韩兆彦 尹 超

（1、安阳市主焦煤业有限责任公司，河南 安阳 455000 2、安阳市工业和信息化局，河南 安阳 455141）

1 瓦斯赋存状态及来源分析

1.1 瓦斯赋存状态

瓦斯是煤炭资源伴生的一种重要的清洁能源，主要以吸附、吸收、游离三种方式赋存在煤层间。煤体中存在诸多孔隙，这在一定程度上影响着瓦斯在煤层中的储存量。其中，煤的微孔隙表面吸附有大量的瓦斯，这是由于分子引力的作用导致瓦斯分子与煤颗粒表面之间形成一层薄膜，它符合朗格缪尔方程，即单分子层吸附理论。在一定的瓦斯压力和温度条件下，煤体中吸附瓦斯和游离瓦斯之间可以完成相互转化。

煤体吸附瓦斯的能力受很多因素的影响，其中主要包括煤的变质程度、瓦斯压力、煤体温度和煤体中所含水分4 个方面。一般而言，煤的变质程度的提高会增强煤体吸附瓦斯的能力，因此如果在其他煤体条件基本相同的情况下，高变质煤吸附瓦斯的能力要比低变质煤吸附瓦斯能力强。煤体湿度的增加则使煤体瓦斯吸附量降低。

1.2 瓦斯来源分析

瓦斯来源是指开采时涌出瓦斯的地方，在开采含有瓦斯的煤层时，会破坏煤层和围岩的结构条件以及瓦斯在其中的存储条件，因此会使其一定范围的瓦斯涌入开采工作面，从而成为开采工作面涌出瓦斯的一部分。由于开采对工作面的煤层及岩层产生了不同程度的影响，使其因变形或者垮落的现象而产生卸压，从而使来源不同的瓦斯以各种不同的方式涌入采空区，然后相互混杂在一起，再在矿井通风负压的影响下一起涌入工作面。因此可以将这四部分的涌出量作为一个涌出量用来确定采空区的涌出量，这样既有实际意义的同时还可以减少误差。

1.2.1 煤壁瓦斯涌出

在工作面的开采过程中，由于煤层的存在条件不断变化，在暴露空气和压力的影响下，煤层的原始状态产生了改变。煤体的裂隙有所扩大、煤层渗透性增大、工作面煤体压力平衡发生破坏、工作面前一直有泄压带存在。因为煤体里面与煤层表面相互之间有压力梯度的存在，因此就会使煤体里赋存的瓦斯沿着卸压带的裂缝涌入工作面。同时瓦斯涌向工作面的强度与煤壁暴露空气的时间成反比，煤壁的瓦斯涌出随着割煤速度的增大而增强。

1.2.2 落煤瓦斯涌出

落煤瓦斯涌出包括采落煤和放落煤瓦斯涌出。在开采过程中落下的煤是以颗粒的形态存在的，因此它暴露于空气中的面积更大，这导致了其瓦斯的解吸速度与强度也相应大幅度的增加，从而使瓦斯涌出量也相应增加。首先，落煤瓦斯涌出强度也是与暴露时间成反比；其次，回采工作面的各种不同因素影响着落煤瓦斯的涌出量，而其瓦斯量主要与工作面的采放煤量成正比。在其他条件不发生改变的状态下，落煤的粒径越小，其瓦斯涌出的强度也就相对越大。

1.2.3 采空区瓦斯涌出

一般来说，采空区的瓦斯浓度与采空区深度成正比，也就是说采空区深部瓦斯浓度更高，而且采空区底板的浓度要小于采空区顶板的浓度；若开采工作面的通风方式采用的是上行通风的方式，则其回风侧的浓度要比进风侧的浓度高。由于气流的压力差，采空区的部分瓦斯会流向回风侧，经过上隅角后顺着回风流排走；而存在于采空区较深部位的瓦斯会因为压力不足以克服流动所需要的阻力，导致其流动的速度较为缓慢，从而易发生瓦斯积聚的现象。

1.2.4 邻近煤岩层瓦斯涌出

煤层开采后，由于周围岩层移动以及地应力重新分布，会形成大量的裂隙，因此如果开采煤层有邻近层时，邻近层瓦斯就会从裂隙涌入工作面。从瓦斯涌出源可得出，采空区瓦斯也是因为煤体暴露产生的瓦斯组成的。工作面初次开采时，随着工作面不断地向前推进，采空区面积不断增大，采空区中的瓦斯浓度也不断增加。当其涌出量一直增加到一个定值时，在其他开采条件不发生变化时，采空区瓦斯涌出量就会趋近于一个稳定值。

