高瓦斯低透煤层开采前后回采面瓦斯分布规律研究

高瓦斯低透煤层开采前后回采面瓦斯分布规律研究

陈跃龙

开滦集团东欢坨矿业公司河北省唐山064002

摘要：众所周知，煤矿开采属于一项十分危险的工作。其中，瓦斯是制约煤矿安全高效生产的难题，尤其对高瓦斯矿井及煤与瓦斯突出矿井而言，瓦斯抽采更是矿井生产的主要工作。我国煤层瓦斯赋存条件复杂，普遍存在煤层透气性系数较低以及钻孔流量衰减系数较高等问题，瓦斯较难抽放，给矿井的安全生产带来较大隐患。

关键词：高瓦斯低透煤层；开采前后；回采面瓦斯分布规律

引言

瓦斯是制约矿井安全高效生产的重要因素，威胁着矿井的安全生产及井下工作人员生命安全，特别是对于那些高瓦斯低透气性的煤层，由于煤层本身的瓦斯含量较高，瓦斯涌出量大，风流移动以及瓦斯的运移规律比较复杂，矿井生产受到的瓦斯制约也更为明显。开展对回采工作面开采前后瓦斯的分布规律研究，对指导回采工作面的安全生产具有显著意义。

1回采面概况

矿井主采煤层有4层，从上到下依次为2号、5号、9号以及11号煤层，其中2号煤层全区可采，煤层的平均厚度在1.6m，较为稳定，煤层倾角在2~4°，矿区属于典型的喀斯特地貌，地质构造较为复杂。现在井下正在回采的是2号煤层11205综采工作面，煤层直接顶为砂质泥岩，厚度在3.8m左右，直接底为泥岩，厚度在4m。回采工作面设计的走向长度为1105m，斜长为150m，工作面的生产采用三八工作制，两班进行生产，晚班进行检修，每班平均采1.5刀，回采面的月产量在2.2万t。

2回采面瓦斯浓度测点布置

在11205综采工作面沿着煤层倾向方向布置7个测站，每个测站布置5个瓦斯测点，具体的瓦斯浓度测点布置如图1所示。其中布置的1号以及2号测站间的间距为20m，6号以及7号测站间的间距为10m，其余的测站间的间距均为30m。在煤层走向方向上布置的5个瓦斯测点，第一个瓦斯测点距离回采面煤壁距离为2.2m，其余的瓦斯测点均与前一个瓦斯测点保持1m间距。在沿着回采面高度方向上布置上中下三排测点，最下方的测点距离回采面底板距离为0.65m，其余的两排测点间的距离为1m，具体布置如图2所示。在整个回采工作面共布置105个瓦斯测点，对监测到的瓦斯浓度进行统计分析。

图1瓦斯测点布置平面图图2瓦斯测点布置剖面图

3高瓦斯低透煤层开采前后回采面瓦斯分布规律研究在对瓦斯监测数据进行分析时，发现在回采工作面开采时，瓦斯浓度分布受到采煤机割煤位置影响，在采煤机割煤刀附近，瓦斯浓度突然增加，主要是由于割煤机割煤引起原煤的暴露面积增加，瓦斯涌出量增加，导致附近的瓦斯浓度显著增高。

3.1回采工作面倾向方向

对采煤工作面推进前后瓦斯监测数据分析可以看出，从回采工作面回风巷到进风巷瓦斯浓度呈现出逐渐降低的趋势，在沿着回采面距离回风巷约40m位置时瓦斯浓度增加幅度明显，且在工作面高度方向上下排以及中排瓦斯测点监测到的瓦斯浓度的增大幅度高于上排测点监测到的瓦斯浓度增加值，主要是由于受到安装在附近的风帘影响，在风帘附近的风流量值较低，导致涌出的瓦斯不能得到及时的排出，造成附近区域瓦斯浓度增加，且安设的风帘高度仅仅影响到下排以及中排瓦斯测点，未对上排瓦斯测点造成影响，因此上排监测到的瓦斯浓度值增长较低。在回采工作面的回风巷处瓦斯浓度值较高，在进风巷处瓦斯浓度值偏低，采煤后的回风巷瓦斯浓度较采煤前增加约25%。在回采面采煤前后进风巷处瓦斯浓度变化很小。

