1、采煤工作面瓦斯抽放技术摘要：瓦斯灾害的有效控制是保证综采工作面正常生产的一个关键问题。因此，要不断促进瓦斯抽放技术的完善，以促进现代化矿井瓦斯管理工作不断完善。本文在分析现行煤矿瓦斯抽放系统状态及抽放效果的情况下，探讨了影响煤矿采煤瓦斯抽放效果的因素，同时，提出了提高瓦斯抽放率的有效途径，并提出了合理的瓦斯抽放方法。关键词：煤矿采煤；瓦斯；瓦斯抽放1 绪论1.1引言在日常生活中，人们一谈起沉船、空难、交通事故、火灾等，无不为之大惊失色，殊不知煤矿瓦斯爆炸更是令人惊骇、痛心。据资料统计，在我国煤矿的重大灾害事故中70%以上是瓦斯事故。19901999年全国煤矿共发生3人以上死亡事故4002起，共
2、死亡27495人，其中：瓦斯事故2767起，共死亡20625人，占3人以上死亡事故总起数的69. 14 %，死亡人数的75.01%。20012005年2月底，全国煤矿发生一次死亡30人以上的事故28起，死亡1689人。其中，瓦斯事故24起，死亡1558人，事故起数和死亡人数分别占86%和92%。仅2004年10月2005年2月，短短5个月内就发生死亡人数超100人的特大型瓦斯爆炸事故3起，3次事故死亡人数528人，其中：2004年10月20日，河南郑州矿务局大平煤矿发生瓦斯爆炸死亡148人；2004年11月28日，陕西铜川矿务局陈家山煤矿发生瓦斯爆炸死亡166人； 2005年2月14日，辽宁省
3、阜新矿业（集团）公司海州立井发生特大瓦斯爆炸事故死亡214人。每年由于瓦斯事故造成直接经济损失近10亿元，间接经济损失近30亿元。近年来，我国煤矿瓦斯灾害事故仍呈上升趋势，给煤矿安全生产造成极大危害。瓦斯是危害矿井安全生产的重要因素之一。瓦斯对矿井安全的威胁主要有爆炸、突出、窒息等三种形式，其中瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出给煤炭矿山企业带来的危害极大，它严重威胁着井下人员的生命和矿井设施的安全，并迫使矿井停产，投入大量的人力物力进行抢险救灾。2001年国家煤矿安全监察局和中国煤炭工业协会联合在铁法召开了全国瓦斯治理专门会议，会上提出的“先抽后采，监测监控，以风定产”的十二字安全生产方针，是国家煤矿安
4、全生产局致力于建立防范瓦斯长期有效机制的基石，瓦斯抽放不仅是安全生产的需要，也是节省能源、保护环境的迫切需要。高产高效集约化生产是我国煤炭生产方式的一大飞跃，也是我国煤矿生存与发展的必由之路。由于集约化生产的开采强度大、生产集中、推进速度快，使采煤工作面瓦斯涌出具有强度高、数量大和涌出不均衡等特点，同时综采工作面由于采高大、采长大、走向长度长等特点，因而采空区面积大，常造成回风流和局部瓦斯（尤其是上隅角）超限，对安全生产构成了极大威胁。瓦斯灾害的威胁极大地限制了矿井生产能力的发挥，采掘工作面因难以将瓦斯浓度控制在安全限度以内而不得不减慢采、掘速度，为消除煤层的突出危险性而不得不占用更多的采掘时
5、间去强化消除突出的防突措施，使许多矿井的生产能力不得不一减再减，浪费了大量的生产投资，高产高效的采、掘、运机械化装备难以发挥效能，劳动生产率水平低下。更有不少高瓦斯突出矿井步入恶性循环，最终导致矿井破产关闭。因此，在当前市场经济条件下，瓦斯灾害治理的好坏已成为矿井特别是高瓦斯矿井兴衰存亡的关键因素之一，而对瓦斯涌出量的高精度预测和高效率的瓦斯抽放是瓦斯防治技术中的主要方面。所以对矿井瓦斯涌出量做出准确的预测预报和提高瓦斯抽放效率对矿山企业有重大的理论和现实意义。1.2国内外瓦斯抽放研究现状在国外，瓦斯抽放已成为降低工作面瓦斯涌出量和防止突出的一种主要措施。前苏联一年的瓦斯抽放量为2324亿m3
6、而我国2002年全国瓦斯抽放量仅11. 46亿m3。针对低透气性煤层难抽问题，前苏联最先提出并付诸实施了交叉钻孔强化预抽煤层瓦斯的方法，显著提高了低透气性煤层的瓦斯抽放率；在开采深度大的条件下，日本采用大直径钻孔有效地提高了抽放效果；在钻孔密封技术工艺方面，德国和日本全面推广应用聚氨酯封孔技术，使抽放负压达50kPa以上。为提高瓦斯抽放率，在不断完善综合抽放方式的基础上，各国均研究和采用了强化抽放瓦斯方式，研制出了强力钻机，以提高钻孔钻进速度和钻进深度。日本研究成功了在高瓦斯长壁工作面顶板打水平钻孔（800m以上）抽放采空区瓦斯的工艺和相应的设备，单孔抽放量达23 m3/min，并研究应用聚