2 综放工作面瓦斯涌出规律分析

2303 工作面煤层平均厚度为6.0 m，煤层稳定。因采用综采放顶煤采煤工艺，单位时间内割放的煤量大，瓦斯涌出也相应变大，随着二1 煤层的开采，本煤层瓦斯就会在煤体破碎后解吸进入工作面，上覆岩层及邻近煤层就会受到采动的影响，产生大量的裂隙，并发生垮落现象，导致煤层中赋存的瓦斯卸压，然后沿着裂缝以不同的规律涌向回采工作面。对于已采工作面，不同综放工作面的瓦斯涌出规律如图1 所示

（1）综合性。企业财务风险能够关系到很多的部门，其范围很广，并且是企业在不同的矛盾中出现的综合性的表现。

由图1 可以看出2303 工作面瓦斯涌出规律具有以下共同特征：

图1 2303 工作面各巷道瓦斯抽采负压及浓度

2.1 当开采处于初采阶段，管道瓦斯负压及浓度大体上会随着工作面的推进向前而保持在一个较为平稳的范围，波动相对较小；但随着工作面的不断推进，在直接顶及基本顶初次垮落时，冒落带的瓦斯不断涌入工作面，从而使一定范围内的煤层卸压，这就导致原本存在于卸压带中的瓦斯快速发生解吸，从煤层中沿着裂隙流向工作面，导致瓦斯涌出量迅速上升。

2.2 随着开采的进行，直接顶上层岩层垮落导致了瓦斯涌出量的大幅增加。基本顶因为达到了极限垮距而发生垮落现象，从而使工作面和上覆岩层更大范围内卸压，导致煤层里的瓦斯以不同的程度和规律涌向工作面，导致瓦斯涌出量第2 次峰值的出现。

2.3 当工作面周期来压，顶板大面积垮落，岩层瓦斯释放量会大幅度增加，瓦斯涌出量急剧上升。总体来说，瓦斯的溢出与抽放和矿压显现密切相连，在矿压显现剧烈时瓦斯可抽采量多，抽采更加容易。

3 工作面瓦斯抽采设计及工艺

3.1 抽采设计依据

对于未卸压的原始煤层进行瓦斯抽采，其抽采的难易程度一般由以下两个指标确定：一是煤层钻孔流量衰减系数，二是煤层透气性系数。按照《煤矿瓦斯抽放规范》规定，可以将开采层预抽瓦斯难易程度分为三个等级，根据《瓦斯抽采基础数据参数测定报告》中数据表明，矿井煤层透气性系数为9.5391m2/MPa2·d，属于可抽采煤层。

主焦煤矿23 采区为单一煤层开采，故开采后不会有大量的上邻近层瓦斯涌入采空区。结合矿井生产能力要求、煤层赋存条件和工作面巷道布置及煤层瓦斯赋存和涌出特点，初步确定的抽采方法为：采用2303 工作面底板巷穿层钻孔治理回采区域上段煤层瓦斯；顺层钻孔治理回采区域中下段煤层瓦斯，顺层钻孔+穿层钻孔抽采整个开采块段煤层瓦斯。

根据《主焦煤业公司二1 煤层瓦斯抽采半径测定报告》中顺层孔抽采率、抽采时间、抽采半径对照表和穿层孔抽采率、抽采时间、抽采半径，考虑2303 工作面底板巷穿层钻孔和23 采区辅助回风巷、2303 轨道平巷及切眼顺层钻孔的施工位置、钻机能力以及2303 工作面预计接替时间，初步确定预抽期、预抽率及抽采半径如下：

2303 工作面底板巷穿层钻孔预抽期为20 天，预抽率为30%，钻孔抽采半径不得大于3.66m；2303 回风平巷顺层钻孔预抽期为20 天，预抽率为30%，钻孔抽采半径不得大于3.48m；2303 运输平巷顺层钻孔预抽期为60天，预抽率为30%，钻孔抽采半径不得大于3.90m；2303切眼顺层钻孔预抽期为20 天，预抽率为30%，钻孔抽采半径不得大于3.48m；23 采区辅助回风巷顺层钻孔预抽期为20 天，预抽率为30%，钻孔抽采半径不得大于3.48m。

