周小剛+莊園+張家彬

摘要：我國(guó)煤礦瓦斯抽放技術(shù)已走向成熟，但大多數(shù)地區(qū)實(shí)際應(yīng)用效率低下，瓦斯問(wèn)題仍制約著煤礦安全生產(chǎn)。為了提高長(zhǎng)治地區(qū)瓦斯抽放效率，有效解決礦井瓦斯問(wèn)題，在該地區(qū)中20多座大中型煤礦開(kāi)展科研項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，分析該地區(qū)瓦斯抽采存在的諸多問(wèn)題，獲得了瓦斯抽放系統(tǒng)的優(yōu)化方法，為礦井瓦斯抽放提供了必要的技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：瓦斯預(yù)抽；鉆孔；鄰近層；技術(shù)優(yōu)化；展望；

1 我國(guó)瓦斯抽采技術(shù)現(xiàn)狀

礦井瓦斯對(duì)煤礦安全生產(chǎn)工作的突出性危害有三個(gè)大方面爆炸、突出和窒息。特別的，煤礦瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出事故不僅能對(duì)礦井巷道設(shè)施造成巨大的毀壞如井巷垮塌，而且常常會(huì)導(dǎo)致礦井火災(zāi)、水災(zāi)和煤塵爆炸等二次、甚至多次礦井災(zāi)害事故的連續(xù)發(fā)生[1]。更嚴(yán)重的是，此類(lèi)事故會(huì)造成大量煤礦工人的傷亡和難以估計(jì)的財(cái)產(chǎn)損失。因此，煤礦瓦斯抽采工作，勢(shì)在必行。

2 山西長(zhǎng)治地區(qū)主要可采煤層及瓦斯情況

根據(jù)地質(zhì)資料，山西省長(zhǎng)治地區(qū)位于沁水煤田東部，受燕山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制。由于東西向主壓應(yīng)力作用，構(gòu)造變動(dòng)在形態(tài)上主要表現(xiàn)為大型開(kāi)闊褶皺；大部分為第四系黃土覆蓋，主要含煤地層有：石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）由灰-深灰色砂巖、粉砂巖、泥巖、煤層及石灰?guī)r組成；二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）由砂巖、粉砂巖、泥巖及煤層組成。

該區(qū)屬于煤層富集帶，區(qū)內(nèi)山西組、太原組煤層多達(dá)13層，其中：3-2、3-3、8-1、8-2、12、15-2、15-3為可采煤層。山西組3號(hào)煤層為該區(qū)主要可采煤層，在南部長(zhǎng)治縣到屯留縣境內(nèi)3號(hào)煤層基本沒(méi)有分層，平均厚度6m，從襄垣縣北部開(kāi)始以北地區(qū)分為3-1、3-2、3-3三個(gè)分層，根據(jù)襄垣縣上良煤業(yè)地質(zhì)資料上分層3-1未達(dá)到可采厚度，中層3-2厚度1.26-1.30m，屬薄-中厚煤層，3-3煤層厚2.56-2.77m，為中厚煤層。武鄉(xiāng)縣境內(nèi)3-1、3-2煤層尖滅，3-3分層變薄。根據(jù)武鄉(xiāng)縣溫莊煤業(yè)地質(zhì)資料，3號(hào)煤層厚度0.55～2.0m，平均1.18m。

太原組8-1、8-2、12、15-2號(hào)煤在該區(qū)南部基本屬薄煤層，井田內(nèi)穩(wěn)定性較差，屬局部可采煤層。15-3號(hào)煤層在井田內(nèi)屬穩(wěn)定煤層，厚度多在1.30-2.50m之間，為太原組之主要可采煤層。其余大多數(shù)未達(dá)可采厚度。自襄垣縣以北至武鄉(xiāng)縣地區(qū)，15號(hào)煤層逐漸增厚，據(jù)三元福達(dá)煤業(yè)地質(zhì)資料，15號(hào)煤層厚度3.70～4.97，平均厚度4.47，全區(qū)穩(wěn)定可采，為該井田范圍內(nèi)主要可采煤層。該區(qū)內(nèi)煤層煤類(lèi)大多屬貧煤，為優(yōu)良動(dòng)力用煤。

