西銘礦煤層氣資源安全高效開采利用研究

許永將

(西山煤電股份公司西銘礦，山西 太原 030052)

西山煤電股份公司西銘礦屬國(guó)有大型礦井，開采2#、3#、8#、9#煤層，經(jīng)過(guò)多次改擴(kuò)建后核定生產(chǎn)能力為3．60 Mt/a。近五年產(chǎn)量均保持在360萬(wàn)t/年左右，采用走向長(zhǎng)壁式采煤方法，綜合機(jī)械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板，礦井采掘機(jī)械化程度為100%。冀家溝建立地面永久抽采泵站，安裝3臺(tái)2BEC72－1BG3型水環(huán)式真空抽采泵，額定功率為560 kW，排氣量450 m3/min。目前單臺(tái)運(yùn)行，2臺(tái)備用，抽采負(fù)壓為0．04 MPa左右。在井下回風(fēng)巷敷設(shè)D800 mm和DN630mm抽采管為礦井主系統(tǒng)，在回采工作面和預(yù)抽工作面、采空區(qū)敷設(shè)DN315 mm抽采管?，F(xiàn)主要采用本煤層(底抽巷、底抽鉆場(chǎng))預(yù)抽、區(qū)域預(yù)抽、頂板裂隙帶高低位孔(高抽巷、頂板鉆場(chǎng))抽采、采空區(qū)密閉抽采。2#煤層采用上鄰近層高低位鉆孔抽采，3#煤目前未進(jìn)行抽采(未開采)，9#煤采用上隅角埋管抽采，8#煤采用多種方式綜合抽采(本煤層+上鄰近層高低位+底抽鉆場(chǎng)+采空區(qū))。

1 煤層氣開采方面所面臨的問(wèn)題及效益分析

高抽巷布置在8#煤上覆頂板炭質(zhì)頁(yè)巖層中(厚2．82 m)，距8#煤垂高38 m，內(nèi)錯(cuò)平行于距皮帶順槽27 m(水平投影)沿煤層頂板布置。該巷從48207皮帶順槽內(nèi)13 m位置垂直于48207皮帶順槽水平掘進(jìn)5 m，然后以10°向上掘進(jìn)70 m，再以 13．2°向上掘進(jìn)80 m進(jìn)入炭質(zhì)頁(yè)巖層后水平送巷，巷道全長(zhǎng)565 m。高抽巷采用半圓拱形斷面，斷面尺寸：高3．2 m，寬3．4 m，墻高 1．5 m，斷面 9．6 m2，巷道支護(hù)形式采用錨網(wǎng)支護(hù)(錨桿、錨索加鋼筋網(wǎng))。施工結(jié)束后，采取密閉措施，在距巷道口45 m處，巖石頂板較穩(wěn)定段施工雙層充填水泥砂漿密閉，巷道口砌筑1道永久密閉，并對(duì)密閉外5 m范圍內(nèi)巷道及墻體噴漿加固。在密閉墻上安裝1趟DN630 mm聚乙烯抽采管路，抽采管口位置距離密閉里墻體2 m，高度1 m，接入南二盤區(qū)瓦斯抽采系統(tǒng)。在高抽巷抽采管路上安設(shè)規(guī)格為開孔2/3的孔板流量計(jì)，用于抽采數(shù)據(jù)測(cè)量。

1)經(jīng)濟(jì)性分析。開拓施工高抽巷巷道工程費(fèi)用：人工費(fèi)和材料費(fèi)需442．53萬(wàn)元;從經(jīng)濟(jì)性上分析，高抽巷費(fèi)用與送底抽巷費(fèi)用差不多，相比之下，高抽巷送道時(shí)間長(zhǎng)，全巖巷道送道難度大，經(jīng)濟(jì)上不合理，施工專用回風(fēng)巷布置裂隙帶孔經(jīng)濟(jì)性次之，在皮帶順槽施工鉆場(chǎng)布置裂隙帶孔最為經(jīng)濟(jì)。

2)適用性分析。通過(guò)對(duì)高抽巷數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)性檢測(cè)，其抽采量基本保持在19 m3/min左右，與以往抽采方法相比，高抽巷效果穩(wěn)定，技術(shù)上可行，利用時(shí)間長(zhǎng);底抽巷同樣具有利用時(shí)間長(zhǎng)、效果穩(wěn)定特點(diǎn)，缺點(diǎn)是底抽巷受圍巖地應(yīng)力影響容易產(chǎn)生巷道變形;采用專用回風(fēng)巷布置裂隙帶孔效果一般，從總體上來(lái)說(shuō)難以根治采場(chǎng)空間瓦斯涌出;在皮帶順槽布置鉆場(chǎng)效果不錯(cuò)，但利用時(shí)間短。

3)優(yōu)點(diǎn)分析。高抽巷具有抽采濃度大、抽采量穩(wěn)定的特點(diǎn)，特別適合高瓦斯區(qū)域瓦斯治理;抽采出的高濃度瓦斯不經(jīng)過(guò)采煤及回風(fēng)巷區(qū)域，安全可靠性高，屬本質(zhì)安全型抽采方法;有效控制采空區(qū)瓦斯涌向支架采場(chǎng)范圍內(nèi)，較大程度上減輕了回采期間風(fēng)排瓦斯壓力;能夠在支架后側(cè)的采空區(qū)形成較強(qiáng)的負(fù)壓場(chǎng)，改變采空區(qū)瓦斯流經(jīng)路線，驅(qū)使高濃度瓦斯流向高抽巷;高抽巷布置在煤層頂板裂隙發(fā)育帶范圍，使用壽命較長(zhǎng)，可以在工作面推進(jìn)較遠(yuǎn)距離后，仍能從采空區(qū)內(nèi)抽采大量高濃度瓦斯。

