专题-采空区瓦斯治理与研究

专题部分采空区瓦斯治理与研究摘要：采空区瓦斯是回采工作面瓦斯涌出主要来源之一，而采空区瓦斯抽放具有抽放流量大、来源稳定等特点，成为回采工作面瓦斯治理的重要手段。尤其是对于本煤层预抽效果不理想、采空区瓦斯涌出量大的工作面，采空区抽放方法是首选的抽放方法。关键词：采空区；瓦斯抽放1. 绪论1.1引言我国是一个以煤为主要能源的国家，在一次能源的总资源量中，煤炭资源约占90%，在一次能源的生产和消费构成中，煤炭所占比例长期保持在75%左右，尽管20世纪90年代大力进行了能源结构的调整，2000年煤炭生产和消费在一次能源中所占比重仍分别达67.2%和67%。从我国拥有及可能利用的能源资源类别来看，以煤为主的能源格局长期内不会有根本的改变，煤矿开采的规模还会很大。因此，要保证国民经济和煤炭工业持续、稳定、健康发展，建设高产高效矿井，提高采掘机械水平，是我国煤矿发展的必由之路。综合机械化采煤在条件适宜时，具有高产高效、成本低、经济效益显著的特点。近年来，随着煤炭科学技术的发展，高产高效矿井数量大大增加，部分矿井经技术改造，通过进行综合机械化装备，矿井的年产量有了很大的提高。但由于综合机械化采煤开采强度大、生产集中、推进速度快，使采煤工作面瓦斯涌出表现出了强度高、数量大和极不均衡等特点，同时综采工作面由于采高较大，走向长度较长，推进速度较快，因而往往形成较大面积的采空区，在顶板周期来压时，常造成工作面及其回风流瓦斯超限，对安全生产构成了极大威胁。煤壁、落煤和采空区是工作面瓦斯涌出的三个部分，其中采空区瓦斯涌出在工作面瓦斯涌出中占有较大的比例。由于综采面多为长壁式回采工作面，而一般长壁工作面采空区的瓦斯涌出量占工作面总瓦斯涌出量的3040%以上，多者达7080%，采空区瓦斯的大量涌出往往导致工作面瓦斯超限频繁和被迫停产。为了保证较高的产量，必须保证一定的割煤速度，因此工作面煤壁、落煤瓦斯涌出难以有效控制，同时，由于采空区瓦斯涌出受多种因素影响，涌出空间也比较大，所以通过对工作面及其采空区瓦斯运移规律的研究，可以有的放矢地采取有效措施，对综采工作面进行瓦斯治理，从而消除制约综采工作面高产高效的这一重要因素，使综采工作面充分发挥其优势，实现真正意义上的高产高效。1.2国内外瓦斯抽采治理技术研究现状矿井瓦斯是成煤过程中的一种伴生产物，其主要成分是甲烷。它是一种无色、无味、无臭的气体。比空气轻，相对密度为0.554。为了减少和解除矿井瓦斯对煤矿安全生产的威胁，利用机械设备和专用管道造成的负压，将煤层中存在或释放出的瓦斯抽出来，输送到地面或其他安全地点的做法，叫做瓦斯抽放。采空区瓦斯是回采工作面瓦斯涌出主要来源之一，而采空区瓦斯抽放具有抽放流量大、来源稳定等特点，成为回采工作面瓦斯治理的重要手段。尤其是对于本煤层预抽效果不理想、采空区瓦斯涌出量大的工作面，采空区抽放方法是首选的抽放方法。近年来，国内外对高瓦斯矿井采空区瓦斯抽放进行了大量的研究，随着煤矿安全生产以及对瓦斯利用的重视，采空区抽放比例正在逐步增大。瓦斯事故是煤矿四大灾害之首，我国高瓦斯爆炸煤矿占矿井总数的44%，瓦斯事故死亡矿工占煤矿总死亡人数的30%40%，瓦斯事故又占煤矿重大伤亡事故的70%80%。采煤之前先采气，可从根本上防止煤矿瓦斯事故，改善煤矿安全生产条件，同时，还可以减少矿井建设和生产通风费用1/51/4，有利于提高煤矿的经济效益。所以瓦斯的综合开发利用，不但对煤矿的安全生产和提高经济效益有重要作用，而且对我国的环境保护事业也有着非常深远的意义。我国从20世纪50年代就开始采用井下方法抽放煤层气，当时主要是作为安全措施，防治瓦斯事故的发生，采取的主要技术有本煤层抽放，邻近层抽放，采空区抽放，地面抽放等，但抽放率还不能令人满意。