7、氨酯封孔技术，提高了钻孔密封效果。为适应抽放量增大的需要，美国、波兰正在生产和应用抽放能力为200m3/min以上的湿式、干式抽放泵，并建立瓦斯监测监控系统，实现安全和高效抽放的目标。我国工业抽放瓦斯始于1938年的抚顺龙凤矿，但连续系统地抽放瓦斯是1952年在龙凤矿建抽放瓦斯泵站开始的。经过几十年的发展，无论是瓦斯抽放方法，还是瓦斯抽放装备等均具有较先进的水平。我国目前矿井瓦斯抽放技术主要有：采掘前抽放（预抽），边采边抽和采后抽放（采空区抽放）。近年来抽放技术的发展是：北票试验成功穿层网格式布孔大面积抽放突出煤层，松藻打通二矿向冒落拱上方打钻抽放上邻近层和采空区瓦斯，鸡西城子河矿采用钻孔法多
8、区段集中抽放上邻近层和采空区瓦斯，铁法晓南矿利用水平岩石长钻孔抽放邻近层瓦斯等技术。在抽放瓦斯装备上，研制了系列打抽放孔的钻机，如ZY系列液压钻机、ZF系列风动钻机等，研制和推广应用了抽放管道正负压自动放水器，新型抽放管“三防”装置，快速接头及化学材料密封钻孔等。虽然取得了较快地发展，但总体上看水平仍然较低。我国目前的平均抽放率仅有23%，而俄罗斯、美国、澳大利亚等主要采煤国家的抽放率均在50%以上，大大高于我国。2 煤层瓦斯抽放技术煤层瓦斯抽放一般是指利用瓦斯泵或其它抽放设备，抽取煤层中高浓度的瓦斯，并通过与巷道隔离的管网，把抽出的高浓度瓦斯排至地面或矿井总回风巷中。目前认为，煤矿瓦斯抽放不
9、仅是降低矿井瓦斯涌出量，防治瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出灾害的重要措施，而且抽出的瓦斯也可变害为利，作为煤炭的伴生资源加以开发利用，因此从20世纪50年代起，世界上各主要产煤国对煤矿的瓦斯抽放甚为重视，使瓦斯抽放工作得到了较快的发展。世界煤矿年抽出瓦斯量由135106m3增至5430106m3左右。近年来，随着煤矿开采深度的加大和开采强度的提高，矿井瓦斯涌出量增大，抽放瓦斯已越来越成为高瓦斯煤层开采的一个必不可少的重要环节，并为煤矿瓦斯利用提供了重要条件。2.1概述2.1.1煤层瓦斯含量的影响因素煤层瓦斯含量是一定量煤中所含有的瓦斯量，它是煤层的基本瓦斯参数，是计算瓦斯蕴藏量、预测瓦斯涌出量的重要依
10、据。瓦斯的形成和保存、运移与富集，同地质条件有密切关系，并受到地质条件的制约。对于不同区域、不同煤田或不同块段，影响瓦斯赋存的地质条件存在着差异，起主导作用的因素也有区别，经研究分析影响煤层瓦斯含量的因素有以下六方面：（1）煤层的埋藏深度对瓦斯含量的影响煤层的埋藏深度增加不仅加大了地应力，使煤层与岩层的透气性变差，而且加大了瓦斯向地表运移的距离，有利于瓦斯的储存。在不受地质构造影响的区域，当深度不大时，煤层的瓦斯含量随深度呈线性增加，当深度很大时瓦斯含量趋于常量。（2）围岩性质对瓦斯含量的影响煤层围岩主要指煤层直接顶、老顶和直接底板等在内的一定厚度范围的层段。煤层与围岩的透气性对煤层瓦斯含量有
11、很大影响，其围岩透气性越大、煤层瓦斯越容易流失、瓦斯含量越小小；反之，瓦斯易于保存，煤层瓦斯含量大。一般来说，当煤层顶板岩性为致密完整的岩石时，如泥岩、页岩、细砂岩、；粉砂岩和致密的石灰岩等透气性差，煤层中的瓦斯容易被保存起来，易于形成高瓦斯压力，瓦斯含量大；若顶板为多孔隙或脆性裂隙发育的岩层，如以中砂岩、粗砂岩、砾岩和裂隙或溶洞发育的石灰岩为主时，岩石透气性好，瓦斯就容易逸散，煤层瓦斯含量小。（3）煤层厚度及变质程度对瓦斯含量的影响煤种单一，变质程度较高的煤层，生成的瓦斯量较多。其主要原因为：第一，煤层瓦斯的产出量直接依赖于煤化程度；第二，随着变质程度的加深，煤的气休渗透率下降，气体沿煤层向
