高应力煤层瓦斯防控技术体系研究

摘要：煤层瓦斯又称煤层气，从煤和围岩中逸出的甲烷、二氧化碳和氮等组成的混合气体。瓦斯是煤矿生产中的有害因素，它不仅污染空气，而且当空气中瓦斯含量为5%-16%时遇火会引起爆炸，造成事故。作为我国能源结构中的重要组成部分，煤炭开采过程中面临的瓦斯危害长期以来一直是制约煤矿安全生产的重要因素。特别是在地质结构复杂多变、煤层透气性能差以及瓦斯压力异常高的高应力煤层区域，瓦斯灾害不仅频发，而且其造成的后果尤为严重。鉴于此，本文首先分析高应力煤层的特性，随后构建一套针对性的高应力煤层瓦斯防控技术框架，旨在实现对这一复杂环境下瓦斯灾害的有效预防与控制。

关键词：高应力煤层；瓦斯；防控技术

1高应力煤层特性分析

分析高应力煤层的特性对于预防和控制瓦斯灾害至关重要。这类煤层以其显著的厚度、低透气性以及蕴含的高瓦斯含量和高压力为特点。在我国众多矿区，开采深度已逾800m以上，地应力范围通常在22-27MPa。煤层的深厚导致瓦斯储存量极为丰富，开采过程中瓦斯的大量释放无疑加剧了防控工作的复杂性。而煤层透气性的不良状况则阻碍瓦斯的顺畅迁移，易于形成瓦斯积聚区。同时煤层中高浓度的瓦斯及其巨大的压力，任何开采活动中的应力变化都可能触发严重的煤与瓦斯突出事件，构成重大安全隐患[1]。另外高应力煤层通常伴随着发育的断层和裂隙，其地质构造颇为复杂，这一特点极大地增加了瓦斯灾害发生的危险性。煤层中裂隙与断层的发育状况对瓦斯抽采的成效具有直接影响，若煤层裂隙发育充分，则瓦斯抽采效率相对较高；若裂隙发育不佳，瓦斯抽采的效率也会随之降低。

2高应力煤层瓦斯防控技术体系

2.1保护层开采技术

保护层开采技术的核心是通过优先采掘上覆的保护层煤层，即先行开采的方式来有效保护下层待采煤层，以此降低瓦斯压力和地应力，提高煤层的透气性，实现安全开采。以某一具体矿区为例，实际操作中选择了己14煤层作为保护层，通过开采己14煤层来确保下方己15煤层以及己16-17煤层可以安全地进行开采作业。鉴于己15煤层厚度较大，内部瓦斯压力高，且从底板进行的穿层钻孔作业难以一次性穿透至己14煤层，加之两层煤之间的间距变化不定，最近处仅相距8m，这些因素都增加了开采的难度，所以在实施保护层开采技术时应进行周密的设计与精细的施工。在保护层开采的作业过程中，为了确保被保护层内的瓦斯能被高效地抽采出来，需要实施穿层钻孔作业。例如，在己15-31010回风巷内向己14-31010采煤工作面钻设穿层孔，设计规格为孔径89mm，且各钻孔间保持1.4m的间距，每组包含7个钻孔。此种布局方式可以最大化利用保护层开采时所形成的顶板裂缝，为瓦斯向上逸出构建顺畅通道，从而确保开采作业的安全进行。

2.2煤层开采前瓦斯预先抽放技术

煤层开采前的瓦斯预先抽放技术是高应力煤层瓦斯防控的一项关键措施。此技术涉及在煤层内部精心布设众多钻孔，并经过长达数月乃至数十月的预先抽取过程来有效降低煤层中的瓦斯压力及含量。这样便能减轻乃至根除因煤与瓦斯突出而引发的安全隐患。层瓦斯在钻孔周围的流动主要以径向流动为主，只有在钻孔的最深处属于球向流动，下面就以超抽钻孔直径为89mm，煤层渗透率为4.0×10-16m2，瓦斯压力为0.6MPa为例来模拟钻孔周围的径向流动。钻孔周围瓦斯流动的速度矢量图，如图1所示[2]。