在国外，煤层气井下抽放技术也被广泛采用，如前苏联、德国等。无论是在国内和国外，矿井煤层气的抽放均作为开采安全技术来对待。煤层气主要不作为能源开采对象，因此抽放率往往以能否保证安全为标准。抽放率低，大量煤层气排空而不进行抽放或抽放效果差的矿井，极易发生瓦斯爆炸事故。20世纪80年代以来，独立于矿井之外的地面煤层气开采技术有了长足发展，其中特别是美国、澳大利亚，由于煤层气埋藏条件优越，煤层气工业得到迅速发展。我国有丰富的煤层气资源，20世纪90年代中期，开展了一定的煤层气开发工作，但除极少数煤层渗透性较好的矿区，能收到较好效果外，绝大部分由地面打钻建立的煤层气开采企业收效不高，这也使煤层气地面开采陷入困境。近年来，国内开始引入了美国的多分支水平井钻井技术进行煤层气开采，但是一方面其钻井成本昂贵，每口井达7000万1亿元，另一方面其对煤层的扰动卸压范围和提高渗透性的效果仍然有限，难以适合我国国情和煤层条件。近年来中国矿业大学煤矿矿山岩层控制理论和实践的学者，根据我国煤层特征、煤层气在煤体中的赋存状态等，从采动应力场、煤岩体损伤、裂隙发育与演化场、围岩运动的特征和规律出发，研究采动影响增加煤层渗透性、对煤层气解吸、运移的重要影响等，提出了利用采动卸压与岩层破裂增加煤层渗透性进行煤层气井下开采，实现煤炭与煤层气共同开采的新理念（图1），是煤矿开采理论与技术思想的重要创新。在煤层气运移规律方面，周世宁院士对煤层煤层气流动规律的研究表明：煤层气在煤岩体中的运移属于多孔介质中的渗流，符合达西定律。国内外学者如Bibhuti、赵阳升、缪协兴等对裂隙岩体、块裂岩体以及破裂岩体的渗透特性进行了广泛的研究。丁广骧、蒋曙光、王继仁等分别就采空区煤层气流动规律开展了模拟与实测研究。由于对岩移过程中应力场和裂隙场的动态分布特征缺乏深入认识和定量描述，在采后卸压煤层气运移规律的理论分析与数值计算研究中，未能充分体现岩移过程中煤岩体应力场和裂隙场特征。于不凡、俞启香等对解放层开采的卸压作用机理开展了深入的研究，形成了我国独具特色的解放层开采与抽采煤层气相结合的综合防突措施。但就覆岩岩性及其组合对邻近层煤层气涌出及下解放层有效解放范围的影响研究不多。图1 煤与瓦斯共采技术体系在瓦斯抽采方面，一般瓦斯抽采方法可分为：地面钻井瓦斯抽采技术和井下瓦斯抽采技术。地面钻井瓦斯抽采技术，虽在国内外已作过研究和试验，但主要是针对煤层赋存稳定、渗透性好的煤层，少数低透气性煤层矿区也曾配合水力压裂等措施进行过地面钻井抽采瓦斯，但产气效果不理想。目前国内外还没有在松软低透煤层成功进行地面钻井抽采瓦斯的实践。国内抽采主要靠采动卸压后井下抽采方法，包括有：本煤层钻孔抽采、邻近层钻孔卸压抽采、采空区钻孔抽采、穿层钻孔抽采和开掘专用瓦斯巷道密闭抽采等。经过近50年的发展，中国煤矿井下煤层气抽采及其利用工作从无到有，从小到大。目前以钱鸣高院士为首的课题组提出了“煤与煤层气共采”技术，它是指利用煤层开采引起的岩层移动对煤层渗透性的增大作用，在采煤的同时高效开采卸压煤层气。在“煤与瓦斯共采”技术方面，岩层运动中的关键层理论所得出的节理裂隙分布、离层规律对上邻近层瓦斯动态涌出与下解放层开采最大卸压高度的影响等瓦斯抽出技术有重要作用。但是，由于目前煤层气抽采理念仍停留在以安全为主的瓦斯抽采上，煤与煤层气共采理论基础尚未建立。目前中国煤矿井下煤层气抽采与其它煤矿井下煤层气抽采利用工作做得比较好的国家相比，还存在着一些差距，主要有:抽采煤层气总量少，利用率低；井下抽采率不高；吨煤煤层气抽采量少，吨煤钻孔量少；综合抽采工作不足，装备和管理水平有待加强和提高。事实上，采动条件下的煤层气运移规律除与煤层气赋存地质条件相关外，主要取决于采动煤岩体应力场与裂隙场的变化。