 综采1“,1 炮采1001 增产效益 万元 / 综采1-1“1 炮采“-1 增获利润 万元 / 综采1-1 炮采-“01 注表中措施总投入包括巷道、钻场、钻孔、封孔材料，抽放 设备、管路、电费等，增产效益以吨煤利润 “1 元，年工作日 11’ 计算。 目前采用顶板走向钻孔抽放，采面抽放率达到 12 3 012；采用顶板巷道抽放，采面抽放率达到 了 12 3 “12，大大降低了采面瓦斯超限的频率 和幅度，瓦斯超限的次数降低了 ,12以上，基本 杜绝了上隅角瓦斯积聚，基本摈弃了用尾巷处理瓦 斯的做法。部分工作面抽放经济效果比较见表 。 “结语 随着以经济效益为中心，建设高产高效矿井工 作的不断推进，开采强度越来越大，同时随着开采 深度的增加，采面瓦斯涌出量越来越大是其必然的 趋势。如何治理好采煤工作面的瓦斯，使之发挥最 大的生产能力，满足高产高效的需求，是广大通风 工作者和工程技术人员必须思索和探讨的问题，采 面随采随抽即是有效治理采面瓦斯的方式之一。 采面随采随抽瓦斯的方法很多，应根据采面的 具体条件适当选用。对于煤层透气性低，不具备长 时间预抽条件的采面，采用顶（底）板走向钻孔或 巷道抽放方法不失为有效的选择。 影响采面随采随抽瓦斯效果的因素很多，各种 因素与抽放方法之间的关系是复杂的，随采面具体 条件不同而变化的。因此，对一个具体的采面，必 须认真分析各种因素的影响程度，选择适当的抽放 方法并合理配置抽放系统，经过实践摸索，找到最 佳抽放点，才能达到理想的效果。 ［责任编辑崔德仁］ （上接 页） 加强固定资产管理。从实物形态的固定资产入 手，由行政型管理向经营型转变。落实资产占用单 位的责任，各单位行政负责人负领导责任，分管领 导和管理人员负具体责任，对保值增值负责。明确 固定资产的处置权限。 加强内部审计，重点是经济责任、经济决策、 经济效益和物耗专项审计，以及内控系统评审、打 假治乱等。关注其事前、事中和生产物耗的审计 ， 加大惩处力度，对违规违纪行为，一经发现，严肃 处理。 完善工资分配。理顺分配关系，完善经营者年 收入办法，对专业技术、管理、营销等关键岗位、 重要岗位的拔尖人才、技术工人骨干和有贡献的人 员，实施特殊的激励政策。 （五）整合多种经营，推进中小企业步入良性 循环 重点是推行“双置换、双推向” ，实现产权多 元化。进行产权制度改革与重组试点，做好下属企 业的产权界定、资产评估、股权量化等工作。抓好 重点扶持产品的专业化重组，推进内部整合，采取 多种形式放开搞活其它中小企业，逐步提高经济运 行质量和效益。抓好新上项目建设，已立项的要积 极筹措资金，按照项目法人责任制，尽快开工建 成，形成新的增长点。加强产品质量认证，提高市 场竞争能力。发挥土地资源十分丰富的优势。抓好 基地建设，努力向产业化发展。 （六）以提高职工生活水平为根本出发点，努 力维护矿区政治经济大局的稳定 提高职工生活水平和质量，不仅是企业各项工 作的落脚点，也是企业发展和稳定的结合点。要依 靠经济发展，尽可能地提高职工的收入。确保下岗 职工的基本生活和基本养老金按时足额发放。建立 再就业资金专户，组建劳动力市场和再就业培训基 地，帮助下岗职工实现再就业。 ［责任编辑刘霞］ 0 11 年增刊 （总第 - 期）煤矿开 采11 年 月 万方数据