12、地表方向运移也就更慢；第三，变质程度越高，煤的吸附能力越大，煤层中便于更多的气体赋存。（4）煤层倾角对煤层瓦斯含量的影响煤层倾角大时，瓦斯可沿着一些透气性好的地层向上运移和排放，瓦斯含量低；反之，煤层倾角小时，一些透气性差的地层就起到了封存瓦斯的作用，使煤层瓦斯含量升高。故不利于瓦斯的排放，利于瓦斯的赋存。（5）地质构造对煤层瓦斯含量的影响地质构造是影响瓦斯储存的重要条件。煤系地层为沉积地层，各种岩石的透气性有很大差别，在地层与地质构造的共同作用下，可能形成封闭型或开放型地质构造。封闭型地质构造有利于瓦斯储存，开放型地质构造有利于瓦斯排放。闭合而完整的背斜或弯隆又覆盖有不透气的地层是良好的储存
13、瓦斯构造，其轴部煤层内往往积存高压瓦斯，形成“气顶”。在倾伏背斜的轴部，瓦斯浓度通常也高于翼部。但是当背斜轴顶部因张力形成连通地表的裂隙时，瓦斯易于流失，轴部瓦斯含量反而低于翼部。向斜构造存在两种情况：一种情况下，因轴部受到强力挤压，透气性差，使轴部的瓦斯含量高于翼部；另一种情况下，由于向斜轴部瓦斯补给区域缩小，当轴部裂隙发育，透气性好时，有利于瓦斯流失，开采至向斜轴部时，相对瓦斯涌出量反而减小。断层对瓦斯含量的影响，一方面要看断层的封闭性，另一方面要看与煤层接触的对盘岩层的透气性。开放性（张性、张扭性、导水性）不论是否与地表直接相通，都会引起附近煤层瓦斯含量的降低；封闭性断层（压性、压扭性、
14、不导水性）与煤层接触的岩层透气性差时，可以阻止瓦斯的排放，可能形成高瓦斯区域。区域构造一方面形成了瓦斯分布的不均衡，另一方面形成了有利于瓦斯赋存或排放的条件。背斜鞍部和向斜轴部是良好的储气构造，且向斜轴部埋藏深度大，瓦斯运移排放较难，赋存较好。地质构造中的断层破坏了煤层的连续完整性，使煤层瓦斯排放条件发生了变化，一般为封闭型，不利于瓦斯排放。（6）含煤岩系沉积环境和围岩特征对瓦斯含量的影响瓦斯主要形成于煤层，而煤层的赋存和分布与聚煤期有着密切的关系。聚煤沉积环境控制了煤层的原始分布，煤厚及其变化又受沉积环境的制约，同时聚煤前的沉积环境与聚煤后的沉积环境及其演化环境影响着煤层下伏及上覆地层的岩性
15、岩性组合及其厚度变化，所以说沉积环境对瓦斯区域分布、瓦斯的圈闭、保存和逸散均有重要影响。含煤岩系的建造特征是瓦斯形成和保存的基础条件。海陆交互相含煤系，往往岩性与岩相在横向上比较稳定，沉积物粒细，煤系地层的透气性差，这种煤层的瓦斯含量高，陆相沉积与此相反，煤层瓦斯含量一般较低。2.1.2抽放瓦斯的原则及方法（1）瓦斯抽放的原则瓦斯抽放是一项集技术、装备和效益于一体的工作，因此要做好瓦斯抽放工作，应注意以下几条原则。抽放瓦斯应具有明确的目的性，即主要降低风流中的瓦斯浓度，改善矿井生产的安全状况，并使通风处于合理和良好状况；因此应尽可能在瓦斯进入矿井风流之前将其抽放出来。在实际应用中，瓦斯抽放还
16、可作为一项防治煤与瓦斯突出的措施单独应用。此外，抽出的瓦斯又是一种优质资源，只要保证一定的抽放瓦斯量和浓度，则可以加以利用，从而形成“以抽促用，以用促抽”的良性循环。抽放瓦斯要有针对性，即针对矿井瓦斯来源，采取相应措施进行抽放。在瓦斯抽放中应根据瓦斯来源，并考虑抽放地点时间和空间条件，采取不同的抽放原理和方法，以便进行有效地瓦斯抽放。要认真做好抽放设计、施工和管理工作等，以便获得好的瓦斯抽放效果。因此，在设计时，首先应了解清楚矿井地质、煤层赋存及开采等条件，矿井瓦斯方面的有关参数，预测瓦斯涌出量及其组成来源。在此基础上选择合适的抽放方法，确定可靠的抽放模型，设计一套合理的抽放系统。（2）抽放瓦
17、斯的方法瓦斯抽放工作经过几十年的不断发展和提高，根据不同地点、不同煤层条件及巷道布置方式，人们也提出了各种各样的瓦斯抽放方法。一般按不同的条件进行不同的分类，如下所述。按抽放中瓦斯来源分类这种分类方法有：本煤层瓦斯抽放、邻近层瓦斯抽放、采空区瓦斯抽放和围岩瓦斯抽放，各类瓦斯抽放方法的适用条件及抽放率见表2-1。按抽放瓦斯的煤层是否卸压分类这种分类方法主要有：未卸压煤层抽放瓦斯和卸压煤层抽放瓦斯。按抽放瓦斯与采掘时间关系分类这种分类方法主要分为：煤层预抽瓦斯、边采（掘）边抽和采后抽放瓦斯。按抽放工艺分类这种分类方法主要有：钻孔抽放、巷道抽放、和钻孔巷道混合抽放。2.1.3抽放方法选择依据由上述可