采动后煤岩体应力场和裂隙场的动态研究规律与开采技术条件和覆岩岩性结构及组合紧密相关。对于我国的实际情况，基于采动岩体移动规律研究采动岩体应力场与裂隙场动态演化对煤层气解吸、运移的影响规律及其耦合效应，探讨煤与煤层气共采的理论与技术是今后一个时期在煤层气开采中必然的选择。2. 矿井瓦斯抽放的目的和意义(1)抽放瓦斯可以减少开采时的瓦斯涌出量，从而可减少瓦斯隐患和各种瓦斯事故，是保证安全生产的一项预防性措施。(2)抽放瓦斯可以减少通风负担，降低通风费用，还能够解决通风难以解决的难题。(3)煤层中的瓦斯同煤炭一样是一种地下资源，抽出来送到地面作为原料和燃料加以利用，“变害为利”、“变废为宝”，可以收到节约煤炭，保护环境的效果和可观的经济效益。3. 矿井瓦斯存在状态(1)游离状态(也称启由状态)；这种瓦斯以完全自由的气体状态存在于煤体或围岩的较大裂缝、孔隙或空洞之中。(2)吸附状态(也称结合状态)；按其结合形式的不同，又分为吸着和吸收二种状态。吸着状态是瓦斯气体分子在其与煤粒固体分子问的引力作用下而被吸着在煤体孔隙的内表面上所呈现的状态，形成一层很薄的吸附层。吸收状态是瓦斯分子进入煤体胶粒结构内部与煤部分子结合而呈现的一种状态，其类似气体溶解于液体的现象。吸附状态存在的瓦斯量的多少；取决于煤的结构特点，炭化程度等。4. 采空区瓦斯运移规律4.1采空区顶板卸压上覆岩层移动规律及瓦斯分布规律4.1.1采空区顶板卸压上覆岩层移动规律通过“砌体梁”理论对采动影响岩体移动规律的整体的“横三区”、“竖三带” (见图2)的认识，即沿工作面推进方向上覆岩层分别经历煤壁支撑影响区、离层区、重新压实区，由下而上将采空区上覆岩层移动划分3个不同的地带。图2 受采动影响形成的“三区”“三带”示意图A-煤壁支撑影响区；B-离层区；C-重新压实区I-冒落带；II-裂隙带；III-弯曲下沉带回采工作面上覆岩层属于沉积岩层，一般有一层或几层较为坚硬的厚岩层，在整个上覆岩层的变形与破坏中起主要的控制作用，这种岩层称为关键层。在采动过程中关键层下部将产生不协调的连续变形，主关键层与亚关键层之间、亚关键层与亚关键层之间变形的不协调，将形成岩层移动中的离层和各种裂隙分布，在卸压区内岩层以拉应力为主，当其超过岩体的极限抗拉强度时，便出现纵向裂隙，因此在顶板上覆岩层周期断裂时，煤壁前方顶板岩层内产生开口向上的纵向裂隙，在煤壁后方顶板岩层内产生开口向下的纵向裂隙。顶板上覆岩层不规则垮落的冒高与采高、煤炭的回采率、冒落岩石的膨胀系数及采空区的充填程度相关。从力学机制上讲，离层是由于上、下岩层的抗弯刚度不同，相邻岩层间必然产生法向位移。当上位岩层的抗弯刚度大于下位岩层时，则会产生离层运动；当上位岩层的抗弯刚度小于下位岩层时，则形成组合运动，而岩层的抗弯刚度又取决于岩层的弹模和厚度。当相邻的上下岩层抗弯刚度接近时，由于上覆岩层的变形是由下至上逐层递进发展的，所以也会产生短期的离层。在上覆岩层运动的动态过程中，在采空区上方存在着多个离层裂隙和纵向断裂裂隙，上覆岩层中的离层面和纵向断裂面存在着张开和闭合，从产生、发育到最终闭合是一个动态变化过程。正是由于上覆岩层存在变化发展的纵向断裂面和离层间隙，为煤体内的卸压瓦斯、工作面和采空区内的游移瓦斯提供了通道和储存空间。当煤层顶板存在较坚硬的上覆岩层关键层时，可形成稳定的“砌体梁”结构，而在该位置不存在较坚硬的上覆岩层关键层时，则规则冒落带将继续发展，直至形成稳定结构。钱鸣高院士根据淮北矿业集团公司桃园煤矿的实验结果，整理出的回采工作面回采250m后采空区离层裂隙呈“0”型圈分布(见图3)图3 “O”兴圈示意图在上覆岩层主关键层破断稳定后，采空区中部离层趋于闭合，而在采空区两侧仍各保持一个离层发育区。