泄突假说在高瓦斯矿井中的应用

1、泄突假说在高瓦斯矿井中的应用郑文彬摘要随着采掘面的推进，前方瓦斯受压p0 与采掘空间的压力 p1形成压差 p 就必然引起瓦斯从压力大的煤岩体泄到工作空间； 如果压差 p 与瞬时单位时间内解吸瓦斯量v 的积构成的能量，远大于解吸瓦斯包到采掘自由面这个厚度所形成的抵抗， 就会发生突出。 即： pv kfl (1)p=p0-p1 (2)p 是围岩对瓦斯产生的压力， v 是单位时间瓦斯的解吸量，k 是常数， f 是岩煤的普式系数， l 是抵抗厚度。第一，如果（1 ）式中左远大于右是发生突出的条件第二，如果（1 ）式中左约大于等于右则易发生动力现象第三，如果（ 1 ）式中左小于右，但由于（ 2 ）式 p

2、=p0-p1远大于零，这是开采卸压后瓦斯涌出工作面的动力所在。第四， （ 1 ）式参数 f 的变小区域就是煤岩变松软，有节理，有断层的区域，同时在这个区域瓦斯解吸越快， 影响在（ 1 ）式中左面 pv 的量就大， 右边 kfl 量越小；防突，治理高瓦斯， 找到构造带，提前泄排该区域的瓦斯，保证采掘安全的关键。关键词；矿压，泄压，瓦斯， 解吸，构造，断层pvkfl正文一， 瓦斯泄放突出条件假说随着采掘面的推进，前方瓦斯受压p0 与采掘空间的压力 p1形成压差 p 就必然引起瓦斯从压力大的煤岩体泄到工作空间； 如果压差 p 与瞬时单位时间内解吸瓦斯量v 的积构成的能量，远大于解吸瓦斯包到采掘自由面

3、这个厚度所形成的抵抗， 就会发生突出。 即： pv kfl (1)p=p0-p1 (2)式中 p 是矿压， v 是单位时间的瓦斯解吸量， k 是常数 ,f 是岩性系数， l 是抵抗厚度。第一，如果（1 ）式中左远大于右是发生突出的条件第二，如果（1 ）式中左约大于等于右则易发生动力现象第三，如果（1 ）式中左小于右但由于（2 ）式： p=p0-p1 0，开采后形成的压力差， 利用这个条件可以泄放掘进面前方瓦斯瓦斯，抽放采空区瓦斯。第四， （ 1 ）式参数 f 的变小区域就是煤岩变松软，有节理，有断层的区域，同时在这个区域瓦斯解吸越快， 影响在（ 1 ）式中左的量就大， 右边量越小；防突，治理高

4、瓦斯，找到构造带，提前泄排该区域的瓦斯， 是采掘安全的关键。二，瓦斯泄放突出假说在我矿采掘进工作面的应用1 ， 矿井煤层情况我矿区内有三层煤，从上到下是三慌四碳，双龙碳，上下连煤，双龙碳上 90 米是三慌四碳，双龙碳下 20 米是上下连煤，煤层倾角 8-12 度， 我矿区的双龙炭仅仅 0.35 米厚， 现在开采的是上下连煤， 上连煤 0.19 米， 下连煤 0.31 米， 中间夹矸 0.6 米，开采过程中双龙碳瓦斯涌向开采后的上下连采空区， 因而相对瓦斯涌出量大， 2009 年鉴定的瓦斯相对涌 129 立方米/ 吨。我矿现在是两个水平+830 水平和 +730 水平，每个水平一个采煤工作面和三

5、个掘进，主皮带井贯穿 +830 水平和 +730 水平；工作面以倾斜长臂采煤法为主。2 , 掘进工作面的瓦斯泄排在掘进工作面提前打泄放孔是根据突出泄放机理排出前进方向上 f 变小区域的瓦斯，减小 pv 侄，防止掘进面时瓦斯有破坏性趋向的涌出。 在 2006 年前我矿掘进面放炮时瓦斯就常常超线，常常达到 2.5% 以上， 多半发生在靠近断层的地方； 2006 年后我矿根据突出泄放条件假说制定了掘进工作面打泄排瓦斯钻孔的布置图，掘进面前方的眼主要是泄放前进方向上的 f 变小区域的瓦斯，前进方向上的泄放眼越深越好；一般在 35 55 米，孔径取 65mm-95mm 。 帮眼主要是提前引泄出帮壁方向内