18、知，尽管人们提出了各种各样的瓦斯抽放方法，但在实际应用中，一般地选择抽放方法和形式时，要考虑瓦斯来源、煤层状况、采掘条件和抽放工艺等因素。（1）如果瓦斯来自于开采层本身，则既可采用钻孔抽放，也可采用巷道预抽形式直接把瓦斯从开采层中抽出，且多数形式采用钻孔预抽法。（2）如果瓦斯主要来自于开采煤层的顶、底板邻近煤层内，则可采用开在顶底板煤、岩中的巷道，打一些穿至邻近煤层的钻孔，抽放邻近煤层中的瓦斯。（3）如果在采空区或废弃巷道内有大量瓦斯积聚，则可采用采空区瓦斯抽放方法。（4）如果在煤巷掘进时有严重的瓦斯涌出，而且难以用通风方式加以排除，则需采用钻孔预抽或巷道边掘边抽的方法。（5）如果是低透气性煤
19、层，则在采取正常的瓦斯抽放方法的同时，还应当采取人工增大煤层透气性的措施（如水力压裂、水力割缝等），以提高煤层瓦斯抽放效果。表2-1 各类瓦斯抽放方法的适用条件及抽放率抽放分类抽放方法适用条件工作面抽放率/%开采层抽放瓦斯未卸压抽放岩巷揭煤煤巷掘进预抽由岩巷向煤层打穿层钻孔，煤巷工作面打超前钻孔突出危险煤层、高瓦斯煤层30602060采区大面积预抽由开采层机巷、风巷或煤门等打上向、下向顺层钻孔属“勉强抽放”煤层20，个别超过50地面钻孔高瓦斯“容易抽放”煤层，埋藏较浅2030密封开采巷道高瓦斯“容易抽放”煤层2030卸压抽放边掘边抽由煤巷两侧或岩巷向煤层周围打防护钻孔高瓦斯煤层2030边采边抽
20、由开采层机巷、风巷等向工作面前方卸压区打钻高瓦斯煤层2030由岩巷、煤门等向开采分层的上部或下部未采分层打穿层或顺层钻孔高瓦斯煤层2030水力割缝、松动爆破、水力压裂（预抽）由开采层机巷、风巷等打顺层钻孔，由岩巷或地面打钻孔高瓦斯“难以抽放”煤层2030邻近层抽放瓦斯卸压抽放开采层工作面推过后抽放上、下邻近煤层由开采层机巷、风巷、中间巷或岩巷等向邻近层打钻邻近层瓦斯涌出量大，影响开采层安全时30由开采层机巷、风巷、中间巷等向采空区方向打斜交钻孔4080有煤门沿邻近层打钻4080在邻近层掘汇集瓦斯巷道邻近层瓦斯涌出量大，钻孔的通过能力满足不了抽放要求时4080从地面打钻地面打钻优于井下是4080
21、采空区抽放瓦斯密闭采空区插管抽放无自燃危险煤层或采取防火措施时3070现采采空区设密闭墙插管或向采空区打钻抽放，预埋管抽放5060围岩瓦斯抽放由岩巷两侧或正前方向岩洞或裂隙带打钻、密闭岩巷进行抽放、封堵岩巷喷瓦斯区并插管抽放围岩有瓦斯喷出危险，瓦斯涌出量大或有岩洞、裂隙带储存高压瓦斯时20602.2本煤层瓦斯抽放本煤层瓦斯抽放又称开采煤层瓦斯抽放，主要是为了减少煤层中的瓦斯含量和回风流中瓦斯浓度，以确保矿井的安全生产；在此基础上，通过提高抽放瓦斯浓度及抽放量，又可为抽放瓦斯的利用创造一定条件。2.2.1本煤层采煤工作面瓦斯涌出分析（1）生产工序与瓦斯涌出量的关系生产工序对工作面的瓦斯涌出影响较
22、大，研究表明，采煤工作面瓦斯涌出与机组工作状态和位置有密切关系，当采煤机从回风侧向进风侧割煤时，采煤工作面瓦斯涌出量逐渐减小。生产班各工序（割煤、推溜、移架等）之间虽有滞后时间，但要想严格区分各种工序对瓦斯涌出的影响是很难做到的，只能从宏观上对生产班和检修班的瓦斯涌出进行对比。参照平顶山矿区的综采工作面分析结果，实施综采工艺的采煤工作面生产班平均瓦斯涌出量是检修班的1.21.3倍。（2）产量与瓦斯涌出量的关系根据工作面瓦斯实测数据，通过对同一回采工作面推进速度与瓦斯涌出量的关系比较，表明工作面绝对瓦斯涌出量与日产量基本上呈线性关系。（3）时间与瓦斯涌出量的关系采煤工作面瓦斯涌出量是一个随地质条
23、件、煤层赋存状态、煤及围岩瓦斯含量、煤及围岩透气性系数、开采规模及开采工艺等变化的多元函数。但在一个相对短的时间内（周围环境各因素不变的情况下），它主要随时间而变化。采煤工作面绝对瓦斯涌出量随时间并不是一条单调递减或递增的曲线，而呈现一个波浪式变化曲线，没有明显的规律特征，表明实际瓦斯涌出量是一组非稳定的、波动性较大的数据。（4）配风量与瓦斯涌出量的关系随着矿井开采深度的增加、采掘机械化程度的提高及生产能力的增大，采煤工作面绝对瓦斯涌出量较大。为了解决采煤工作面瓦斯超限问题，曾采用增加工作面风量的方法，但在实际中发现，增加风量并不能使回风巷瓦斯浓度降低。因而研究采煤工作面瓦斯涌出量与配风量之间