3 瓦斯抽采現(xiàn)狀

長(zhǎng)治地區(qū)多數(shù)煤礦為高瓦斯礦井，均已安裝瓦斯抽采系統(tǒng)，其中90%為地面瓦斯抽采系統(tǒng)，且在建的居多，抽采能力勉強(qiáng)滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。由于技術(shù)力量及礦井生產(chǎn)遺留問(wèn)題影響，瓦斯抽采方法及抽采系統(tǒng)存在眾多問(wèn)題。

瓦斯抽采方法的選用主要依據(jù)瓦斯來(lái)源、煤層賦存狀況、采掘布置、開(kāi)采條件等因素綜合考慮。常用瓦斯抽采方法有：開(kāi)采層瓦斯抽采、鄰近層瓦斯抽采和采空區(qū)瓦斯抽采。

4 瓦斯抽采方法及存在問(wèn)題

該區(qū)目前主要開(kāi)采3號(hào)和15號(hào)煤層，瓦斯抽采以針對(duì)鄰近層和采空區(qū)為主。抽采方法主要采用高位鉆孔。部分礦井兼用上隅角插管方法，少數(shù)礦井兼用本煤層預(yù)抽方法解決開(kāi)采層瓦斯。

目前存在的主要問(wèn)題：

1）本煤層瓦斯預(yù)抽不足

長(zhǎng)治地區(qū)原小煤礦占多數(shù)，大多數(shù)礦井生產(chǎn)接續(xù)條件限制了煤層瓦斯預(yù)抽時(shí)間。本煤層瓦斯沒(méi)有得到充分預(yù)抽，回采工作面煤壁瓦斯涌出量大，上隅角瓦斯超限次數(shù)多。多數(shù)礦井對(duì)本煤層瓦斯預(yù)抽重視不夠，一些礦井隨采用本煤層預(yù)抽，但對(duì)預(yù)抽時(shí)間、鉆孔參數(shù)等無(wú)計(jì)算和設(shè)計(jì)，盲目施工。

2）鄰近層瓦斯抽采效率低下

長(zhǎng)治地區(qū)煤層賦存屬于近距離煤層群，工作面瓦斯來(lái)源中鄰近層占很大比例。開(kāi)采之前或開(kāi)采過(guò)程中抽采鄰近層瓦斯能有效減少工作面瓦斯涌出量，減輕通風(fēng)壓力。尤其回采過(guò)程中鄰近層及現(xiàn)采采空區(qū)抽采有投資少、可操作性強(qiáng)、見(jiàn)效快等特點(diǎn)。這種方法目前被廣泛應(yīng)用，多數(shù)礦井以這種方法為主。但由于技術(shù)力量不足，缺少具體研究與設(shè)計(jì)，多數(shù)礦井鄰近層瓦斯抽采達(dá)不到理想效果。

5 瓦斯抽采技術(shù)優(yōu)化

1） 本煤層預(yù)抽技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)鉆孔自然瓦斯涌出特征[1] ，t時(shí)刻百米鉆孔瓦斯涌出量qt=q0e-at

通過(guò)0～t時(shí)刻積分，百米鉆孔在t時(shí)間內(nèi)可抽瓦斯總量為：

a 鉆孔間距計(jì)算：

應(yīng)用表1中最接近平均值的上莊煤業(yè)數(shù)據(jù)為例，通過(guò)計(jì)算不同抽采時(shí)間下煤層瓦斯預(yù)抽總量和鉆孔瓦斯抽采有效系數(shù)確定瓦斯預(yù)抽時(shí)間。

鉆孔抽采有效系數(shù)可根據(jù)百米鉆孔t時(shí)間內(nèi)抽采瓦斯總量與理想狀態(tài)（0～∞時(shí)間內(nèi)）極限瓦斯抽采量之比求得：

式中：Qt——百米鉆孔在t時(shí)間內(nèi)可抽瓦斯總量，m3；Qj——百米鉆孔理想狀態(tài)下極限瓦斯抽采量，m3T——抽采時(shí)間，d； K——鉆孔抽采有效系數(shù)，%；α——百米鉆孔自然瓦斯流量衰減系數(shù)，d-1；

b 鉆孔間距計(jì)算

鉆孔抽采影響范圍內(nèi)的瓦斯抽采率可以根據(jù)不同半徑體積煤體中瓦斯抽采量與該范圍內(nèi)瓦斯總含量之比求得：

式中：η-鉆孔抽采影響范圍內(nèi)的瓦斯抽采率，%；L-鉆孔長(zhǎng)度，L=100m；M-煤層平均厚度，m；D-鉆孔抽采影響范圍（直徑），m；Y-煤的平均容量，t/m3；X-煤層平均瓦斯含量，m3/t。

