常森彪

山西焦煤華晉焦煤有限責(zé)任公司沙曲礦

高瓦斯礦井綜合瓦斯抽采技術(shù)實踐

常森彪

山西焦煤華晉焦煤有限責(zé)任公司沙曲礦

高瓦斯礦井的瓦斯抽采技術(shù)研究是瓦斯抽采研究領(lǐng)域的技術(shù)性難題。國內(nèi)外許多專家、學(xué)者對此進(jìn)行了大量的探索和研究，如采用煤層瓦斯預(yù)抽，保護(hù)層開采，在工作面打順層鉆孔、高位鉆孔，采空區(qū)埋管，地面壓裂鉆孔等方法抽采礦井瓦斯，在某種程度上增加了瓦斯的抽采率。下面文中將會對高瓦斯礦井綜合瓦斯抽采技術(shù)進(jìn)行闡述和分析。

高瓦斯；綜合瓦斯；抽采技術(shù)

近幾年，過去一些低瓦斯礦井隨著采煤范圍的日益擴大和采煤深度的加深，逐漸發(fā)展成了高瓦斯礦井，高瓦斯礦井生產(chǎn)的危險性遠(yuǎn)高于普通礦井，并時常有嚴(yán)重的煤礦事故發(fā)生。相關(guān)煤礦生產(chǎn)實踐結(jié)果表明，瓦斯的鉆孔采抽屬于治理瓦斯災(zāi)害的最主要對策。

1 瓦斯成因與賦存

煤層瓦斯是腐植型有機物(植物)在成煤過程中生成的。成氣過程分2個階段，一是生物化學(xué)成氣時期；二是煤炭化變質(zhì)作用時期。不同煤田，甚至同一煤田不同區(qū)域煤層的瓦斯含量差別可能很大。煤炭體是一種復(fù)雜的多孔性固體，包括原生孔隙和運動形成的大量孔隙和裂隙，形成了很大的自由空間和孔隙表面。煤層中瓦斯賦存狀態(tài)有2種：游離狀態(tài)和吸附狀態(tài)，在現(xiàn)今開采深度內(nèi)，煤層內(nèi)瓦斯主要是以吸附狀態(tài)存在，游離狀態(tài)的瓦斯只占總瓦斯體積的10%左右。但在斷層、大的裂隙、孔洞和砂巖內(nèi)，瓦斯主要以游離狀態(tài)賦存。煤的瓦斯含量取決于煤層和圍巖的透氣性和吸附性、地質(zhì)構(gòu)造和埋藏深度等因素。我國煤層氣賦存呈現(xiàn)/兩低一高0的特征：煤層瓦斯的滲透率低，煤層瓦斯壓力較低，煤層吸附瓦斯能力高，這一特點給煤層開采和瓦斯抽采帶來了較大困難。

2 高瓦斯礦井綜合抽采技術(shù)

2.1 瓦斯抽采方法原則

確定以下瓦斯抽采方法的原則：①根據(jù)相應(yīng)的煤層賦存、巷道的布置、地質(zhì)和開采技術(shù)條件選擇相應(yīng)抽采瓦斯方法；②通過對礦井瓦斯涌出來源及涌出量構(gòu)成分析研究，有針對性地選擇瓦斯抽采方法來提高瓦斯抽采的效果；③應(yīng)有利于降低抽采成本，提高瓦斯抽采率；④應(yīng)有利于井下鉆場、鉆孔的正常施工，有利于抽采系統(tǒng)管網(wǎng)的設(shè)計，增加鉆孔抽采有效時間。

2.2 瓦斯抽采技術(shù)

1)鉆孔預(yù)抽采瓦斯技術(shù)

所謂的高位瓦斯抽采鉆孔施工技術(shù)是指抽采上鄰近層由于開采而出現(xiàn)的瓦斯所使用的鉆孔技術(shù)。開采的強度越來越大、深度越來越深，加之地面大氣壓逐漸降低，礦井瓦斯的涌出量就會越來越多。如果僅僅通過正常通風(fēng)來對瓦斯進(jìn)行稀釋，對于落煤和暴露煤壁時的解析瓦斯是有效果的；但是如果采空區(qū)涌出的瓦斯所占比例較大，如達(dá)到約60%時，這種方法無法實現(xiàn)治理瓦斯的目的。高位水平鉆孔瓦斯預(yù)抽采技術(shù)難度較大，該技術(shù)主要有大采面中間高位巷瓦斯預(yù)抽采技術(shù)和頂板高位水平鉆孔瓦斯預(yù)抽采技術(shù)兩種，頂板高位水平鉆孔瓦斯預(yù)抽采技術(shù)成本低、工期短、可以靈活應(yīng)用，特別適用于以下三種礦井：高瓦斯礦井(瓦斯涌出量特別大，含量非常高，煤層的透氣性不好的礦井)、瓦斯富集的礦井(由于地質(zhì)條件引發(fā)的)和煤層瓦斯分布的不均勻性的礦井。

