高瓦斯矿井煤层瓦斯抽采设计

       瓦斯作为威胁矿井生产安全的主要因素之一，是矿井生产安全管理的重点，特别是随着矿井回采深度的持续增加，井下回采中遭遇高突煤层的风险大幅增加，探索积极有效的瓦斯综合治理技术至关重要。以此为着手点，针对矿井瓦斯综合抽采作业开展探究，结合工程实际，在分析采动裂隙场瓦斯抽采机理的基础上，对瓦斯综合抽采作业进行全面分析。结果表明，综合抽采作业效果良好，实现了对矿井瓦斯危害的有效防治。
　　1 煤层瓦斯抽采原理
　　预抽和边采边抽是本煤层瓦斯常用的抽采方法，其中预抽是在未进行开采的煤层内打设钻孔，并在回采前提前将煤体内的瓦斯抽出，由于预抽前煤层还未采动卸压，所以该抽出方式只适应于透气性较好的煤层。工作面回采过程中，超前一定距离的煤体受采动影响内部会松动卸压，透气性增大，此时在即将待开采的煤体中布置钻孔对卸压瓦斯进行抽采可取得较好的抽采效果。按照钻孔布置方式，本煤层内的钻孔可分为顺层平行钻孔和交叉钻孔。在本煤层内施工断面相同的相邻两个钻孔，分析单个钻孔周边切向应力的分布衰减过程得出，钻孔周围存在一个超过原岩应力5%为界的剧烈影响区域。依据弹性力学原理，设此影响半径为Ri，如果两个临近钻孔之间的距离>2Ri，则这两个钻孔互不影响;但当两个临近钻孔之间的距离<2Ri时，则这两个钻孔彼此影响。在两个相互交叉钻孔的影响区域，钻孔周边的塑性区半径在交叉范围内因为受切向集中应力的影响而增大。由弹性力学的相关知识可知，钻孔周边的塑性区半径与其直径成正比关系。采煤工作面抽采实践经验表明，布置在条件相同区域且参数相同的瓦斯抽采钻孔，其抽采效果不尽相同。分析造成这种现象的原因是抽采过程中钻孔内部塌孔堵塞造成瓦斯的流动阻力增大。交叉钻孔因为相互影响而存在局部连通范围，这样即使某一钻孔因塌孔等原因导致流动阻力增大时，其他与之连通的钻孔。还可以起到抽采作用，从而提高瓦斯抽采效果。
　　2 矿井瓦斯综合抽采方法
　　2.1 覆岩裂隙区瓦斯抽采机理分析
　　一般来说，采空区覆岩采动裂隙可划分为两大类：不同层间存在的离层;岩层中因竖向破断而出现的穿层裂隙，两种裂隙共同构成了采空区瓦斯运移的通道。在回采面的采动影响下，其采空区覆岩存在三带的划分（垮落带、裂隙带、弯曲下沉带），其中采动裂隙主要集中于裂隙带中，并随着顶板的破斷在采空区边缘形成O形圈，而采空区内溢出的瓦斯便会顺着运移通道进入覆岩O形圈中，使得瓦斯大量聚集。基于这一原理，将高位钻孔布设于O形圈上方的裂隙带岩层中，便可实现对采空区瓦斯的有效抽采。有鉴于此，通过分析3215作业面覆岩结构特征，确定其冒落带高度（16m）、垮落带高度（45m）和O形圈宽度（26m），便可确定顶板走向高位钻孔位置，从而提升瓦斯抽采效果。
　　2.2 顶板走向高位长钻孔抽采
　　3215作业面顶板裂隙带高度为45m，采空区O形圈宽度为26m。有鉴于此，其顶板走向高位长钻孔终孔位置应当垂直位于顶板裂隙带范围内，同时，终孔水平位置应当位于采空区O形圈范围内。在3215回风巷道终采线起始间隔底板500mm处布设首个钻场，随后每间隔50m布设钻场一个，钻场布设尺寸为4m×2.6m，钻场内钻孔设计直径94mm，每个钻场布设钻孔8个，分上下两排布设，采用相互交错的三花眼布设方式。三花眼布设间隔为500mm，其中下排钻孔与钻场底板间隔1500mm。
　　2.3 超前塑性区瓦斯抽采机理分析
　　井下的煤层回采作业使得原岩应力场被破坏，从而在作业面前方形成不同的应力区域，依次为应力降低区、应力升高区和原岩应力区。其中，应力降低区煤体破碎现象突出，存在大量裂隙，不再具备承载力。同时，应力峰值前移在煤壁前方中形成极限承载区（应力升高区），其应力峰值向左至靠近煤壁前方的区域在动压影响下生成大量节理裂隙，形成采动裂隙发育区，也是煤壁前方塑性区。而峰值应力右侧区域内的煤体在压应力的影响下形成裂隙闭合区。此外，原岩应力区受采动扰动的影响相对有限，内部煤体主要为原生裂隙，属于原生裂隙区。
　　3 结束语
　　随着科技快速发展，采煤工艺日趋大型化、集中化和高产高效。然而我国的煤炭赋存地质条件复杂，煤层瓦斯含量高、瓦斯事故频发，成为制约安全生产的主要因素之一。瓦斯综合抽采作为高突煤层瓦斯有效治理的重要手段之一，不断增强对其应用水平的提升对矿井生产安全有着重要意义。对此矿井管理者必须高度重视，在不断推动相关技术应用水平提升的同时充分结合矿井实际完善技术，从而获得贴合矿井生产实际的高效治理技术，真正实现井下瓦斯的有效防治，为矿井的长久持续发展提供坚实保障。