从平面上看，由于关键层破断时形成“砌体梁”结构，在采空区四周存在一沿层面横向连通的采动离层发育区，在周边走向040m，倾向534m区间为裂隙发育区，沿顶板高度方向，随工作面推进离层由下往上逐步发展。4.1.2采空区内瓦斯分布规律采空区瓦斯涌出特征与煤层的赋存、回采条件密切相关，采空区瓦斯主要由采空区内遗煤和邻近煤层的瓦斯两部分组成。对于单一煤层回采，采空区瓦斯主要来源于采空区遗煤和少部分围岩涌出的瓦斯；在讨论有邻近层回采工作面采空区瓦斯涌出时，应从工作面回采后，所影响邻近层的卸压范围大小及单位时间内向回采工作面散出的瓦斯量人手。一般情况下，由于煤层回采，破坏了煤、岩体的压力平衡状态，上、下部负荷卸除，引起煤、岩体移动，并向采空区方向膨胀，从而导致包括错动而产生的相互贯通裂隙，这些裂隙与采空区沟通，形成了向采空区排放瓦斯通道。这样邻近层的瓦斯在其自身压力作用下，通过这些通道向采空区放散。 采空区瓦斯流动大体可划分为三个带，见图4。图4 采空区瓦斯流动“三带”示意图 1-涌出带；2-过渡带；3-滞留带在涌出带中，采空区遗煤和卸压邻近层解吸的瓦斯向工作面和采空区排放，进入涌出带的瓦斯流动速度较快，多以层流形式存在，且涌出带部分瓦斯被工作面风流和采空区的漏风流携带到回风巷内；随着工作面的推进，采空区进入过渡带，过渡带的瓦斯在工作面和采空区压差作用下，一部分进入工作面，另一部分暂时滞留在采空区内，该区域瓦斯流动速度也明显下降，流动呈现出不均衡性，处于层流、紊流交错阶段；进入滞留带时，释放采空区内的瓦斯一般滞留在采空区的深部，流动速度较低。上述3个带不是固定不变的，随着工作面的推进，采空区瓦斯涌出三带出现“浪涌”现象。4.2采空区渗流运动及其特性岩层受采动影响冒落，采空区冒落的岩石是形成空隙与裂隙的骨架，在研究采空区瓦斯流动规律时，可把冒落岩石及其空隙、裂隙视为多孔介质。多孔介质是由骨架和流体组成的一类复合介质，它具有以下的特点。(1) 多孔介质是多相物质所占据的一部分空间。多相物质中至少有一项不是固体，它们可以是气相或液相。固体部分称为多孔骨架，没有固体骨架的那部分空间叫做空隙空间或孔隙空间。(2) 至少有部分孔隙应相互连通，不连通的空隙可以看作是多孔骨架。瓦斯在采空区内的流动属于孔隙介质中的渗流流动。在研究渗流时，可以用一种假想的连续介质代替真实的孔隙介质。4.2.1假想渗流运动假想渗流速度定义为：v= Q/S 式中，v 为假想渗流速度，m/s；Q 为通过假想渗流截面积的流量，m3/s；S 为假想渗流截面积，m2。假想的连续介质渗流风速为：vi= Q/(ns )=v/n 式中，v 为采空区漏风的真实平均速度，m/s；s 为渗流通道断面积，m2s；n 为采空区的孔隙率；Q 为断面积s上的渗流流量，m3/s。用假想的渗流代替真实的渗流后，就可以用多孔介质流体力学理论来分析采空区渗流运动规律。实际上，该渗流只通过孔隙所占的空间，如设介质的孔隙率为n ，则孔隙内风流的平均速度v平均为：v平均=nu， 式中，u为孔隙空间中的实际平均流速，m/s。4.2.2假想渗流性质(1)在多种介质中任意分出一个面，假想渗流的流量等于这个面真实流量，在所给面上的假想渗流的压力等于真实渗流的压力。(2)假想渗流在它任意体积内所受的阻力和同体积的真实阻力相等。(3)假想渗流的速度在其体积内是连续分布的。因此，可以把渗流看成连续流来研究，这样不仅可以避免研究个别孔隙中气体近地点运动规律的困难，而且还可以利用水力学和流体力学中的理论来研究渗流问题。4.3采空区瓦斯运移和浓度分布规律采空区瓦斯涌出过程表现为采空区内的瓦斯受风流机械扩散作用向工作面上隅角运移，这是造成回采工作面瓦斯超限的直接原因之一。