2)采空區(qū)埋管瓦斯抽采方法

采用采空區(qū)埋管方式抽采工作面采空區(qū)的瓦斯，利用雙泵站雙管路埋管抽采(抽采管前端兼作埋管)，如圖1所示，2套管路分別抽采空區(qū)和上隅角的瓦斯，1號、2號管路在回風(fēng)巷每隔3m均串接一個三通管件，安裝管路時要用堵板封嚴(yán)，防止漏氣，隨著工作面的推進(jìn)，抽采管管口保持伸入采空區(qū)30m，管路上的連接口逐步向采空區(qū)內(nèi)靠近，在進(jìn)入采空區(qū)之前，須封嚴(yán)實，當(dāng)工作面推進(jìn)至下一個埋管口三通處，接替埋管口已經(jīng)埋在采空區(qū)內(nèi)3～5m時，將埋在采空區(qū)里的前一埋管段堵板封嚴(yán)，打開下一個循環(huán)的埋管口法蘭盤，以此達(dá)到利用埋管不斷抽采采空區(qū)瓦斯的目的。

圖1 采空區(qū)埋管抽采方法示意

采空區(qū)抽采比本煤層預(yù)抽瓦斯量大，但埋管抽采負(fù)壓較低，經(jīng)過檢測，瓦斯抽采管內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)由原來的10.0%～25.0%降至0.7%～0.9%，瓦斯抽采管內(nèi)抽采負(fù)壓一般保持在3～5kPa，能夠滿足煤礦安全生產(chǎn)的要求。

3)本煤層瓦斯抽采

本煤層瓦斯抽采是在煤層開采之前或采掘的同時， 用鉆孔或巷道進(jìn)行該煤層的抽采工作。該礦主要采用順層雙向鉆孔預(yù)抽本煤層瓦斯， 為提高預(yù)抽效果需要確定合理的預(yù)抽方式、合理的布孔參數(shù)和合理的預(yù)抽時間。

合理預(yù)抽方式的確定，常用的預(yù)抽方式主要包括平行鉆孔、交叉鉆孔和大直徑鉆孔等3種，通過對不同預(yù)抽方式、相同鉆孔密度下瓦斯抽采率對比、不同預(yù)抽方式達(dá)到相同瓦斯抽采率所需鉆孔密度比較和不同預(yù)抽方式施工作業(yè)難易程度的對比等3個方面進(jìn)行綜合考慮，交叉鉆孔方式是3種預(yù)抽方式中最適用于該礦且最合理的瓦斯預(yù)抽方式。

2)交叉鉆孔合理布孔參數(shù)的確定，主要確定交叉鉆孔高程差、鉆孔間距、鉆孔長度和鉆孔夾角。該礦經(jīng)過對各煤層賦存條件下的交叉鉆孔孔周破壞區(qū)及相互影響模擬數(shù)值計算及分析，高程差最佳取值范圍確定為4～6倍的鉆孔孔徑，如果考慮煤層瓦斯解吸、流動效應(yīng)和煤體蠕變屬性取6～8倍鉆孔孔徑。

1)本煤層抽采的實質(zhì)是擴大了鉆孔直徑，同時斜向鉆孔延長了鉆孔在卸壓帶的抽采時間，也避免了因鉆孔坍塌對抽采效果的影響，該布孔方式較常規(guī)布孔方式瓦斯抽采量提高了0.46～1.02倍。2)高位鉆孔抽采是將鄰近煤層瓦斯和采空區(qū)的瓦斯匯集抽出。瓦斯抽出后，鄰近煤層的相對瓦斯涌出量由原來的4.38～10.17m3/t變?yōu)?.46～3.16m3/t，大幅降低了瓦斯突出的危險性。3)采空區(qū)埋管抽采可以降低采煤工作面的瓦斯?jié)舛?，將鄰近煤層瓦斯排出，從而降低上隅角的瓦斯?jié)舛?，確保煤礦采空區(qū)的瓦斯體積分?jǐn)?shù)保持在0.7%～0.9%，滿足安全生產(chǎn)需求。

[1] 劉洋. 高瓦斯礦井采空區(qū)大直徑高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)研究[D].太原理工大學(xué)，2013.

[2] 王劍光. 煤礦瓦斯綜合抽采技術(shù)及應(yīng)用[J]. 中國煤炭，2014，03：111-115.