24、的关系，可以减少在治理采煤工作面瓦斯超限问题上少走弯路。众所周知，采煤工作面瓦斯来源于开采层瓦斯和采空区瓦斯。开采层瓦斯又主要来源于工作面煤壁和采落下来的煤块瓦斯涌出。采空区的瓦斯，一方面来源于遗留于采空区的残煤，另一方面更主要来源于仅次于开采层上、下数十米相邻的可采煤层、不可采煤层或富含瓦斯的围岩。如果采煤工作面瓦斯主要来自开采层，当采煤工作面配风量改变时，由于本煤层瓦斯涌出不随配风量的增减而变化，则回风巷风流中瓦斯浓度将随采煤工作面配风量的增减而发生变化，即采煤工作面配风量增加时回风巷瓦斯浓度降低，采煤工作面配风量减少时回风巷瓦斯浓度增高。如果采煤工作面瓦斯主要来自采空区，这时增加或减少采
25、煤工作面配风量可以变更采空区瓦斯积聚条件，使得漏风风流从采空区带到回风巷或采煤工作面附近的瓦斯量发生变化。当采煤工作面配风量增加时，从采空区带出的瓦斯量增加，当采煤工作面配风量减少时，从采空区带出的瓦斯量降低，回风巷风流中瓦斯浓度的升降与采煤工作面配风量的增减并不成反比。这就是说，开采近距离煤层群中的主采煤层时，在采煤工作面工作面的瓦斯涌出中，只有采空区瓦斯涌出与采煤工作面配风量之间的关系比较密切。所以，风量过小，上隅角会超限；但风量过大，造成采空区瓦斯涌出量大，同样亦造成回风流和上隅角瓦斯超限。就某矿井而言，在采煤工作面实际配风中发现，增加风量并不能使回风巷瓦斯浓度降低，主要就是因为在开采近
26、距离煤层群中的主采煤层时，采煤工作面回风流中的瓦斯涌出62%来自采空区和不可采煤层及上、下邻近层。表2-2和图2-1是某工作面在一具体时间段内绝对瓦斯涌出量与配风量之间关系的实测曲线图表。（数据来源于相关资料）表2-2 绝对瓦斯涌出量和风量数据表风量（m3/min）/10012.6813.2113.6813.7413.8316.417.8420.2223.2424.21绝对瓦斯涌出量（m3/min）42.2943.3448.5838.453.954.3272.7678.452.5754.62图2-1 绝对瓦斯涌出量与配风量关系图（5）周期来压前后瓦斯涌出量的变化从采煤工作面开切眼回采起，随采煤
27、工作面的推进，煤层顶板岩梁跨度逐渐增加，当达到极限跨度时，顶板岩梁断裂来压，这一过程周而复始，产生顶板周期来压的动力现象。通过观测数据的统计分析表明，周期来压时，回风巷瓦斯有明显升高，工作面总的瓦斯排放量增加通常在30%50%之间，特别是在老顶垮落时，工作面瓦斯排放量增加值达到最高，持续时间约在3060min。工作面上隅角的瓦斯浓度是平时的23倍，这是由于来压后造成高浓度的瓦斯从采空区压出的缘故。顶板周期来压破坏了采场的应力状态和煤体结构，使煤层的孔隙率及透气性发生了变化。所以顶板周期来压时出现的周期性变化制约了瓦斯流速，导致瓦斯涌出量的周期变化。回采工作面顶板周期来压与瓦斯涌出量呈周期性变化
28、交替进行，其步距基本相同，且顶板周期来压超前于瓦斯涌出量周期性变化，一般瓦斯涌出量峰值滞后于采场压力峰值816h。2.2.2本煤层采煤工作面瓦斯来源分析与其它采煤工作面相比，高产高效工作面有以下基本特点：采煤工作面采用综合机械化采煤，机组割煤比较连续，工作面推进速度快，采落煤块较小，粉煤较多，工作面长度大，走向长度长，采用胶带运煤，运煤速度快。但由于开采强度大，产量集中，加之厚煤层分层开采、综采放顶煤开采或近距离煤层群开采，使瓦斯涌出量急剧增加，造成回风巷和局部瓦斯积聚（尤其是上隅角）。因此研究采煤工作面瓦斯来源，查明各个来源的涌出比例，然后分源治理，对瓦斯防治工作很有实际意义。研究表明，含瓦
29、斯煤层在开采时，受采掘作业影响，煤层及围岩中的瓦斯赋存平衡条件遭到破坏，受采动影响区域内煤层、围岩中的瓦斯将涌入工作面，构成采煤工作面瓦斯涌出的组成部分。回采工作面瓦斯涌出关系如图2-2所示。图2-2 回采工作面瓦斯来源构成示意图回采工作面瓦斯涌出包括落煤瓦斯、煤壁瓦斯、采空区瓦斯三部分，采空区瓦斯又由围岩瓦斯、分层瓦斯、回采丢煤瓦斯、邻近层瓦斯四部分组成。这四部分瓦斯随采场内煤、岩层的变形或垮落而卸压，按各自的规律涌入采空区并混合在一起，然后在浓度差（主要是矿井通风负压）的作用下涌向工作面。若想严格区分上述各部分涌出的瓦斯量，理论上可行，但实际操作起来由于采场条件有限是很困难的。但如果将组成
