浅谈煤矿底板采动卸压瓦斯抽采与矿压的耦合关系

张克浩 曾昌彬 陶启兴

摘 要：赵家坝煤矿去年在1942采面成功实施大倾角复合煤层群首采层底板采动卸压瓦斯抽采，取得了非常好的效果。本文分析了其抽采效果与采动矿压的关系，得出了底板穿层瓦斯抽采钻孔的基本原理及关键参数。

关键词：底板卸压；瓦斯抽采；采动影响；破坏深度

中图分类号：TD712 文献标志码：A

1 底板塑形破坏深度

根据张金才对A.S.Vesic公式进行修正的岩土层极限承载力的计算公式，可得出极限支承压力条件下破坏区的塑形最大深度和长度。

式中：φ0─底板岩体的内摩擦角（底板岩体以泥岩、细砂岩为主，取φ0=39°）；

Xa可利用煤层屈服长度的经验公式：Xa=0.015H计算。式中H为埋深，1942综采工作面埋深取600m，计算得出Xa=9m。

煤层底板岩体最大塑形破坏深度距工作面端部的水平距离L1：

L1=h1tgφ0≈13.04m

采空区内底板塑形破坏区沿水平方向的最大长度

L2≈64.4m

2 底板最大卸压深度及弹性破坏区

弹性破坏区的计算可以根据《煤与瓦斯突出防治规定》中的上保护层最大有效距离计算。

上保护层最大有效距离：S上=S'上β1β2≈48.43m

式中S'下、S'上——下保护层和上保护层的理论有效间距，m。

因此，弹性破坏区范围为底板下16.1m～48.43m。

3 1942采煤工作面底板穿层瓦斯抽采钻孔布置

为抽采底板采动裂隙下的邻近层、围岩瓦斯，我们在下邻近层11242运输巷设计了底板穿层钻孔。其终孔位置深入卸压区，距正开采的9号煤层6m左右，如图1所示。

4 底板钻孔瓦斯抽采效果

第2组钻孔施工完毕后两组钻孔同时并网抽采，综合抽采浓度为50%左右，混合抽采流量为4.5m3/min。随着工作面不断推进，更多钻孔进入采动破坏区，原深入采动破坏区的钻孔轨迹也更多的经过采动破坏区，使抽采浓度不断升高，综合抽采浓度稳定在60%左右。但即使更多的钻孔投入抽采，受到直径100mm的抽采管路限制，瓦斯综合抽采混合流量提高至6m3/min后难以继续增大。该抽采方法投入抽采后1942采面采空区瓦斯浓度大幅下降，在工作面风量减少30%的情况下，回风瓦斯浓度从0.5%下降至0.3%，抽采浓度高，效果好，推广意义大。

5 1942底板穿层钻孔抽采与采动压力的耦合关系分析

根据现场测得的各组钻孔单孔瓦斯浓度与单孔瓦斯抽采混合流量绘制了图2和图3。

由图2可见，当钻孔在工作面煤壁前方10m～20m时，抽采流量下降，而钻孔在工作面煤壁前方8m左右时抽采流量加速上升，直至钻孔被工作面推过后进入采空区，瓦斯抽采流量上涨变缓。

由图3可见，当钻孔在工作面煤壁前方13m～20m时，抽采浓度基本不变，钻孔在工作面煤壁前方13m时抽采浓度加速上升，直至钻孔被工作面推过10m后，钻孔抽采浓度仍在上涨，但钻孔到采空区10m左右时，浓度上涨变缓。说明瓦斯浓度在支承压力区的峰值应力前方时，抽采流量有明显下降，抽采浓度变化不大。这是因为在应力峰值前方，底板及煤壁塑性破坏较少，原生裂隙及少量新生塑性破坏产生的裂隙受压闭合，透气性降低。

在工作面煤壁前方8m左右抽采流量及浓度迅速上升，该区域在支承压力峰值附近。煤壁及直接底因承受支承压力的应力峰值产生塑性破坏后，煤层及直接底含煤成分瓦斯解析速度大幅增加，而峰值区后靠近采空区侧所受支承压力逐步减少，塑性破坏产生的纵横交错的裂隙及原生裂隙张开，透气性变好，在钻孔負压的作用下渗入抽采管路，浓度和流量加速上升。可见，透气性最好，抽采流量最大的区域是采空区后方15m～30m。该区域所承受压力为负数，产生底鼓，透气性达到顶峰，该处抽采流量及浓度都达到最高，直到底板采动破坏范围内的含煤地层的瓦斯解析量低于瓦斯抽采纯量，抽采浓度和流量开始缓慢降低。一直到接近采空区重新压实区，采动破坏区裂隙重新闭合，抽采浓度及流量加速降低。

对比图2、图3还可发现，瓦斯浓度早于瓦斯流量加速上升。说明在应力峰值区之前，部分煤壁或底板含煤地层已经发生塑性破坏，瓦斯解析量增大，瓦斯浓度升高。但是受限于承压大，裂隙闭合，透气性依然差，抽采流量直到承压减小，透气性才开始明显提高，抽采流量随之加速上升。

结语

综上所述，采动压力对其下的煤、岩层有非常好的增透效果，增透区位于超前压力峰值后方采空区侧。将底板瓦斯抽采钻孔布置在该增透卸压区，钻孔轨迹尽量多经过弹性变形及塑性变形区，能取得很好的抽采效果，达到经济、安全、高效治灾的目的。

参考文献

[1]虎维岳.矿山水害防治理论与方法[M].北京：煤炭工业出版社， 2005.

[2]国家安全生产监督管理总局.防治煤与瓦斯突出规定[M].北京：煤炭工业出版社，2009.