根據(jù)我國(guó)煤層預(yù)抽瓦斯目前水平，按照瓦斯抽采基本指標(biāo)[3]，上莊煤業(yè)抽采鉆孔影響范圍內(nèi)瓦斯抽采率應(yīng)大于40%，為了既減少鉆孔工程量又保證抽采效果，鉆孔預(yù)抽時(shí)間為5個(gè)月時(shí)單孔抽采影響范圍（直徑）取5m。

2）鄰近層瓦斯抽采技術(shù)優(yōu)化

有效解決鄰近層瓦斯的方法是卸壓抽采鄰近層及裂隙帶瓦斯，長(zhǎng)治地區(qū)煤層間距小鄰近層瓦斯抽采應(yīng)采用高位鉆孔。

鉆孔參數(shù)的確定：

根據(jù)“三帶”理論，鄰近層抽采鉆孔的布置應(yīng)符合計(jì)算結(jié)果，鉆孔終孔位置應(yīng)位于上鄰近層頂板以上2～5m。鉆孔伸入工作面上方段水平投影應(yīng)滿(mǎn)足鉆孔不被破壞的水平投影長(zhǎng)度。

計(jì)算方法如下：

h—鉆孔終孔位置距開(kāi)采煤層頂板垂高，m；h1—頂板冒落高度，取5-8倍采高，m；h2—防止鉆孔破壞的預(yù)留高度，應(yīng)不小于2倍的采高，m；鉆孔終孔高度應(yīng)大于鉆孔安全高度，即：h>h1+h2終孔點(diǎn)垂高h(yuǎn)可根據(jù)煤層間距確定，實(shí)踐中可取開(kāi)采層頂板至鄰近層頂板以上1m的距離；L—鉆孔長(zhǎng)度，m；L1—頂板巖石卸壓段鉆孔水平投影距離，m；L2—頂板巖石未卸壓段距煤柱距離，m；根據(jù)三角形邊角關(guān)系： S—煤柱以?xún)?nèi)鉆孔段水平投影距離，m；S=L1+L2b—煤柱寬度，m；Φ—頂板巖石卸壓角，71°；β—頂板巖石冒落角，63°；σ—鉆孔傾角。

6 展望

半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)煤礦瓦斯抽采技術(shù)雖取得了很大發(fā)展，但由于我國(guó)井工開(kāi)采煤量大，煤層瓦斯含量非常豐富，抽采瓦斯研究試驗(yàn)與普及工作差距還很大，區(qū)域瓦斯抽采思路在一些地區(qū)存在打折扣的現(xiàn)象，這就要求我們煤礦的每一位工作人員將瓦斯治理的區(qū)域理念時(shí)刻記住并運(yùn)用在各項(xiàng)工作中，今后瓦斯抽采技術(shù)發(fā)展的方向應(yīng)圍繞以下幾方面：（1）進(jìn)行瓦斯抽采技術(shù)篩選及適用性研究 ，總結(jié)各項(xiàng)瓦斯抽采技術(shù)的應(yīng)用情況、技術(shù)特點(diǎn)、適用范圍和條件，開(kāi)展適用性研究，為全國(guó)各礦區(qū)的瓦斯抽采提供指導(dǎo)。

（2）繼續(xù)研究試驗(yàn)單～低透氣性煤層強(qiáng)化抽采技術(shù)，提高開(kāi)采層預(yù)抽的抽采率，降低煤層的瓦斯涌出量，消除或降低這類(lèi)煤層的突出危險(xiǎn)性。

（3）研制功率大 ，故障率低 ，打鉆效率及成孔率高的新型鉆機(jī)及配套設(shè)備，完善打鉆工藝，解決松軟煤層打鉆及成孔問(wèn)題。

（4）研究瓦斯抽采長(zhǎng)鉆孔施工及定向技術(shù) ，開(kāi)發(fā)定向長(zhǎng)鉆孔的監(jiān)控裝置，保證鉆孔的各項(xiàng)參數(shù)能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

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