鄭州礦區“三軟”不穩定厚煤層瓦斯抽放技術

1　概述

　　鄭州礦區，東西長約100km，南北寬5～45km ，地層含煤麵積1500km2，地質儲量24.6億t。煤係地層主要為二迭係山西組，含煤兩層： 二1煤和一1煤。其中二1煤為可采煤層，煤厚1.19～26.0m，煤厚變化較大，變異係數 70.1%；煤質鬆軟，普氏硬度係數0.3～0.5；直接頂多為泥岩和砂質泥岩，底板普遍為泥岩 和粉砂岩，二1煤層屬典型的“三軟”不穩定厚煤層。

　　鄭煤集團公司現有8座生產礦井，年生產能力1000萬t。采用長壁放頂煤一次采全高采煤 方 法。其中有5座高瓦斯礦井，分別為超化礦、大平礦、告成礦、裴溝礦和米村礦。隨礦井向 深部水平開拓延伸，煤層瓦斯含量增加，采麵瓦斯湧出量最高達30m3/min以上，瓦斯治理 難度增大。二1煤層原生裂隙不發育，孔隙率小於4%，煤層透氣性係數為0.052m2/M Pa 2·d，鑽孔瓦斯衰減係數為2.35d-1，屬較難抽放煤層。煤層自燃等級為不易自燃， 煤塵具有弱爆炸性，爆炸指數為14.1%～17.58%。

　　2　鄭州礦區瓦斯抽放技術

　　放頂煤開采的一個顯著特點是開采強度高，瓦斯解吸 量大，當采麵瓦斯湧出量達10m3/min以上時，靠通風稀釋瓦斯十分困難，且受到礦井通風 能 力、風速超限和惡化作業環境等因素製約，瓦斯曾一度成為製約鄭煤集團公司生產能力發揮 的首要因素。為徹底根治瓦斯，降低其危害程度，解放礦井生產力，進一步開展瓦斯抽放工作勢在必行。

　　采空區瓦斯湧出量占放頂煤工作麵湧出瓦斯總量的60%以上，是造成工作麵上隅角及回風流 瓦斯超限的主要原因之一。在較難抽放煤層中，采空區瓦斯抽放是行之有效的方法，適合鄭 州礦區的開采技術現狀。到2001年，針對各礦井、采麵的不同情況，采取了 不同的方法綜合治理瓦斯。

　　2.1　煤位高抽巷技術

　　在煤厚大於8m的高瓦斯采麵，采取煤位高抽巷技術取得了令人滿意的效果。抽放瓦斯濃度一 般為20%～60%，最高達80%以上，平均抽放率在40%以上。其抽放方式為：平行於采麵回風巷 內錯10～15m，沿頂板在煤層中布置一條巷道（圖1），抽放管路敷設至巷口以裏，並在巷口 〖JP2〗進行永久性封閉，利用瓦斯抽放泵將瓦斯抽排至主要回風巷。在U型通風形式下，采 空 區瓦斯在風流傳播和擴散的雙重作用下，集中在上隅角及其附近湧出，造成該地點及回風流 瓦斯超限。煤位高抽巷的作用在於改變了采空區瓦斯運移規律，使采空區成為一個負壓場， 驅使高濃度瓦斯流向高抽巷，達到分流采麵瓦斯的目的。

　　超化礦21071麵是實施煤位高抽巷技術效果最佳的綜放工作麵，該麵為走向長壁布置，走向 長1 160m，傾斜長147m，煤厚3～26m，平均10.7m，煤層傾角平均為10°，噸煤瓦斯含量為6～11 m3。高抽巷布置如圖1所示。為緩解采掘接替，該采麵高抽巷分兩段分期施工，實行變 向 錯位搭接，避免裏段高抽巷使用期間貫通。選用SK-60型水環式真空泵，最大抽放流量60m 3/min，極限真空度14.67kPa；抽放管路采用250mm抗靜電阻燃玻璃鋼管。

　　圖1　21071工作麵高抽巷布置示意圖（略）

　　圖2　抽放參數與煤厚關係（略）

　　工作麵初推進80m期間，未采取切實有效的抽放措施，工作麵配風1800m3/ min,回風流瓦斯 在0.8%～1.2%，上隅角采取風簾導風措施後瓦斯濃度在1.2%～1.8%，受瓦斯超限的製約 ，工作 麵不能組織正規循環作業，日產量不到3000t。抽放係統投入運行後，風量下調至1200m3/ min，抽出瓦斯濃度18.40%～84.93%,平均43.98%，抽出純瓦斯量7.36～32.77m3/min，平 均 抽放率達76.59%，上隅角瓦斯濃度降到0.1%～0.6%，回風瓦斯濃度保持在0.6%以下，日均產 量提高到5000t以上，最高月產17.6萬t。

　　高抽巷抽放效果與工作麵煤厚變化有直接關係，不能以煤厚與瓦斯賦存量的正比關係簡而論 之，而且反映在高抽巷與采麵作業空間的垂距上。圖2反映了21071工作麵抽放參數與煤厚的 關係，因高抽巷沿煤層頂板布置，煤厚愈大，其相對位置愈高，恰處於瓦斯富集區，可取得 較好的抽放效果；進入薄煤區時，混合流量增加，反映出高抽巷透風性能提高，但因抽出瓦 斯濃度較低，造成抽放率下降，故煤位高抽巷技術適宜在特厚煤層中應用。