30、采空区瓦斯涌出的四部分看成是一个瓦斯源来确定采空区瓦斯涌出就简单多了，而且也可行。对于采用“U”型通风方式的采煤工作面来说，自开切眼推进一段距离但尚未发生顶板初次冒落这一段时间内工作面回风流中的绝对瓦斯涌出量，可以近似认为是本煤层的瓦斯涌出量。顶板初次冒落后，工作面回风流中的绝对瓦斯涌出量急剧增加，推进到一定距离后逐步稳定，稳定后回风流中绝对瓦斯涌出量与顶板初次冒落前回风流中绝对瓦斯涌出量之差可以认为是采空区瓦斯涌出量。采空区瓦斯涌出量大小主要决定于采空区瓦斯来源情况及采空区风流流动的范围和幅度。2.2.3本煤层瓦斯流动及涌出特征一般认为，在顶底板岩石不透气的情况下，且掘进巷道形成后，本煤层瓦
31、斯的流动多数可以看作是单向流动（除厚煤层外）。这种流动形成后，对相邻巷道风流中的瓦斯浓度会产生直接影响。目前认为，在开采本煤层中，回采工作面的瓦斯涌出通常包括两部分，即开采层的瓦斯涌出和邻近层的瓦斯涌出；而对于单一煤层开采而言，通常只有前者，即开采层的瓦斯涌出为主，因此开采层的瓦斯涌出量的大小直接关系到开采层周围巷道风流中的瓦斯浓度大小，因而本煤层的瓦斯抽放实际上主要是为了减少开采层的瓦斯涌出量。开采层的瓦斯涌出量一般可用两种方式进行计算。（1）按煤层瓦斯含量计算当工作面推进速度不变时，假定煤体中瓦斯含量分布曲线的形式亦不变，则单位时间煤层所失去的瓦斯量为原始瓦斯含量和产煤量的乘积，而从回采工
32、作面运送出的煤炭中包含的瓦斯为剩余含量和采煤量的乘积。因此本开采层工作面的瓦斯涌出量为： （2-1）式中：本开采层涌入工作面的绝对瓦斯含量，m3/min；开采层原始瓦斯含量，m3/ m3煤；运出采区采落煤炭的残余瓦斯含量，m3/ m3煤；煤层采厚，m；工作面平均推进速度，m/d；工作面长度，m；，工作面上部和下部瓦斯排放带的宽度，m。，的求出可根据煤壁暴露时间和巷道瓦斯涌出特性系数C值求出。（2）按瓦斯涌出规律来计算由工作面瓦斯涌出规律可知，来自开采层的瓦斯涌出量由两部分组成，即工作面煤壁的瓦斯涌出量和工作面采落煤炭的瓦斯涌出量，因此开采层的瓦斯涌出量为： （2-2）据实测表明，煤壁卸压带内煤
33、中残余瓦斯含量与排放瓦斯时间的关系为： （2-3）式中：取决于地应力及煤的透气性系数，d-1；开采层原始瓦斯含量，m3/ m3煤；因此单位体积煤涌出的瓦斯量与排放时间的关系为： （2-4）倘若工作面采厚为M，工作面推进速度为，工作面长度为L，则有： （2-5）采落煤块残余瓦斯含量与其脱离煤体时算起的排放时间t2的关系可表示为： （2-6）式中：与煤破碎程度等有关的系数；脱离煤体前煤的瓦斯含量，等于煤壁被采时的煤层残余瓦斯含量。因此单位体积煤被采落后的瓦斯涌出量与其排放瓦斯时间的关系为： （2-7）根据式（2-7），工作面采落煤炭瓦斯涌出量为： （2-8）分别将式（2-5）和式（2-2-8）代入
34、式（2-2-2），则有： （2-9）式中：b回归系数，据实测，阳泉一矿煤b=1.67，打通一矿煤b=1.67；工作面煤壁（存在）寿命，d；B一个采煤循环的进度，m；采落煤炭在采区（停留）排放瓦斯时间，d；n回归系数，据实测，阳泉一矿煤n=0.167，打通一矿煤n=0.426；其余符号同前。从式（2-5）、式（2-8）和式（2-9）中可知，当工作面推进速度增加时，煤壁、采落煤以及开采层瓦斯涌出量都在增加；但是 的增加速度比大，即采落煤炭的绝对瓦斯涌出量占开采层的瓦斯涌出量的比例在上升，二煤壁绝对瓦斯涌出量所占的比例在下降。如图2-2-3所示，把以上各式换算成相对瓦斯涌出量并讨论它们与工作面推进速
35、度的关系，从中可以看出：当工作面推进速度增加时，开采层相对瓦斯涌出量中的煤壁涌出部分由于煤壁寿命的缩短而减少，而采落煤炭涌出部分则由于煤壁残余瓦斯含量的增加而增高；然而后者增高的速度小于前者减少的速度，所以开采层相对瓦斯涌出量随着工作面推进速度的增加而下降，但是无论是煤壁瓦斯涌出量还是采落煤瓦斯涌出量，都和煤层原始瓦斯含量有关，因此只有设法大量减小值，才能真正使本煤层的瓦斯涌出量和采落煤的瓦斯涌出量有较大幅度的减少。而从目前条件来看，想大量减少值，唯一可行且有效地方法则是进行大规模的煤层瓦斯抽放，从而使煤层开采前其瓦斯含量降低；减少向煤层巷道中的瓦斯涌出；这就是本煤层瓦斯抽放的主要目的所在。图