6、 f 变小区域带来的瓦斯， 帮眼的最小深度至少超过帮应力的集中区， 根据图,图二的应力分布曲线，3.6米宽的巷道垂直深4米，与巷道前进方向取15度的夹，打眼深度为16米，孔径65 mm。2.2米的巷道垂直深度为3米，角度15-30度，帮眼孔深6-12米, 帮眼步距应该不大于瓦斯的自然泄放半径。如下列图式:图一（2.6米宽以上巷道）图二（2.6米宽以下巷道）巷道掘进后围岩应力分布图如果遇到大的构造，每分钟瓦斯涌出量大于 3 立方米时，安装上抽放管， 连接到地面抽放系统的管道中。 施行此项技术措施后掘进工作面放炮后瓦斯基本不超过1% ， 完全可以控制在1.5%内。4，采煤工作面的瓦斯抽放我矿先开采

7、的上下连煤薄而硬， 布置抽放眼孔打眼比较困难，通过几年的实践， 完全可以打到 80 米以上的眼孔， 孔径一般为75mm ， 眼孔布置要求：一要全面覆盖，二要均匀，其采煤工作面抽放眼孔的布置图有如图 1 ，图 2，图 3 ，图 4 ，四种布置，分别在我矿的 3101 ， 3202 ， 2206 ， 1402 工作面用过，抽放效果是图 3 和 图 4 的效果最好。图 1 工作面推进首先破坏的是抽放眼口， 因而不能利用工作面推进时引起的应力变化带来的瓦斯进一步泄放； 图 2 的效果工作面推进时首先破坏是抽放眼孔利用工作面应力变化带来的瓦斯泄放效果比图 1 好， 但比图 3 差， 图3 眼孔与工作面推

8、进方向平行，工作面靠近抽放孔时，应力变化对靠近工作面的抽放孔引起的变化，即根据泄放条件p=p0-p1的波动变化使得瓦斯容易泄放， 抽放效果更好， 图 4 是图 3 和图4 二方式的混合，他们的交叉使交叉处孔应力叠加，使得在抽放是瓦斯抽放效果更好。 图 3 和图 4 的眼孔布置效果好的原因主要是，一方面有图 1 图 2 的均衡布置， 工作面推进未达到时，释放了 f 变小区域裂隙和断层瓦斯的效果。另一方面工作面推近时利用了工作面推进应力的变化， 使硬煤层得到一定破坏减小了f 值，同时造成的应力变化( p=p0-p1 )能足进瓦斯泄放。图 4 时最合乎泄突机理的布孔方式。我矿采煤工作面顺层孔深度25

9、% 达到了 80 米， 45% 达 55米， 30% 在 55 米以下，规定如果有两个连续的眼达不到 55 米就必须补打眼。 08 年以来我矿的顺煤抽放瓦斯浓度基本可以维持在 35% ，矿井顺煤孔抽放总量能达到 15 立方米/分。图1:上行孔布置图（工作面倾斜向上开采）图2:下行孔布置图（工作面倾斜向上开采）lh图3:平行孔布置图（，作卸倾斜网上升米）工作面回风巷工作面运输巷图4:平行孔与下行孔交叉布置图（工作面倾斜向上开采）工作面回风巷工作面运输 巷图a:顶板高位钻床钻孔布置平面图a-a剖面顶板钻孔图b:采空区后部顶板钻孔布置图4、采空区的瓦斯抽放在采煤推进后，采空区顶板全部泄压，且面积大，

10、这样原来在岩层中的瓦斯在p=p0-p1压力的用下就大量逐步泄放出来引起工作面采空区瓦斯大量增加，进而影响工作面；我矿现在开采的上下连上面20米是双龙碳，其瓦斯泄出涌入进入采空区瓦；选择高位钻床全覆盖逐步开采后形成的采空区，这对顶板卸压后瓦斯泄出起到了收集抽放排出的效果。图a:在工作面前的顶板上6-15米中找到一层比较脆的岩石 做高位钻床，然后在高位钻床里向采空区打平行于煤层的顶板岩石钻孔，孔均匀覆盖整个工作面，一个钻床一般是 10 到 15 个眼孔 ,孔径为 90mm 。这种布空方式的依据是：我矿煤层的采出高度是 0.7-0.8 米，采空区顶板下沉区是瓦斯的泄压解吸区，同时是高浓度区域。达到这