为了有效地治理工作面瓦斯，必须研究采空区瓦斯运移和分布规律，掌握采空区高浓度瓦斯富集区域和运移趋向，以及它与工作面上隅角瓦斯积聚的关系，为选择合理的工作面通风参数、采空区瓦斯抽放方法和参数提供依据。4.3.1 沿采空区深处方向瓦斯浓度变化规律对于无内部漏风的采空区，瓦斯浓度分布规律见图5。图5 采空区瓦斯等浓度场示意图Ci-瓦斯等浓度线（C1C2C3C4C5）；C5-采空区同工作面上隅角交界处瓦斯浓度；L-高抽巷或高位钻孔裂隙到工作面距离由图5(a)看出，从工作面到采空区深处方向，瓦斯浓度连续增大，到一定距离后瓦斯浓度达到最大值。其原因如下。(1)高瓦斯煤层在回采过程中，上邻近煤层发生垮落、断裂和下沉移动，大大改变了其自身原始透气性和封闭状态；下邻近煤层也受采动影响而产生大量裂隙，透气性增加，从而使邻近层内游离瓦斯向采空区大量涌出，随着邻近层瓦斯压力下降，使原来处于吸附状态的瓦斯解吸为游离状态，形成向采空区连续流动的瓦斯源。(2)临近工作面的采空区，冒落岩石空隙大，流经该处的风流速度大，因此越靠近工作面，风速越大，风流对瓦斯的稀释、运移作用越大，瓦斯浓度相对较低，使该区域瓦斯浓度梯度较大。(3)距工作面一定距离到采空区深处方向一定范围内，瓦斯浓度稳定。这是由于随着工作面推进距离的增大，邻近层瓦斯来源减少，受采空区内风流的稀释、运移作用，瓦斯浓度变化小，且逐渐趋于稳定。由图5(b)看出，由于采用了顶板巷道(钻孔)抽放采空区瓦斯，在采空区内的抽放处附近会形成气体紊流，为研究方便可将这个小区域视为层流气体(C )，在抽放负压的作用下，其它等瓦斯浓度线受其影响会发生一定的改变，工作面上隅角处瓦斯浓度c 是一种临界状态，其值可以根据煤炭自燃条件确定。煤炭自燃的必要条件是 ：有自燃倾向性的煤被回采后呈破碎状态，堆积厚度一般要大于0.4m；有较好的蓄热条件；有适量的通风供氧条件。通风是维持较高氧气浓度的必要条件，是保证氧化反应自动加速的前提，实验表明，氧浓度大于15时，煤炭氧化方可较快进行；上述3个条件共存的时间大于煤的自燃发火期。4.3.2采空区瓦斯涌出量的分析采空区瓦斯的运动表现为向纵深上部浓度逐渐递增的发展趋势，还通过煤岩体的孔、裂隙不断向回采工作面上隅角运移，造成工作面上隅角瓦斯急剧积聚与超限，工作面回风流中的瓦斯浓度不断上升，从而造成瓦斯事故发生。因此，治理回采工作面及其回风流中的瓦斯，关键应从治理采空区瓦斯涌出量着手，切断涌向回采工作面上隅角瓦斯来源的通路和改变采空区瓦斯流动状态，以减少采空区瓦斯涌向回采工作面及其回风流中的瓦斯量。5. 采空区瓦斯抽放分类如图6所示，采空区瓦斯抽放方法根据采空区类别按瓦斯来源可分成3类：回采工作面采空区瓦斯抽放方法、老采空区瓦斯抽放方法、报废矿井瓦斯抽放方法。其中回采工作面采空区瓦斯抽放方法又分为：冒落带（冒落拱）瓦斯抽放、采空区积聚瓦斯抽放及回采工作面上隅角局部积聚瓦斯抽放等3种方法。而采空区瓦斯抽放方法又根据实施方式的不同分为：钻孔抽放方式、巷道抽放方式、插（埋）管抽放方式。 图6 采空区抽放瓦斯方法分类6. 采空区瓦斯抽放可行性向冒落带打钻或用低位集瓦斯巷道方式比邻近层瓦斯抽放率低，抽放瓦斯浓度也要低，但比埋管抽放采空区积聚瓦斯的抽放率及浓度要高，抽冒落带邻近层瓦斯及插埋管抽采空区积聚瓦斯，技术上都是可行的。插管抽放(排)上隅角瓦斯，在技术上也是可行的，但一般浓度较低(20)，所以需要单设一趟抽放瓦斯管路进行抽放。此外，当煤层属于容易自燃及自燃煤层时，采空区瓦斯抽放时，必须实施采空区自然发火监测，抽放负压不能过大，以防止采空区煤的自燃。7. 采空区瓦斯抽放方法技术7.1回采工作面采空区瓦斯抽放方法7.1.1采空区冒落拱(带)卸压瓦斯抽放方法抽放采空区冒落拱(带)卸压瓦斯的手段有两种：抽放钻孔与顶板走向巷道抽放。