　　2.2　頂板岩石鑽孔抽放

　　頂板岩石鑽孔抽放是一項在國內得到廣泛應用的采空區瓦斯抽放技術。在鄭州礦區的實踐當 中，采麵瓦斯抽放率一般為20%～40%，最高達42.9%，效果顯著。該技術一般應用於煤 厚小於8m，且賦存極不穩定的高瓦斯采麵。以告成礦13071麵為例進行說明。

　　該麵為傾斜長壁布置，采用炮采放頂煤工藝，傾斜長860m，平均走向長115m,煤層傾角6°～ 20 °，平均11°，煤厚0.8～10m，平均4.2m。該采麵沿傾向約有650m位於高瓦斯帶範圍內，回 采時瓦斯湧出量9～14m3/min，初期供風量達1200m3/min，瓦斯超限十分嚴重，回風瓦 斯 濃度0.8%～1.4%，上隅角瓦斯濃度經常處於3%上下，采麵被迫限產，日回采煤量限為正常水 平的60%。後采取了高位鑽場抽放采空區瓦斯。鑽場布置在工作麵回風 巷的下幫，鑽場距一般為80m。先以20°的傾角施工斜巷，斜巷進入頂板垂高3～4m，然後作 鑽場，該麵共布置了8個鑽場，打鑽終孔高度在老頂裂隙帶內1～2m，裂隙帶的高度根據 經 驗公式H=h/(k-1)cosα(式中：H為裂隙帶高度，m；h為煤層厚度，m；k 為岩石碎脹係數；α為煤層傾角，°）求得，告成礦裂隙帶高度在14～41m。每個鑽 場 扇形布置3～6個鑽孔，控製上隅角以下20m範圍，孔徑為89mm,相鄰兩鑽場間鑽孔疊加20m以 上，采用聚胺脂封孔。

　　鑽孔通過老頂裂隙帶抽采空區瓦斯，每孔抽放量0.6～1.3m3/min,抽放瓦 斯濃度一般為25%～55%。平均抽放率為29.5%,最高月份達42.9%。因抽放技術的應用，工作 麵 風量下調至800m3/min,回風瓦斯濃度降至0.8%以下，上隅角瓦斯濃度徘徊在0.6%～1.1%， 生產恢複正常，日均多出原煤512t。工作麵安全回采結束。

　　2.3　上隅角埋管抽放

　　該技術首先在大平礦實施，地點為16031炮放工作麵，該麵布置為走向長壁，走向長120m， 傾斜長60m，平均傾角20°，煤厚變化大，上部煤厚0.7～2.5m，下部0.7～16m，平均6. 5m。16 031工作麵初采時期，瓦斯湧出量9～15m3/min，配風量1500m3/min,回風瓦斯 濃度0.8%～ 1.2%，最高達1.5%以上，上隅角采取風簾導風後瓦斯濃度持續在2.5%，雖采取淺孔動壓 注水 、回風巷打密集卸壓釋放鑽孔等措施，仍不能保證工作麵安全生產，勞動組織被迫由三班回 采改為兩采一準，以減緩瓦斯湧出。經采取上隅角瓦斯抽放技術後，情況得到根本好轉。

　　在工作麵回風巷上幫，安設150mm鋼管，一端接入瓦斯抽放係統，另一端通過軟管接抽 放 器。所用抽放泵型號為2BE1-253型，其最大抽放流量為40m3/min，極限真空度 86.66kPa。抽放器由長2m、100mm鋼管加工，前端封閉，旁側密集布置5mm的小孔，抽放器 埋入上隅角高處，隨采麵推進循環前移。附近設濃度和流量檢測口，定期測量抽放參數。為 防止吸入的煤、岩塵堵塞管路，自製了除塵器接入管路。

　　隨著采麵推進，對抽放器的埋入最佳深度進行了摸索。抽放器前端位於切頂線時，抽出瓦斯 濃度3%～5%；深入切頂線以裏1～2m時，瓦斯濃度升至7%左右；越過切頂線3m時，瓦斯濃度 提高 至7%～10%，但抽放器埋入深度越大操作越困難，深度達5m時，曾兩次被壓死折斷。實 踐證明，抽放器埋入深度在2～3m時，實現了便於操作與抽放效果的最佳結合。

　　抽放取得了明顯的效果，平均混合流量為32.82m3/min,抽出瓦斯濃度3%～24%，平均7 %，抽 放純瓦斯2.33m3/min，最高達4～6m3/min，綜合抽放率為35%，工作麵風量調至1200m 3/min,回風流瓦斯濃度降到0.45%～0.8%，上隅角瓦斯濃度保持在1%以下，實現了工作麵連 續回采，日產由1000t提高到1500t以上。

　　為保證抽放效果，該技術一般應用於煤層傾角大，上隅角瓦斯富集的工作麵。與一般的永久 埋管抽放技術相比，具有投入省、浪費小的優點。

　　3　存在問題及發展方向

　　(1) 因采用井下瓦斯抽放係統，抽出的瓦斯直接排入采區或礦井回風巷，抽放量大時，造成 采區或礦井回風巷瓦斯超限，因此建立大流量地麵瓦斯抽放係統勢在必行。

　　(2) 同一采麵內因煤厚變化異常，采用一種抽放技術不利於達到穩定可靠的抽放效果，應因 地製宜，視具體情況采取兩種或多種瓦斯抽放方法。

　　(3) 軟岩鑽孔塌孔、堵孔現象突出，尚缺乏技術可行、經濟合理的針對措施，需展開進一步 的技術攻關。

　　(4) 充分利用采麵推進前方卸壓區增生的透氣性，在卸壓區煤體內打鑽孔抽放瓦斯，可望取 得良好的抽放效果。