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开采煤层顶板瓦斯抽放的方法
    技术领域：

    本发明涉及煤矿安全生产的方法，更具体地说是一种抽放瓦斯的方法。

    背景技术：

    安徽淮南矿区煤层赋存深、煤层富含瓦斯、煤层透气性差。据统计，采空区瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的60％以上。为了降低瓦斯涌出量，矿区采用了以低板穿层钻孔预抽B₈、C₁₃煤层瓦斯为主的综合排放方法，取得了一些成绩，但由于B₈、C₁₃煤层富含瓦斯而且原始煤层透气性差，使得矿井瓦斯抽排率一直没有超过15％；尤其在分层开采C₁₃煤层时，未能抽排的瓦斯70％左右集中涌入一分层回采工作面采空区，导致工作面上隅角和工作面回风流中瓦斯浓度超限，严重威胁着矿井生产的安全，采煤工作面间歇式或减小日进尺的方式进行生产，影响工作面的产煤量。随着采深的增加，瓦斯问题将会日趋严重。

    发明内容：

    本发明所要解决的技术问题是避免上述现有技术中所存在的不足之处，提供一种合理、有效的开采煤层顶板瓦斯抽放的方法，以最大限度地抽排瓦斯。

    本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

    在开采煤层顶板，对于来自开采和卸压煤层通过采空区上覆岩层受采动影响形成的裂隙通道汇集到“环形裂隙圈”内的解吸瓦斯，由布置在“环形裂隙圈”中的钻孔或巷道进行抽放，所述“环形裂隙圈”位于采煤工作面靠近回风巷和进风巷的采空顶板冒落带以上的离层裂隙带内。

    煤被开采出后，采动空间将处于原始封闭状态的煤岩层分割成大量的煤岩块体，这些煤岩块被大量的采动空间所包围，而采动空隙成为联系各个煤岩块体和工作面大气的通道。因此在采动空间存在两种特点相差很大的空隙，即采动空隙和原有空隙。理论研究表明，采动裂隙比原有空隙特性尺寸和渗透性大得多。大量的采动裂隙和原有空隙构成了极复杂的瓦斯流动通道网络。从整体分析，采动裂隙是瓦斯流动的主要通道。煤层开采后的上覆岩层中形成两类裂隙：一类是离层裂隙，另一类是竖向破断裂隙。其中，离层裂隙的分布呈现两个阶段特征：第一阶段从开切眼开始，随着工作面推进，离层裂隙不断增大，采空区中部离层裂隙最发育；第二阶段采空区中部离层裂隙趋于压实，离层孔隙率下降，而采空区两侧离层裂隙仍能保持。在顶板任意高度水平内，在第二阶段时，位于采空区中部的离层裂隙基本被压实，而在采空区四周存在一连通的离层裂隙发育区“环形裂隙圈”。“环形裂隙圈”的存在，为采空区以及上覆岩层的裂隙带的瓦斯流动和贮存提供了通道和空间，是采空区瓦斯聚集的地方。本发明正是利用这一聚集瓦斯的采动裂隙“环形裂隙圈”进行采空区瓦斯的抽放，是解决上隅角瓦斯超限问题行之有效的抽放方法。

    与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

    1、本发明通过将抽放钻孔或巷道布置在裂“环形裂隙圈”内，这种布置形式实质上就是在工作面的上部顶板通过裂隙与钻孔沟通，形成通道，在瓦斯抽放泵负压的作用下，通道内形成很高的负压，大量的卸压解吸瓦斯被被抽出，有效地解决了回采工作面上隅角和回风流中的瓦斯超限问题，保证了矿井的安全生产。以本发明方法，可抽出的瓦斯浓度达30％～90％。相比之下，若是将钻孔或巷道布置在冒落带内，因由钻孔、巷道形成的通道很顺畅，抽放的瓦斯浓度则很低。若是布置在下沉带内，由于裂隙不发育，工作空间与抽放钻孔、巷道没有裂隙沟通，形成不了通道，则抽不出大量的瓦斯。

    2、瓦斯是一种优质纯净的燃料，其浓度在90％以上，热值与天然气相当，CH₄对臭氧层的破坏比CO₂高16倍，本发明通过集中抽放瓦斯，可以对其进一步进行综合利用，以减少瓦斯对大气的污染，保护环境。

    3、本发明方法工艺简单、存在明显的技术优势和推广应用前景。

    附图说明：

    附图为本发明开采煤层顶板环形裂隙圈内走向长钻孔法或巷道法抽放瓦斯原理图。

    具体实施方式：

    本发明方法是在开采煤层顶板，对于来自开采和卸压煤层通过采空区上覆岩层受采动影响形成的裂隙通道汇集到“环形裂隙圈”内的解吸瓦斯，由布置在“环形裂隙圈”中的钻孔或巷道进行抽放，该“环形裂隙圈”位于采煤工作面靠近回风巷和进风巷的采空顶板冒落带以上的离层裂隙带内。

    具体实施中，由于采煤工作面一般具有一定的倾角且用上行通风，瓦斯与空气共存时瓦斯将升浮，若是使布置在采空区上覆岩层采动裂隙带中的抽放钻孔或抽放巷道位于靠工作面侧的上风巷内侧顶板的“环形裂隙圈”内，则抽放的是采空区或来自于邻近层的卸压解吸瓦斯，以解决上隅角的瓦斯超限问题。