36、2-3 开采层相对瓦斯涌出量与工作面推进速度关系图1开采层相对瓦斯涌出量；2煤壁瓦斯涌出量；3采落煤瓦斯涌出量2.2.4本煤层瓦斯抽放方法本煤层瓦斯抽放主要是抽放本煤层中的瓦斯，根据抽放时间和采掘的关系，本煤层瓦斯抽放又可分为预抽煤层瓦斯和边采（掘）边抽煤层瓦斯；此外，根据收集瓦斯的方式不同又可分为巷道抽放煤层瓦斯和钻孔抽放煤层瓦斯。（1）巷道预抽本煤层瓦斯巷道预抽本煤层瓦斯一般是利用回采的准备巷道进行抽放。即当采区煤巷施工完成后，将其密闭上，并插入管子进行抽放；其抽放瓦斯工作在煤巷掘进以后和回采开始以前进行，该方法最早用于抚顺煤矿。根据实践，抽放时间一般要两年以上，以使回采时瓦斯涌出量有较大
37、幅度的降低。其巷道布置形式图和适用条件见表2-3。表2-3 采煤工作面预抽煤层瓦斯巷道布置分类图例优缺点及适用条件煤巷网络密封抽放瓦斯1下部运输道；2上部回风道；3采煤准备道；4水平胶带道；5顶板瓦斯道；6陡上道；7瓦斯密闭；8瓦斯管路优点：巷道暴露面积大，瓦斯流量较大，流量稳定巷道断面大，通过能力大，抽放效果较好缺点：预先掘进巷道并进行密闭，工程量大生产打开密闭时，维修工程量大巷道掘进时期瓦斯涌出量大，掘进困难适用条件：适用于特厚煤层，且透气性较大的条件下煤巷网阻截深部瓦斯抽放1密闭；2瓦斯管抚顺特厚煤层水砂充填采煤法采用此方式，是将巷道布置在采区阶段煤柱上能提前抽取深部瓦斯，不受采区投产时
38、间的限制，抽放时间长截取深部瓦斯可减少现采区的瓦斯涌出需专门掘抽放瓦斯巷道实例：抚顺老虎台矿（2）钻孔法预抽本煤层瓦斯钻孔法预抽本煤层瓦斯由于具有施工简单、成本低、抽放瓦斯浓度较高的优点，在我国煤矿中得到了广泛的应用。目前，钻孔法预抽本煤层瓦斯主要有两种布置方式，即穿层钻孔布置方式和顺层钻孔布置方式。当采用穿层钻孔预抽时，钻场可设在底板岩石巷道或邻近煤层巷道，向开采层打穿层钻孔，经过抽放后再进入煤层进行采掘，从而可以解决掘进和采煤过程中得瓦斯问题。当采用顺层钻孔布置方式时，则一般利用提前开掘出的采区煤巷，沿煤层打顺层钻孔，经过抽放后再进行回采，以解决回采过程中瓦斯的涌出问题。其煤层岩层钻孔布置
39、图及适用条件见表2-4。表2-4 煤层沿层钻孔布置图及适用条件分类图例优缺点及适用条件煤巷沿层钻孔阳泉一矿沿层预抽孔布置淮南谢二矿沿层预抽钻孔布置丰城建新矿沿层下向钻孔的布置1运输煤巷；2回风巷道；3钻孔；4采煤工作面；5采空区优缺点：钻场设在运输巷、回风巷或开切眼内，沿煤层打钻孔（上向孔或下向孔；平行孔或扇形孔），钻孔平行煤层层理，层理裂隙不易沟通，影响抽放效果钻孔开口位于煤层中，封口不易保持严密，影响抽放瓦斯浓度在松软煤层中打钻，易塌孔卡钻，施工困难；一般情况下，打煤孔速度快、费用低上向孔不会积水，瓦斯涌出均衡；下向孔则相反，涌水量大时尚需排水在工作面运输巷打下向孔，可以长时间抽放下阶段煤
40、层的瓦斯，瓦斯资源多，抽放效果好，同时可截取深部瓦斯，以避免涌入工作面扇形孔是用一个钻场打数个钻孔，可减少钻机搬迁，但钻孔在煤体中分布不均，打扇形孔对周围煤体破坏较多，钻孔处易通气平行孔在煤层中分布均匀，抽放效果好，同时工作面采至钻孔附近时，可利用其进行卸压区抽放（边采边抽），有利于提高抽放效果适用条件：单一煤层煤层透气性较小，但仍有抽放可能煤层赋存条件稳定，地质变化小钻孔要提前打好，有较长的预抽时间实例：焦作李封矿、水城老鹰山矿等（3）边采（掘）边抽本煤层瓦斯这是在未经预抽或预抽时间不足的条件下，解决开采煤层采掘过程中瓦斯涌出问题的一种有效抽放方法。实质上，主要是利用采掘过程中造成的卸压作用
41、抽放煤层中的瓦斯，以降低回采或掘进中涌入 回风流中得瓦斯量。其煤层巷道布置方式图及适用条件见表2-5。表2-5 边采（掘）边抽本煤层瓦斯巷道布置及适用条件分类图例优缺点及适用条件边采边抽本煤层瓦斯巷道布置（a）平行钻孔（b）煤柱钻孔（c）顶板钻孔（d）顶分层钻孔（e）底板岩巷穿层钻孔由于该方法是在回采或掘进的同时抽放煤层中得瓦斯，因此不像预抽法那样受开采时间的限制，可适用于瓦斯涌出大、时间紧、用预抽法不能满足要求的地区在抽放过程中，可借助于回采过程中的卸压作用，使抽放区域煤体松动，增大煤层的透气性，提高煤层瓦斯抽放效果。该方法是在采区掘进准备工作完成后（或掘进过程中）进行的，因此在实际应用中，