钻孔布置方法可以从回风巷布孔抽放冒落拱(带)瓦斯(如图7)，也可以从回风巷高位钻场布孔抽放冒落拱瓦斯。当存在近距离邻近层卸压瓦斯大量涌向回采工作面采空区时，可采用打钻孔到冒落拱上方抽放采空区卸压瓦斯的方法。若从回风巷掘一36 m长的钻场，向上爬高层位后再打孔，抽放效果会更好。缺点是：增加了斜巷钻场掘进量；钻场掘在回风巷下帮，机采面过该斜巷时有一定困难；且高位钻场内存在通风问题；钻机斜巷搬运困难。图7 从回风巷布孔抽放冒落拱瓦斯方法利用顶板走向煤(岩)巷道抽放采空区瓦斯主要用于邻近层瓦斯涌出量大(一般达30 m/min以上)用钻孔抽放瓦斯效果不好的工作面。巷道方式与钻孔相比，巷道可以曲线拐弯避开顶板冒落带，防止开口段与开采巷道连通；巷道断面积远大于钻孔，所以有利于收集卸压瓦斯及减少抽放阻力。缺点是增加了矿井的岩巷掘进量，如图8。顶板走向巷道的层位决定抽放瓦斯效果，原则上应选择在邻近层瓦斯涌出密集区，还应满足工作面采过后不会很快被破坏。根据回风巷岩石移动卸压角及通风负压影响，顶板走向巷道距回风巷的投影距离应大于24 m，小于工作面长度的1/2，一般位于1/3工作面长度处。顶板走向巷道抽放采空区瓦斯在阳泉、淮南、铁法多个矿区应用较成功。图8 顶板走向巷道抽放（a平面图，b剖面图）7.1.2采空区埋管抽采方法在采煤工作面回风巷安设焊缝钢管作为瓦斯抽采管，在抽采管的末端设一弯管，使抽采管口抬高至回风巷顶部，并设木垛对其管口进行保护。在工作面后部抽采管上每隔3050m(合理数据需在试验中考察确定)安装一组三通、控制阀门及埋管组件，在工作面推进过程中，将埋管口保留在工作面的采空区，通过抽采管路对半封闭采空区瓦斯进行抽采，布置方式见图(9)。也可考虑采用菱镁混凝土管作为瓦斯抽采管，抽采方法为：在工作面回风巷内铺设大直径菱镁管，管路每隔一定距离串接一个具有组合阀门的三通管件作为抽采采空区瓦斯的吸气口。随着工作面的推进，管路上的吸气口进入采空区内最佳抽采位置，吸气口的组合阀门打开，通过此口抽采采空区瓦斯。当该吸气口进入采空区更深处时，可打开下一个三通管件的组合阀门，依此类推，使吸气口保持在最佳抽采位置。在吸气口进入采空区之前，应拆掉三通管件的法兰死堵，安装上组合阀门；还需在三通管件上接一段(1.21.5m)垂直向上的钢管，抬高吸气口的位置，以抽出采空区内高浓度瓦斯。该方法操作比较简单，不需要增加井巷工程量及钻孔工程量，但瓦斯抽采率较低，适用于邻近层卸压瓦斯及采空区瓦斯涌出较小的回采工作面采空区抽采。图9 采空区埋管抽采示意图7.1.3顶煤专用巷道抽放采空区积聚瓦斯方法在煤层中施工顶煤专用巷道，用以抽放采空区积聚瓦斯的方法，如图10所示。有时也采用专用巷与埋(插)管相结合抽放采空区积聚瓦斯方法，如图11。顶煤专用巷道适用于采空区积聚瓦斯涌出量很大的特厚煤层综放工作面抽放瓦斯。这种方法宜在厚煤层应用。如老虎台回采初期只采用埋管抽放瓦斯方法；走向长度增大后，采用顶煤专用抽瓦斯巷抽放瓦斯方法；在走向长度更加长时，采用顶煤巷道与埋管相结合抽放瓦斯方法，取得了很好的效果。该二种抽采空区瓦斯方法同样要加强对煤自然发火的监测。图10 顶煤专用巷道抽放采空区积聚瓦斯图11 顶煤专用巷与埋（插）管相结合7.1.4项板高位钻场、底板低位钻场水平钻孔立体抽采法顶板高位钻场在采煤工作面回风巷每隔50100m(据顶板来压步距确定，与来压步距成整数倍关系)左右向顶板施工一个钻场，在钻场内施工6l0个钻孔，终孔高度控制在上覆岩层的裂隙带范围内，距工作面回风巷的水平距离为520m左右，扇形布置，抽采上邻近层卸压瓦斯及采空区涌出瓦斯；底板低位钻场在采煤工作面下顺槽每隔50100m(据钻场间距与抽采量对比确定)左右向煤层底板施工一个钻场，在钻场内施工610个钻孔，终孔高度控制在距离煤层底板1215m左右，距工作面进风巷的水平距离亦为520m，扇形布置，用于拦截下邻近层卸压瓦斯。