1、煤矿瓦斯重庆大学重庆大学 周翔周翔 教授教授第三篇 煤矿瓦斯开发利用采空区抽采第十一章 采空区及围岩采空区及围岩瓦斯抽采瓦斯抽采第一节第一节 采空区瓦斯抽采采空区瓦斯抽采第二节第二节 围岩裂隙瓦斯抽采围岩裂隙瓦斯抽采 第一节第一节 采空区瓦斯抽采采空区瓦斯抽采一、概况一、概况 采空区瓦斯的涌出，在矿井瓦斯来源中占有相当的比例，这是由于在瓦斯矿井采煤时，尤其是开采煤层群和厚煤层条件下，邻近煤层邻近煤层、未采分层未采分层、围岩围岩、煤柱煤柱和工作面丢煤作面丢煤中都会向采空区涌出瓦斯，不仅在工作面开采过程中涌出，并且工作面采完密闭后也仍有瓦斯继续涌出。一些开采年限久的老矿井，采空区瓦斯多数可达253
2、0%，少数矿井达4050%，甚至更大。二、抽采瓦斯方式二、抽采瓦斯方式 采空区瓦斯抽采的抽采方式(法)是多种多样的，将其归类，则基本上可划为两类：按开采过程来划分，可分为回采过程中的回采过程中的采空区抽采采空区抽采和采后密闭采空区抽采采后密闭采空区抽采；按采空区状态划分，可分为半封闭采空区抽采半封闭采空区抽采和全封闭采空区抽采全封闭采空区抽采。(一一)半封闭采空区瓦斯抽采半封闭采空区瓦斯抽采 半封闭采空区半封闭采空区是指回采工作面后方的、工作面回采过程中始终存在、并且随着采面的推进范围逐渐增加的采空区。半封闭采空区抽采瓦斯在国内外所采用的主要方式有：1.插插(埋埋)管抽采管抽采 插管法抽采插管
3、法抽采，是把带孔眼的管子在顶板冒落前直接插(砌)入采空区内进行抽采，如图11-1所示。插入的管子直径75100mm，处在采空区内一端的管子约长22.5m，管壁穿有小孔，该管尽量靠近煤层顶部，处于瓦斯浓度较高的地点。这种方法抽出的瓦斯浓度不很高，通常只是1025%，其抽采效果取决于抽出混合气体中的瓦斯浓度混合气体中的瓦斯浓度和支管中造成的负压支管中造成的负压这两个主要因素。这一方法的优点是简单易行，成本低，其缺点是效率低。图图11-1 插管法抽采采空区瓦斯示意图插管法抽采采空区瓦斯示意图 埋管法抽采和插管法抽采基本是相同的类型，只是布置方式的不同。埋管法一般是沿回采工作面的回风巷的上帮敷设一条直
4、径108mm的瓦斯管，随着工作面的推进，瓦斯管的一端逐渐埋入采空区，瓦斯管路每隔一定距离设一三通，并按阀门，可以开闭。埋管的有效长度一般为2050m。2.向冒落拱上方打钻抽采向冒落拱上方打钻抽采 钻孔孔底应处在初始冒落拱的上方，以捕集处于冒落破坏带中的上部卸压层和未开采的煤分层或下部卸压层涌向采空区的瓦斯，如图11-2所示。这种抽采方式，有的可以抽出较高浓度的瓦斯，钻孔的单孔瓦斯流量可达24m3/min左右，可使采区瓦斯涌出量降低2035%。图图11-2 向冒落拱上方打钻抽采采空区瓦斯向冒落拱上方打钻抽采采空区瓦斯 3.在老顶岩石中打水平钻孔抽采在老顶岩石中打水平钻孔抽采 当涌向采空区的瓦斯主
5、要来自开采煤层的顶板之上，而顶板为易于破坏的岩石，从开采层往上打钻抽采有困难时，可采用从回风巷向煤层上部掘斜巷，一直进入稳定的岩石为止，并在斜巷末端作钻场，迎着工作面推进方向打与煤层平行的23个钻孔的方式抽瓦斯，如图11-3所示。图图11-3 布置在老顶岩石中的水平钻孔抽采采空区瓦斯布置在老顶岩石中的水平钻孔抽采采空区瓦斯 所打钻孔孔长100150m，孔径90100mm。从钻孔中心线到煤层顶板的距离取决于直接顶(不稳定岩石)厚度，一般为510m。随着回采工作面推进，钻孔底始终处在冒落拱上部，而孔口处于负压状态。这种抽采方式可以取得较好的抽采效果。抽出瓦斯浓2030%，可使采区瓦斯涌出量降低30