3.2回采工作面走向方向

在回采面距离煤壁测点距离的增加（距离回采面采空区距离越近），瓦斯浓度呈现出缓慢增加的趋势，在采煤机割煤之后，距离回采面煤壁约为4.5m的位置，瓦斯浓度值出现下降，为整个断面的最低值，随后随着距离采空区距离减小，瓦斯浓度逐渐增加，在距离采空区最近的一个测点测定的瓦斯浓度最高。在回采面的走向方向上，瓦斯浓度变化呈现出先降低后增加的趋势。

3.3回采面高度方向

随着距离回采面底板距离的增加，11205综采工作面瓦斯浓度呈现出增加趋势，且靠近采空区侧的测点瓦斯浓度增加趋势较靠近回采面煤壁的测点增加趋势更为明显。

4高瓦斯低透煤层瓦斯处理技术

4.1双预裂孔爆破技术

双预裂孔爆破爆炸膨胀气体和叠加应力波共同作用产生了预裂爆破裂纹。双孔同时起爆，孔周边煤体完全破坏，同时炮孔壁生成初始裂纹，爆炸性气体沿裂纹产生强大气压力作用于煤体，孔壁四周形成应力叠加的拉应力场，2个爆破孔间应力重新分布，应力增高区向控制孔方向转移，当应力超过煤体抗拉强度后煤体不断形成断裂面，朝同一控制孔方向的应力波不断使控制孔附近应力波强化反射和拉伸，环径向裂纹加速扩展，2个爆破孔周间形成贯通裂纹，进而在爆破孔周间形成径向“之”字形交叉的裂隙网，煤体透气性得到提高实施双预裂孔爆破后，预裂爆破增透区域煤层透气性系数、抽采瓦斯纯流量和浓度皆得到了显著提高，双预裂孔爆破缩短了工作面预抽时间，减少了瓦斯钻孔工程量，提高了瓦斯抽采效果，保障了矿井的安全高效生产。

4.1CO2致裂增透技术

煤层中瓦斯主要有游离瓦斯与吸附瓦斯两种状态。游离状态的瓦斯越多，则煤层透气性越好，煤层中的瓦斯越容易抽采。CO2致裂增透技术是在致裂管中放置液态的CO2，装置起爆后，CO2会由液体状态向气体状态转化，在这种变化过程中，大量的能量得到释放，并沿着钻孔向四周扩散。由于起爆后所引起的爆破压力远大于煤层的抗压强度，在钻孔周围一定范围内的煤体会迅速破碎，从而形成一定范围内的粉碎区。由于装置起爆后，转变后的CO2气体会迅速膨胀，在钻孔周围形成环向以及径向裂隙，裂隙之间相互交错，形成一定范围内的裂隙区。当起爆后的应力在往钻孔深部扩散时，并不会对煤层造成损害，只能引起煤体局部震动，此区域称之为震动区，如图２所示。正是由于钻孔周围粉碎区以及裂隙区的存在，极大扩展了瓦斯的运移途径，增加了煤层的透气性，提高了煤层瓦斯的抽采量。另外，CO2的存在可驱使更多的吸附瓦斯转变为游离瓦斯，进一步增加了瓦斯的解吸量，加之CO2的存在隔绝了氧气，不会因为装置起爆而引起火花，是一种安全可靠的技术方法。

结语

由于受到布置在靠近回风侧约40m位置的风帘影响，该处瓦斯测点的下排及中排瓦斯浓度监测值增加明显，因此，在对该处瓦斯浓度进行监测时，需要增设瓦斯传感器且需要应布置在风帘的中下部；由于采煤后回风巷的瓦斯浓度较开采前增加约25%，进风巷的瓦斯浓度在回采面开采前后变化不明显，因此，需要在回风巷增设瓦斯传感器；当回采风瓦斯浓度在开采后增加明显达到矿井规定的瓦斯浓度上限值时，应立即停止煤炭开采，采取措施降低瓦斯浓度；同时由于回采工作面靠近采空区侧瓦斯浓度增加，且沿着回采面上部越靠近采空区瓦斯浓度越高，因此在安设瓦检仪时应尽量靠近采空区上部位置。

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