钻孑L长度均应保证与前一钻场压差在l0m以上，工作面推进过前一钻场后，该钻场封闭，后一钻场抽采钻孔联人抽采系统进行抽采，依次类推。布置方式见图12。该方法在鸡西矿区和淮南矿区低透气性煤层开采中取得成功，抽采瓦斯浓度可达45t以上。图12 钻场水平钻孔立体抽采法示意图7.1.5工作面尾巷抽采法在回采工作面回风巷一侧平行掘进排瓦斯尾巷，抽采管与回风巷每隔2040m(视抽采效果而定)用联络巷联通，工作面开采后，首先在第一联络巷的尾巷内筑密闭、插入瓦斯抽采管，抽采采空区内瓦斯，随着工作面推进，密闭往后迁移，依次进行抽采。根据阳泉矿务局及水城矿区抽采经验，抽采瓦斯浓度可达2530。布置方式见图13。图13 工作面尾巷抽采法示意图7.1.6工作面上隅角瓦斯抽放方法上隅角局部积聚瓦斯处理方法除改变回采工作面通风方式外，应采用专用装备抽排上隅角瓦斯，如引射器，移动抽放泵站等。目前较常用的井下移动泵站插管抽放(排)上隅角瓦斯方法如图14所示。抽放管插入上隅角的最大深度可根据上隅角瓦斯浓度分布点确定。为了移动方便，可用伸缩软管与抽放管相联接，插管可以一根，也可以多根。插管抽(排)放上隅角低浓度瓦斯在我国许多高瓦斯高产工作面广泛应用。由于浓度低，混合量大，所以要求抽放系统(泵及管路)能力较大。图14 井下移动泵站抽放上隅角瓦斯方法7.1.7直接向采空区打钻抽采该方法在开采急倾斜厚煤层时用的较多，可从运输水平或回风水平的底板岩巷或下部煤层的巷道向采空区打钻进行抽采，抽采钻孔进入采空区的位置以靠近回风侧、在阶段垂高的03左右处为宜。在天府矿务局及中梁山矿务局进行过本方法瓦斯抽采试验，抽采时间一般一个月左右，瓦斯浓度平均2378。7.1.8Y型通风系统抽采法Y型通风系统抽采法为我国淮南地区最新研制成功的开采低透气性高瓦斯煤层时治理瓦斯的一种新技术：Y型通风巷道系统：在煤层群开采时首选关键卸压层，建立“二进一回”的Y型通风巷道系统，可采用相邻的两个工作面同时设计、施工三条巷道或利用在采区边界建立回风上山构成。Y型通风巷道系统可以采用风门、风窗，调节供风风流，确保风流场的稳定。留巷支护：沿留空巷巷道是沿采空区边缘人工构筑高强支撑墙体将工作面回采巷道保留下来，沿空巷巷道由原工作面回采巷道顶板、底板、保留煤帮及人工构筑高强支撑墙体构成。沿留空巷巷道支护采用高强度、大预应力锚杆(索)、网、梁联合支护，锚固控制岩体变形提高其主动承载能力，并与留巷充填共同承受采动应力的破坏。充填留巷：选用混凝土充填泵，进行沿留空巷快速连续充填。膏体充填材料通过高压卡箍链接管道，泵人充填模板内，固化后形成充填墙体。首采层开采后，邻近层卸压瓦斯通过采空区顶板煤岩层和底板煤岩层受采动影响形成的裂隙通道汇集到顶板卸压裂隙圈和底板裂隙圈内，在沿空留巷内布置上、下向抽采瓦斯钻孔对卸压裂隙圈内的解吸游离瓦斯进行抽采。Y型通风方式具有以下几个优点：第一没有上隅角，解决了瓦斯积聚的问题；第二是工作面回风侧可以降温35度；第三实现无煤柱连续开采，既节省了资源，又起到充分保护卸压开采抽采瓦斯的作用；第四少打了三四条巷道，节省井巷工程投资。该方法在淮南地区试验成功，采区瓦斯抽采率可达70以上，达到国际领先水平。适用于具有或经过改造后具有与沿空留巷相通并构成Y型通风的巷道系统，直接顶中等稳定以上、基本顶易垮落并能充填采空区，一次采全高工作面，采高4.Om以下，放顶煤工作面的煤坚固系数f2，留设巷道宽度在5.5m以内。