    为了保证抽放效果，钻孔、巷道的密封也是关健所在。钻孔或抽放巷道与抽放管道的接茬处一定要密封，不得漏气。

    具体实施中，瓦斯抽放钻孔、巷道布置的合理位置首先要考虑满足能抽放的面积大、整个钻孔、巷道长度内都可进行有效抽放，抽放瓦斯浓度高并且达到较高的抽放率。此外，还需要考虑抽放钻场、钻孔、抽放瓦斯巷道施工的难易程度，并避免对工作面正常回采工作造成干扰。

    根据相似材料和计算机数值计算可知：回采工作面开采后在采空区四周存在着“环形裂隙圈”，且越接近工作面处，由于岩层刚刚冒落下来，压实不充分，“环形裂隙圈”的范围较大，采空区卸压瓦斯贮存在在这一联通的环形离层或裂隙发育区内，相当于一个瓦斯包。很显然，使钻孔或巷道处在“环形裂隙圈”内是钻孔或巷道布置合理位置的关健。

    关于工作面上覆岩层移动特征：

    通过对安徽淮南矿区新区(潘一、潘三矿)C_13-1煤层顶板和老区的B₈煤层顶板岩层移动特征分别进行相似材料模拟试验和计算机数值模拟计算得出：

    1、相似材料模拟试验结果

    淮南矿区新区C_13-1煤层顶板为复合顶板，由泥岩和中、细砂岩所组成，直接顶随工作面的推进随采随冒。根据实验室模拟试验结果，随采随冒落直接顶高度大约5m左右，直接顶上方的复合顶板呈现出离层，并产生横断裂隙，贯穿岩层裂隙十分发育。工作面上方裂隙发育丰富的顶板厚度在13m左右。工作面前方3m，高度10m范围内顶板有丰富的裂隙，但裂隙的裂度比工作面上方和后方顶板裂隙的裂度小。

    在低度发育区内以岩层的断裂(纵向)裂隙为主；在中度裂隙区内以岩层断裂(纵向)裂隙为主，但有少部分离层(横向)裂隙；在高度裂隙发育区内，断裂和离层裂隙都十分发育。裂隙发育区受两种因素影响比较明显，一是当工作面向前推进时，高、中、低裂隙发育区变成高度裂隙发育区，原高度裂隙区就会垮落下来；二是当工作面停止推进，裂隙区也会变化，即随着时间的延长，高度裂隙区会更加发育甚至冒落下来。中、低度裂隙区会有更多的裂隙发育出来。

    因此，中、高度裂隙发育区是布置顶板抽放钻孔的最佳位置。

    2、计算机数值模拟结果

    计算机模拟分析结果显示，在纵向方向上，随着工作面向前推进，采空区上覆岩层受采动影响，在煤壁上方一定范围内的顶板产生垂直应力的集中区和卸压区，在卸压区内的顶板岩层内，岩层之间和层内产生具有一定规律的横向离层裂隙和竖向破断裂隙。B₈煤层在开采过程中，顶板岩层中裂隙分布的基本特征是：在距煤层顶板垂直距离16.5m～24m范围，距离煤壁前方4.5m以内，受煤壁支承影响，岩层应力变化显著，裂隙开始发育；工作面距煤壁11m范围内顶板裂隙较发育；从工作面向采空区33m范围内，顶板覆岩充分受采动影响，离层裂隙将变得十分发育。随后，采空区中部覆岩又逐步压实。结果显示，采空开切眼处上方岩层移动变形特征与煤壁处十分相似，离层裂隙与其呈对称分布。在工作面的倾斜方向上，上风巷垂直向上约8～25m，上风巷倾斜方向沿煤层方向0～35m范围内裂隙较发育。通过数值模拟可见离层裂隙区位于采空区四周，构成了采动裂隙的“环形裂隙圈”。

    关于顶板抽放瓦斯钻孔及巷道的合理布置：

    确定抽放钻孔数量的原则是：确保工作面上隅角和回风流中的瓦斯浓度在《煤矿安规程》允许的范围内。确定钻孔的数量应考虑的因素包括抽放泵的能力、抽放系统的阻力、瓦斯在裂隙带内流动的阻力、需要抽放的瓦斯量和抽放管内的瓦斯浓度等。建议一个钻场布置钻孔不少于5个，以5～10个钻孔为宜。根据瓦斯涌出量的大小，也可适当增减。

    对于复合顶板，抽放瓦斯钻孔布置位置的参数选取为：距上风巷内错3～5m，距煤层顶板垂直距离8～25m，沿煤层倾斜方向距上风巷0～30m。

    对于C₁₃煤层，设置顶板抽放瓦斯钻孔与上风巷水平距离为0～30m，顶板钻孔距开采煤层顶板垂直距离为8～25m。对于C₁₃煤层，当顶板巷道与上风巷水平距离约为8～18m时，顶板巷道距开采煤层顶板垂直距离为10～14m范围内，抽放效果最佳，即顶板巷道位于此“环形裂隙圈”抽放纯瓦斯量最大。

    对于B₈煤层及其覆岩，设置顶板抽放瓦斯巷道与上风巷水平距离为23m，顶板巷道距开采煤层顶板垂直距离为16～17m。对于B₈煤层及其覆岩层，当直接顶垮落后，直接顶以上的顶板在没有垮落前，其裂隙或产生离层较丰富的高度为16.5～24m范围内。根据现场试验效果考察中的瓦斯抽放量分析可看出，当顶板巷道与上风巷水平距离约为23m时，顶板巷道距煤层顶板垂直距离为16～17m范围内，抽放效果最佳。

    附图示出本发明开采煤层顶板环形裂隙圈内走向长钻孔法或巷道法抽放瓦斯的原理。

    图中，1为环形裂隙圈，2为回风巷、3为进风巷、4为首采层、5为抽放钻孔、6为“O”形圈。