4)不足分析。該礦高抽巷掘送時(shí)未端只送到切眼位置，未超前切眼長(zhǎng)度;若超過(guò)切眼位置20～30 m距離可能初采初放時(shí)期抽采效果更好;高抽巷距8#煤層頂板高差為38 m，符合按5～12倍理論計(jì)算要求，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)分析，取42 m左右距離抽采濃度更高，即按11倍的采高計(jì)算巷道高差;高抽巷的水平投影距皮帶順槽的距離控制在切眼長(zhǎng)度的1/5范圍內(nèi)有利于上隅角側(cè)瓦斯抽采，該礦高抽巷內(nèi)錯(cuò)皮帶順槽距離為27 m，內(nèi)錯(cuò)距離過(guò)大，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)可知，回風(fēng)隅角渦流區(qū)域瓦斯難以徹底抽排;若內(nèi)錯(cuò)距離為17～20 m范圍時(shí)，可能效果更佳。

通過(guò)對(duì)高抽巷投資費(fèi)用、抽采效果分析，該礦煤層氣高效開采利用手段可多方面考慮，如底抽巷、底抽鉆場(chǎng)等可節(jié)約成本，同時(shí)解決礦井瓦斯問(wèn)題，為煤層氣高效開采提供保障。裂隙帶抽采鉆孔封孔示意圖見圖1。

圖1 裂隙帶抽采鉆孔封孔示意圖

2 結(jié)論及建議

1)現(xiàn)地面泵站抽采瓦斯?jié)舛葹?4%，抽采量為52 m3/min，移動(dòng)泵瓦斯?jié)舛葹?%，抽采量8 m3/min左右，從2006年至今抽采量呈逐年提高趨勢(shì)，但是抽采管路放水裝置效果差造成抽采氣路不暢通，本煤層抽采鉆孔受采動(dòng)影響造成封孔段漏氣，多種混合抽采方式造成瓦斯抽采濃度不穩(wěn)定且偏低，上述原因都對(duì)瓦斯發(fā)電項(xiàng)目的利用造成困難。

2)封孔質(zhì)量是提高抽采效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。封孔采用新工藝和新材料，采用的新型礦用合成樹脂封孔，封孔長(zhǎng)度由9 m增加至12 m。及時(shí)根據(jù)地面泵站抽采量、抽采濃度變化趨勢(shì)，科學(xué)合理地調(diào)配抽采工作面、采空區(qū)等氣源，保證了抽采量和濃度穩(wěn)定、可靠。

3)管路、鉆孔積水和煤渣是影響抽采的不利因素。探索自動(dòng)放水裝置，改進(jìn)聯(lián)孔方式，每3個(gè)鉆孔接1個(gè)放水器，在支管增設(shè)放水器，初步解決了積水影響。在鉆孔施工結(jié)束后持續(xù)送水5 min，將孔內(nèi)余渣沖凈，在支管路增設(shè)除渣裝置，定期除渣。

4)鉆孔施工質(zhì)量是提高抽采效果的根本。根據(jù)抽采參數(shù)分析經(jīng)驗(yàn)，不斷摸索適合該礦地質(zhì)特點(diǎn)的鉆孔參數(shù)，改進(jìn)抽采設(shè)計(jì)。高位鉆孔由8倍采高改為12～14倍，與巷道夾角由90°改為40°～45°，有效克服斷孔、堵孔等弊端，低位鉆孔由5倍采高改為1～2倍采高，可有效降低上隅角瓦斯。

5)冀家溝只有1套地面抽采系統(tǒng)，目前地面抽采以治理采掘工作面瓦斯不超限為目標(biāo)，不以利用為目的。南二、南四盤區(qū)同時(shí)還抽采多個(gè)采空區(qū)瓦斯，氣源不穩(wěn)定會(huì)造成抽采量、抽采濃度不穩(wěn)定，忽高忽低波動(dòng)幅度較大。需要輪流調(diào)整抽采盤區(qū)，合理調(diào)配抽采工作面，瓦斯利用前，需提前建立地面分源抽采系統(tǒng)。

6)南二、南四盤區(qū)高瓦斯煤層8#煤在3年后資源枯竭，2個(gè)盤區(qū)將會(huì)轉(zhuǎn)移至低瓦斯煤層9#煤中采掘。3年后北七盤區(qū)將成為高瓦斯煤層8#煤的主采掘區(qū)域，根據(jù)鄰近的北五盤區(qū)8#煤瓦斯賦存量分析推斷北七盤區(qū)采掘區(qū)域絕對(duì)瓦斯涌出量不會(huì)超過(guò)20 m3/min。所以，3年后全礦井瓦斯賦存總量會(huì)大幅降低，南二、南四盤區(qū)的可抽量呈現(xiàn)明顯衰減趨勢(shì)，而從北七盤區(qū)又難以抽出濃度高、氣源穩(wěn)的瓦斯，因此，建立高濃度瓦斯發(fā)電項(xiàng)目將存在困難，需要慎重考慮。