7.2老采空区瓦斯抽放方法老采空区内容易积聚着大量瓦斯。随着上邻近层的卸压范围增大，远距离邻近层也会下沉而卸压涌出瓦斯。老采空区瓦斯抽放采用全封闭采空区瓦斯抽放方法，当封闭后的采空区中储存有大量的高浓度瓦斯时，这些瓦斯往往通过巷道密闭或煤柱的裂隙泄漏出来，影响其他区域的安全和生产。全封闭采空区抽放方法通常有密闭巷道抽放，均压密闭抽放和地面钻孔抽放。密闭巷道抽放的方法是：在与采空区连接的巷道中打密闭墙，然后将管子插入采空区中直接抽放瓦斯，密闭墙后13m，中间充填黄土和砂子，抽放管插进10m左右。由于抽放负压的作用，采空区的气压低于密闭墙外面的压力，为避免采空区外的空气漏入采空区内，抽放巷道内建两道抽放墙，两墙之间是均压室，当均压室中气体的压力与采空区内的压力相等时，外面的空气只能漏入均压室，而不能进入采空区。排除均压室中气体可采用小型抽放设备，并可由电磁阀控制启动，用压力传感器监测采空区与均压室之间的压力差。7.2.1密闭巷道抽放老采空区瓦斯方法在与采空区连接的巷道中打密闭墙，然后将管子插入采空区中直接抽放瓦斯，密闭墙后13m，中间充填黄土和砂子，抽放管插进10m左右。7.2.2井下钻孔抽放老采空区瓦斯方法抽放瓦斯钻孔可以从已采区的保留巷道向老采空区打高仰角走向钻孔，也可以从下一工作面回风巷或尾巷打高仰角的穿层钻孔。7.2.3地面钻孔抽放老采空区瓦斯方法地面钻孔抽采是美国采空区瓦斯抽采技术中应用最为成功的方法之一。在澳大利亚的许多矿井，以及我国的铁法矿区、淮北矿区，都成功地对该技术进行了应用。这种方法通常是从地面向开采层上方施工直径为300450mm的垂直钻孔，终孔位置一般距开采层顶板510m， 当顶板垮落后，利用钻孔从具有大量裂隙的冒落带抽采瓦斯。钻孔上部使用套管加固，而底部则使用槽管，防止由于岩层移动造成的钻孔闭合。地面钻孔的数量及其它相关参数应根据工作面的长度、采空区瓦斯涌出及开采速度、钻孔的抽采半径等进行合理的确定。煤层开采以后，在采面的后方形成采空区，并在采空区内形成卸压空间。由于卸压作用而产生的裂隙在横向和竖向方向形成“横三区”和“竖三带”， 即煤壁支撑影响区、离层区、重新压实区、冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。随着工作面的推进“横三区”和“竖三带”也将发生动态变化，这一变化对本煤层及邻近煤层瓦斯的涌出起到了重要的影响作用。位于采空区上方的顶板岩层在自重的作用下， 发生弯曲、断裂、破碎成块而冒落，并无规则地堆积在采空区内，形成冒落带，其高度通常为采出厚度的35倍。冒落岩块具有一定的碎胀性， 岩块之间的空间较大，这为瓦斯的流通提供了良好的通道。而位于冒落带上方的岩层由于缺少顶板岩层的支撑作用，将产生较大的弯曲、变形及破坏。在岩体中出现顺着岩层层理面的离层裂隙和垂直于层理面的破断裂隙，形成裂隙带，其高度一般为采高的1030倍。部分层间破断裂隙的相互贯穿为处于裂隙带内的邻近层瓦斯涌入到采空区提供了流动通道。远离开采层、位于裂隙带上方的煤岩层，由于受采动影响相对较小，岩层不发生破断，不能形成贯穿岩层的竖向破断裂隙，但能产生较大的离层裂隙。弯曲下沉带内上覆远距离煤层附近形成的离层裂隙成为该煤层卸压瓦斯聚集和流通的主要通道如图15所示。图15 地面钻井抽采采动卸压瓦斯原理7.3报废矿井瓦斯抽放方法报废矿井瓦斯抽放方法是指全矿井封闭后，利用原有的井巷，根据瓦斯涌出地点进行抽放瓦斯工程布置开展瓦斯抽放，我国至今还没有进行。而法、英等国，由于报废矿井的瓦斯储量丰富、而且长时间向大气涌出瓦斯，故对报废矿井进行了瓦斯抽放及利用。如法国中央煤矿报废后，抽放瓦斯达5a，抽出总量达73.42 Mm3。将来，对我国报废的高瓦斯矿井，也可考虑进行瓦斯