3.2 穿层钻孔预抽回采区域瓦斯钻孔设计

图2 2303 工作面底板巷穿层钻孔设计剖面图

3.3 顺层钻孔预抽工作面回采区域瓦斯钻孔设计

2303 运输平巷在掘进过程中，沿煤层倾向每间隔一定距离施工一组顺层瓦斯抽采钻孔，2303 运输平巷瓦斯抽放钻孔设计参数如下：抽放率η≥30%，抽放时间120天，抽放半径为3.64m，设计钻孔终孔间距不大于5.1m。浅孔钻孔长度不小于60m，深孔设计钻孔长度不小于120m，钻孔与2303 工作面底板巷穿层钻孔不小于10m的交叉，见图3。

图3 2303 工作面顺层抽放钻孔剖面示意图

3.4 工作面上隅角插管抽采瓦斯钻孔布置设计

插管法是在采煤工作面上隅角靠采空区一侧用编织袋构筑成临时密闭墙，从回风平巷瓦斯抽放管路上引出瓦斯抽放软管穿过临时密闭墙插进采空区，对上隅角及采空区瓦斯进行抽放。布置示意图如图4 所示。

图4 2303 工作面上隅角插管抽采示意图

3.4.1 随着回采工作面推进，在工作面上隅角进行插管抽放，将抽放管口保留在工作面的采空区，三根Φ75mm 钢丝软管和一根Φ300mm 瓦斯抽放管进行上隅角瓦斯抽放。

3.4.2 在上隅角位置使用煤袋构筑临时密闭墙，将瓦斯抽放钢丝软管直接构筑到临时密闭墙上部，根据现场实际情况及时调整抽放位置，防止抽放管路堵死或漏气。

3.4.3 将Φ208mm 瓦斯抽放管路进行插管抽放，管路安装在临时密闭墙下方。抽采管路提前预留抽气孔，每节抽采管路安装一根瓦斯抽采花管进行老塘瓦斯抽采。

3.5 封孔及联网工艺设计

为了保证瓦斯抽采钻孔封孔效果，主焦煤矿封孔工艺采用“两堵两注”封孔工艺和联网采用通管直联，注浆设计采用机械封孔工艺，对瓦斯抽采钻孔封孔设备、封孔工艺和方式进行确定。

3.5.1 封孔工艺。封孔工艺采用“两堵两注”封孔工艺，岩孔段小于10m 的钻孔，封孔长度超过煤岩交界处1m 位置；若钻孔见煤点深度大于10m、小于20m 时，则封孔至煤岩交界处。其他穿层钻孔封孔长度不小于20m。

3.5.2 封孔流程。钻孔封孔时，使用封孔囊袋进行封孔。将前端囊袋捆好滤布）上穿入钻孔，连接好注浆管。外端囊袋在距封孔管外端不少于1.5m 范围处使用扎带进行固定，将封孔管上的注浆管使用快速接头连接穿入钻孔；再穿入第二根不同颜色的注浆管，第二根注浆管的里端头距里囊袋向下0.5～1.0m。外端口捆绑5～6 袋封孔袋对钻孔进行初封。

3.5.3 瓦斯抽采钻孔联网工艺设计。每个钻孔安装一个测量嘴，每5～10 个钻孔为一组，每一组安装一个孔板，然后将每一组钻孔连接到抽采主管三通上进行抽采。底板巷穿层钻孔联网工艺采用通管直连工艺，减少封孔管路接头，减少封孔联网接头问题，进一步优化联网工艺，提高钻孔瓦斯抽采效果。

4 结论

4.1 根据综采放顶煤工作瓦斯涌出规律、工作面回采进度选择合适的瓦斯抽采方法，对工作面回采过程中瓦斯涌出规律进行分析，采取针对性措施，避免出现瓦斯超限及瓦斯事故发生。

4.2 随着开采的进行，直接顶上层岩层垮落导致了瓦斯涌出量的大幅增加。基本顶因为达到了极限垮距而发生垮落现象，从而使工作面和上覆岩层更大范围内卸压，导致煤层里的瓦斯以不同的程度和规律涌向工作面，导致瓦斯涌出量增加，强化工作面瓦斯抽采是治理瓦斯的根本措施。

4.3 当工作面周期来压，顶板大面积垮落，岩层瓦斯释放量会大幅度增加，瓦斯涌出量急剧上升。总体来说，瓦斯的溢出与抽放和矿压显现密切相连，在矿压显现剧烈时瓦斯可抽采量多，抽采更加容易。

4.4 根据瓦斯的析出、运移和矿山压力的显现呈成周期性起伏，且发生时间略滞后于来压时间，据此规律，对瓦斯抽采布置进行优化，加强上隅角、采空区垮落带及裂隙带瓦斯抽采工作，保证工作面安全开采。