11、种方式的工作面采空区瓦斯能有效抽放， 可实际我矿达到这种布孔抽放方式的数量不多； 实际大部分钻床相距是40 米，因为有岩石钻孔大部分只能打 60 米，对工作面覆盖面积变小，工作面上遇角瓦斯也常常超限。采用图 b的方式是对图 a 做的补充。图 b ：在工作面前面的回风巷5 米位置，向本采面后的采空区打一组眼，与顶板成 30 度和 45 度两倾角的间隔打 6 个到 8个；孔径为 55mm, 孔深分别对应的是25 米和 20 米。先埋好管在打好的眼孔中，等采煤推过后再封孔， 这种孔封孔的垂直高度大于 4 米，抽放浓度能达到 35% ；封孔垂直高度5.5 米抽放浓度能达到 55% 。单孔抽放瓦斯量可以

12、达到 1 立方米/分，这个方式可以推理验证图 a 中顶板的布孔高度与浓度的关系， 从实际现场条件确定顶板钻床的布孔高度。顶板抽放中图 a 方式初期成本高， 布孔时间长， 当抽放时间，效能高， 即使工作面开采完了最后一个钻床保持部分眼孔的抽放对老采空区瓦斯的泄出也起到很好的管理作用， 这种布孔方式的抽放是顶板抽放的主流。图 b 方式成本低，施工快，在图 a方式施行后，采空区上遇角还严重超限等效果不好时的补充手段。这两年来实行了这种布孔抽放，顶板孔抽放的浓度可以稳定 在 40% 以上， 能从二个工作面顶板中每分钟抽出 24 立方米的瓦斯纯量。根据泄突假说机理，今后先进的钻眼设备打孔能达到 150

13、米的，又适合我矿的巷道运输和人员操作，我们的钻孔打得更深，做顶板钻床的距离就可以拉大， 同时一个钻床可以打眼覆盖相临的两个工作面，那样效率更高，抽放效果会更好。这种顶板钻床的最后一个在工作面开采后仍然保留下部分眼孔来定期抽放，对我矿工作面后退式区内前进式的采空区瓦斯控制非常有好处；充分泄放了采空区的瓦斯也就泄放了顶板上面20 米处双龙煤炭的瓦斯， 也为我们今后开采仅0.35 米厚的双龙煤排出了瓦斯障碍。三，泄突假说在矿井预测上的运用在突出泄放中 f 是最重要的参数。 从 2009 年后我矿根据几年来矿井掘进开采探出的地质构成资料， 标注地质构造位置， 断层分布区域，既（ f 变小的区域，和解吸

14、v 变大的区域） ，构成我高瓦斯矿井瓦斯区域重点防治和工作面重点防治的范围； 同时根据掘进面瓦斯涌连续变大的趋势， 放炮时瓦斯的最大值与超限次数，可以估计前面有可能会有构造。如果一班均量超过一日均量，一日均量超过三日均量，三日均量超过平常的均量这反过来可以推断前面有构造。 现代的监控系统能累积出需要的几日均量，运用股票移动平均线的技术分析，可以有30% 以上的正确率预测前面可能的异常情况。突出泄放假说机理帮助我们从已知的断层构造带预测瓦斯危害的区域，同时从瓦斯连续异常推断出前面的构造和危害区域。四，泄放突出条件假说的意义突出泄放假说为我们的瓦斯防治，瓦斯抽放方案做了理性的指导， 使我们比较直接

15、的找到了适合我矿的瓦斯治理方案。 解决了瓦斯异常涌出带来的安全危害；抽取了瓦斯降低了通风的压力； 为瓦斯的进一步利用奠定了基础； 这几年来我们矿井的煤层抽放瓦斯量在12-18 立方米之间，顶板抽放瓦斯量20-25 之间，总的抽放浓度达到 40% ，抽放的瓦斯纯量每分钟为 35 立方米，矿井风排瓦斯量每分钟 25 立方米，矿井抽放率达到 58% 。雅安有部分煤层相对涌出量比较高达到 50 立方米/吨以上，煤层瓦斯含量大于 20 立方米 / 吨，如果进行突出参数测定，压力或解吸量指标可能接近突出的线， 但由于雅安地区的煤岩普遍硬度系数比较大，加上煤硬而薄；既突出假说条件（ 1 ）式中右面的抵抗能力增强， 所以正常条件无突出表现， 但雅安地区地面山形标高变化大， 即使开采同一标高的两个区域的煤它的矿山压力相差是