在实际作业过程中，需依据煤层的地质特性、瓦斯压力及透气性能等综合因素来细致规划钻孔的布置方案，包括钻孔的间隔、直径以及深度等关键参数。同时瓦斯抽放的持续时间也需根据瓦斯实际排放的状况来灵活调整，以确保瓦斯抽放能够取得最优效果。

2.3煤层注水技术

煤层注水技术是一种有效的瓦斯防控措施，该技术通过施加压力将水注入煤层中，从而改变煤的物理力学特性，进而减少煤尘的产生并降低煤与瓦斯突出的危险性。依据煤层的具体厚度和开采状况，煤层注水技术可被划分为深孔注水和浅孔注水两大类，以选择最适合的注水方法。针对高应力煤层，通常采用深孔注水方式，其中注水孔多设置在回采工作面前方的进风巷或回风巷内，孔的深度通常达到工作面斜长2/3，孔径则在75-100mm。在进行注水之前应实施封孔工序，以确保水分能够均匀地渗透到煤体内部[3]。在注水作业期间要严格调控注水压力与注水量，防止对煤层结构造成不必要的严重破坏。这样通过深孔注水可以使煤体内的“瓦斯-煤”两相体系转变为“瓦斯-煤-水”三相体系，降低煤体的透气性和瓦斯涌出速度，增加煤体的塑性变形区，降低煤体的应力集中程度，从而起到较好的防冲和防突效果。

2.4巷道围岩全断面锚注支护技术

巷道围岩全断面锚注支护技术是一种利用锚杆兼注浆管实现外锚内注的新型支护方式。该技术通过向含有大量裂隙的松散破碎岩体中注入能够胶结硬化的浆液，将破裂岩体重新胶结成高强度固结体，从而改善巷道围岩的物理力学性质，提高巷道围岩的强度和承载能力。锚注支护技术的关键在于注浆所用的材料及其实施工艺。注浆材料一般选用水泥水玻璃单液浆、高水速凝材料浆液等，依据不同的地质状况来灵活调整浆液的配比。例如，在某个煤矿的软岩巷道施工中选用了注浆锚杆、水泥、水玻璃等作为注浆材料，并利用TBW–50/15型泥浆泵与KBY–50/70型注浆泵进行注浆操作。每个注浆孔的作业时间控制在3-5min，注浆压力控制在2MPa左右。实验结果显示，运用了全断面锚注支护技术的巷道，其围岩的内聚力提升了约30%，内摩擦角也增加了约20%，这显著增强巷道围岩的整体承载性能。

3结语

综上所述，高应力煤层瓦斯防控技术体系的研究与应用对于保障煤矿安全生产、提高煤层甲烷能源利用效率具有重要意义。保护层开采技术、煤层开采前瓦斯预先抽放技术、煤层注水技术以及巷道围岩全断面锚注支护技术的综合应用，有效降低了高应力煤层瓦斯灾害的风险，提高煤层开采的安全性和效率。随着技术的不断进步和创新，高应力煤层瓦斯防控技术体系将更加完善，为煤矿安全生产和煤层甲烷能源的高效利用开辟新局面。

参考文献：

[1]卫迎杰.高位钻孔在近距离煤层群综采工作面瓦斯治理中的应用[J].能源与节能，2024，（11）：297-299.

[2]张东东.高瓦斯低渗水性煤层巷道综合降尘技术研究[J].能源与节能，2024，（11）：156-158.

[3]薛凯，杨德胜.高应力软围岩极近煤层采动覆岩移动规律研究[J].内蒙古煤炭经济，2024，（16）：61-63.

朱加锋 汉 1984 10 男 河南商丘，研究生，高级工程师，矿井一通三防，

单位：潞安化工集团能源事业部，

赵志杰 汉   2000 12   男  山西晋中  在读研究生研究方向： 煤岩动力灾害     单位：安徽理工大学安全科学与工程学院。