42、可根据采区各局部地点的瓦斯涌出量大小，投入相应地边采（掘）边抽工程量，具有较强的针对性，因此有利于解决生产环节中瓦斯涌出量大的问题。2.3邻近层瓦斯抽放在煤层群中，由于开采层的采动影响，使其上部或下部的煤层卸压并引起这些煤岩层的膨胀变形和透气性的大幅度提高，引起邻近层的瓦斯向开采层采掘空间运移（涌出）。为了防止和减少邻近层的瓦斯通过层间裂隙的大量涌向开采层，可采用抽放的方法处理这一部分瓦斯，这种抽放方法称为邻近层瓦斯抽放。目前认为，这种抽放方法是最有效和被广泛采用的抽放方法。2.3.1邻近层瓦斯流动及涌出特征邻近层瓦斯之所以会涌入采掘空间，主要是由于开采层的采掘引起邻近层煤岩体的膨胀变形，且层
43、间裂隙发展并沟通所致；而这些都和开采层采掘后引起的矿山压力变化有关。在含煤地层中，由于其中一个煤层的先行开采，引起上部煤岩体冒落、下沉和变形，形成一定形状的卸压区；上覆岩层与煤层发生离层，煤岩体孔隙和裂隙增加且形成层间空隙。同时，下部地层也改变了承压状态，由原先承受整个上覆地层变为仅承受开采层以下的部分地层，相应地，岩层的自重应力大为降低，导致在一定范围内的煤岩层产生不同程度的膨胀变形，形成下部岩体的卸压区。根据现场实践，邻近层瓦斯涌出量可按下式计算： （2-10）式中：上、下邻近层涌入开采层的瓦斯量，m3/min；工作面推进速度，m/d；，系数，与工作面推进速度有关，在阳泉一矿条件下，当时，
44、当时，；工作面长度，m；第邻近层原始瓦斯含量，m3/m3煤；第邻近层的煤厚度，m；第邻近层瓦斯涌出率；第邻近层残余瓦斯含量，m3/m3煤。2.3.2邻近层瓦斯抽放方法邻近层瓦斯抽放方法大体上可分为地面钻孔抽放法、井下钻孔抽放法和顶板巷道结合钻孔抽放法。由于地面钻孔抽放法和顶板巷道结合钻孔法的应用受到煤层赋存及开拓巷道布置等条件的限制，故而目前主要采用井下钻孔抽放法，因此本节主要介绍井下钻孔抽放法。（1）井下钻孔抽放法在采用井下钻孔抽放邻近煤层的瓦斯时，应考虑煤层的赋存状况和开拓巷道布置方式。根据煤层赋存状况和开拓巷道的布置方式的不同，钻孔布置方式有两种。1）由开采层内巷道布置抽放钻孔该方法的
45、适用条件为缓倾斜或倾斜煤层的走向长壁工作面，其巷道布置实例如图2-4所示。（a）山西阳泉四矿抽放上邻近层瓦斯内副巷布孔（b）内蒙包头五当沟矿抽放上邻近层瓦斯内副巷布孔（c）贵州六枝大用矿抽放上邻近层瓦斯内副巷布孔图2-4 钻场在回风巷内的抽放钻孔布置2）在开采层外巷道中布置钻孔及抽放钻孔其适用条件较广，可用于不同倾角的煤层和不同采煤方法的回采工作面，其巷道布置实例如图2-3-2所示。（a）天府磨心坡矿抽放下邻近层瓦斯钻孔布置（b）淮北芦岭矿抽放下邻近层瓦斯钻孔布置（c）淮南谢二矿抽放下邻近层瓦斯钻孔布置（d）松藻打通一矿抽放下邻近层瓦斯钻孔布置图2-5 钻场设在底板岩巷内的钻孔布置2.4采空区
46、瓦斯抽放在开采高瓦斯煤层，特别是开采厚煤层和煤层群时，从邻近层（包括围岩和煤线）、煤柱及采掘空间丢失的煤中向开采层采空区大量涌入瓦斯。尤其是近年来，随着工作面的不断推进，采空区面积的日益增大，采空区瓦斯涌出量占矿井瓦斯涌出量的比例日益增大，一些矿井达到40%60%，如平煤十矿。这种状态对矿井的安全生产造成了很大的威胁。因此，一方面为了减少矿井瓦斯涌出量，提高矿井生产的安全性；另一方面也为了开发利用瓦斯资源，减少对地面大气环境的污染。采空区瓦斯抽放技术及装备得到了迅速的发展，一些矿井采空区瓦斯抽放量占矿井总瓦斯抽放量的比例达到了60%70%，采空区瓦斯抽放越发重要。2.4.1采空区瓦斯涌出特征（1）采空区瓦斯赋存特征采空区的瓦斯浓度随采空区深度的增加而增高。离采煤工作面越远，瓦斯浓度越高；采空区内顶板瓦斯浓度高于底板瓦斯浓度；采煤工作面采用上行通风时，采空区上部（回风侧）瓦斯浓度高于下部。综采工作面采空区为残煤及上覆岩层垮落后形成的多孔介质充填体，各处煤与研石压实程度差异较大，各处的风压变化很大，因此采空区各点的气体流速相差很大。前苏联学者认为，采空区大约20%的区域为层流、20