6、35%。4.采空区抽采的其它方法采空区抽采的其它方法 a.直接向采空区打钻抽采直接向采空区打钻抽采。这在开采急倾斜厚煤层时用的较多。可以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。抽采钻孔进入采空区的位置以靠近回风侧、在阶段垂高的0.3左右处为宜。b.顶板尾巷抽采顶板尾巷抽采。在工作面开采之前，于开切眼外煤柱内，距工作面回风巷1/3工作面长度处，掘一斜巷至开采层顶部一定高度，再作平巷伸入工作面里一段距离，在巷口密闭插管，待工作面推进一定距离后开始抽采。c.工作面尾巷抽采工作面尾巷抽采。即在回采工作面具有与回风巷平行的排瓦斯尾巷、采取风排措施还不能解决瓦斯超限问题的条件下，采取的
7、逐段密闭瓦斯尾巷接管抽采采空区瓦斯的一种方式。图图11-4 尾巷抽采瓦斯布置图尾巷抽采瓦斯布置图1瓦斯抽采尾巷；2瓦斯管；3联络巷；4密闭；5回风巷 d.地面钻孔抽采地面钻孔抽采。地面钻孔抽采采空区瓦斯，在国外应用得多些，国内仅在阳泉四矿、包头五当沟矿等矿，利用抽采上邻近层瓦斯的钻孔，抽采采空区瓦斯。(二二)全封闭采空区瓦斯抽采全封闭采空区瓦斯抽采 全封闭采空区是指工作面(或采区、矿井)已采完封闭的采空区，也称老采空区。老采空区虽与矿井通风网络隔绝，但采空区中往往积存大量的高浓度瓦斯，它仍有可能通过巷道密闭或隔离煤柱的裂隙往外泄出，从而增加矿井通风的负担和不安全因素。全封闭采空区瓦斯抽采有以下
8、几种不同的方式：1.报废矿井抽采瓦斯报废矿井抽采瓦斯 报废矿井一般都开采了很大的范围，在采空区内不仅积存大量的瓦斯，并且在较长时间内还会继续涌出瓦斯，可进行瓦斯抽采和利用。如法国中央煤矿和卡齐埃煤矿，矿井报废后，分别抽采瓦斯67.5年，分别抽出瓦斯量7342万m3和1788万m3。报废矿井抽采瓦斯除必须具备瓦斯储量丰富瓦斯储量丰富的条件外，还应具有井下无水井下无水和与邻近矿井相隔离与邻近矿井相隔离及地表密封地表密封的条件。2.开采已久的老采空区瓦斯抽采开采已久的老采空区瓦斯抽采 开采已久的采空区内一般仍有大量的瓦斯储存，将这部分瓦斯抽出并加以利用是很有意义的。我国很多矿井都进行了开采已久的老采
9、空区的瓦斯抽采。3.采完不久的采空区瓦斯抽采采完不久的采空区瓦斯抽采 这种采空区的特点是：采区或采面刚采完不久，虽已密闭，但来自邻近层邻近层、围岩围岩、丢煤丢煤和煤柱煤柱等的瓦斯涌出并未因之而终止，仍有较多的瓦斯继续涌向采空区，并且延续较长的时间，一般可达12年或更长；采空区的密封又难以达到完全严密，积聚在采空区内的瓦斯将会不同程度地向外泄漏；一般离现开采区较近，对矿井生产可能构成的安全威胁相对地要大于老采空区。因此，对采完不久的采空区进行瓦斯抽采，具有更重要的意义。具体实施抽采时，可根据各个矿井不同情况采取不同的方式。既可以利用各种钻孔或巷道(包括穿层预抽钻孔、邻近层抽采钻孔、地面抽采钻孔、
10、落浆钻孔和集瓦斯巷道等)进行抽采，也可在采空区靠回风侧的密闭插管抽采。三、采空区瓦斯抽采管理三、采空区瓦斯抽采管理 采空区抽采瓦斯能否达到技术上可行、方法上有效、安全上可靠和经济上合理，关键在于管理。管理工作主要应从下列几个方面考虑。(一一)抽采前的分析判断抽采前的分析判断 进行采空区瓦斯抽采时首先要考虑其必要性，也就是要具体分析矿井、采区或工作面的瓦斯涌出来源中采空区瓦斯所占的比例，当采空区瓦斯涌出很大或较大，对生产构成的威胁很大，而单纯依靠通风的办法难以解决而又不经济时，就应采取采空区瓦斯抽采措施；其次根据具体情况确定是采用半封闭采空区抽采方半封闭采空区抽采方式式还是采用全封闭采空区抽采方
11、式全封闭采空区抽采方式。(二二)加强采空区密闭加强采空区密闭 这对全封闭采空区瓦斯抽采是个必要条件，提高采空区的气密性，可防止漏气，保持必要的抽采瓦斯浓度和防止有自燃倾向煤层因漏气进氧而发生采空区发火。对于已采完的采空区都要砌筑永久性密闭。永久性密闭要选择顶底板坚固的岩(煤)层巷道，两道密闭墙(砖或料石)中间充填砂或黄土，密闭墙四周要掏槽，插管抽采的密闭上还应设置注砂(泥浆)管和采气测温等观测管，如图11-5所示。图图11-5 密闭法抽采采空区瓦斯的砌密闭示意图密闭法抽采采空区瓦斯的砌密闭示意图1抽采瓦斯管；2注浆管；3砂(泥浆)充填物；4观测管 (三三)合理控制抽采量及负压合理控制抽采量及负
12、压 采空区的瓦斯包括已采空间积存的瓦斯和不断涌入采空区的瓦斯，因此，采空面积的大小不同和涌向采空区的瓦斯源的多少不同必然导致采空区瓦斯量的差异。为了保持采空区瓦斯抽采能够正常和连续地进行以及抽出瓦斯质量的稳定，合理的抽采瓦斯量应控制在小于或等于采空区瓦斯的补给量；否则将会导致抽采瓦斯浓度的降低，并影响抽采工作的正常进行。表表11-1 采空区瓦斯抽采负压采空区瓦斯抽采负压 (四四)采空区内气体成分和温度监测采空区内气体成分和温度监测 在抽采采空区瓦斯过程中，为经常掌握采空区内的气体成分和温度等的变化，要通过设置在密闭上的取样和检测管定期进行监测，当发现有漏气和自燃趋向时，要及时采取措施，包括补强
13、密闭堵漏、控制抽采或停止抽采以及防灭火等。采空区瓦斯抽采条件是：采空区瓦斯抽采条件是：a.采空区瓦斯抽采的正常条件是：O2浓度小于10%、CH4浓度大于30%、CO浓度小于0.03%，且呈下降趋势、温度变化不大。b.O2浓度小于5%、CH4浓度在50%左右、CO浓度很低时，可加强抽采。各参数接近临界指标时，应控制抽采。c.O2浓度大于10%、CO含量呈上升趋势、CH4浓度小于30%、温度变化较大时，停止抽采。第二节第二节 围岩裂隙瓦斯抽采围岩裂隙瓦斯抽采 煤系地层中的岩层也含有瓦斯，特别是在靠近煤层的岩层，瓦斯含量更大。岩层中的瓦斯基本上都是游离瓦斯，只是在岩层中含有有机物时才会增加一部分吸附瓦斯。这部分瓦斯就是所指的围岩瓦斯。围岩瓦斯既存在于微小的孔隙和裂隙中，也存在于大的溶洞和裂隙中，前者的涌出形式是均匀和缓慢的；后者则是大量和快速的、也是局部性的，但对生产的威胁则较前者要严重得多，我国中梁山、阳泉、开滦、铁法等矿区均发生过这种形式的瓦斯涌出，有的发生在地面钻孔、有的发生在巷道掘进时。图图11-6 裂缝瓦斯裂缝瓦斯抽采抽采方式方式钻孔抽采方式引抽罩抽采方式 图图11-7 围岩瓦斯抽采方式围岩瓦斯抽采方式
