地面抽采煤層氣對(duì)高瓦斯礦井瓦斯治理的意義

王向東，景瑞旭

(山西華晉焦煤有限公司，山西 柳林 033301)

·專題綜述·

地面抽采煤層氣對(duì)高瓦斯礦井瓦斯治理的意義

王向東，景瑞旭

(山西華晉焦煤有限公司，山西 柳林 033301)

論述了在高瓦斯礦井，井下鉆孔抽采是礦井瓦斯治理的基本方法，但該方法存在瓦斯治理時(shí)間和空間局限性的問(wèn)題。地面抽采方法可以對(duì)礦井規(guī)劃采區(qū)進(jìn)行有效的抽采，擺脫井下抽采的局限性，從而解決井下瓦斯治理存在的問(wèn)題。

煤層氣地面開(kāi)采;瓦斯治理;效率

1 高瓦斯礦井常規(guī)井下瓦斯治理方法

本文以山西某礦為例，文中提到的內(nèi)容均為實(shí)際工作中的總結(jié)數(shù)據(jù)。

1．1 本煤層抽采

在巷道進(jìn)入煤層后，沿煤層施工鉆孔，抽放本煤層中瓦斯的方式為本煤層抽采。其特點(diǎn)是抽采速度快，施工方便，但是抽采率有限。

1．2 鄰近層抽采

在工作面回采前預(yù)先對(duì)工作面采空區(qū)裂隙帶和冒落帶位置施工的鉆孔，待工作面回采時(shí)對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采的方法。其特點(diǎn)是針對(duì)性強(qiáng)，對(duì)單一瓦斯問(wèn)題解決速度快，但施工難度大，鉆孔位置不易把握。

1．3 底抽巷抽采

在備采工作面底部施工巖石巷道，利用鉆孔對(duì)備采工作面瓦斯進(jìn)行抽采的方法。其優(yōu)點(diǎn)是可以避開(kāi)突出煤層進(jìn)行掘進(jìn)，缺點(diǎn)是巖巷開(kāi)拓工程量較大。

1．4 高抽巷抽采

在備采工作面頂部選擇合適位置施工沿工作面走向的巖巷(也有其他設(shè)計(jì))，其位置內(nèi)錯(cuò)于工作面上部一定距離，在工作面回采時(shí)大量瓦斯涌入采空區(qū)，利用位于采空區(qū)裂隙帶的高抽巷進(jìn)行抽采。其優(yōu)點(diǎn)是抽采能力大;缺點(diǎn)是工程量大，巷道位置不易掌握。

1．5 保護(hù)層開(kāi)采

保護(hù)層開(kāi)采主要是在主采煤層上部或者下部有非突出的煤層，則優(yōu)先開(kāi)采非突出煤層，稱為保護(hù)層。保護(hù)層開(kāi)采完成后被保護(hù)層達(dá)到均勻卸壓，消除突出危險(xiǎn)性。其優(yōu)點(diǎn)是瓦斯治理效果好;缺點(diǎn)是施工周期長(zhǎng)，工程量大。

2 常規(guī)井下瓦斯治理方法存在的問(wèn)題

井下瓦斯治理的局限性表現(xiàn)在治理區(qū)域的局限性，一方面，井下瓦斯治理必須以巷道為依托，在巷道內(nèi)施工抽采鉆孔治理巷道兩側(cè)的煤層。另一方面，巷道的開(kāi)掘本身就是在高瓦斯的煤層中進(jìn)行。因此，在先開(kāi)掘巷道和先治理瓦斯的問(wèn)題上出現(xiàn)矛盾。

井下抽采鉆孔受鉆探技術(shù)限制，大部分鉆機(jī)(如:西安煤科院ZDY－4000L鉆機(jī))只能施工直鉆孔，其鉆孔深度有限，約100 m左右，鉆進(jìn)方式為旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。一方面，受旋轉(zhuǎn)摩阻影響，隨著鉆孔深度加大，動(dòng)力傳遞效率降低，限制鉆孔深度。另一方面，鉆機(jī)無(wú)法調(diào)整鉆具的鉆進(jìn)方向，因煤層是起伏不定的，因此，鉆進(jìn)時(shí)可能進(jìn)入巖層，從而導(dǎo)致繼續(xù)鉆進(jìn)屬于無(wú)效鉆進(jìn)。另外，鉆具的重量也導(dǎo)致鉆孔提前進(jìn)入巖層。

少數(shù)具有定向功能的坑道鉆機(jī)能夠克服以上缺點(diǎn)，比如澳大利亞產(chǎn)VLD1000型鉆機(jī)。采用頂驅(qū)式鉆進(jìn)，同時(shí)可以根據(jù)隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)調(diào)整鉆頭位置，即使進(jìn)入巖層也可以通過(guò)調(diào)整重新進(jìn)入煤層。但是這種鉆探方式又產(chǎn)生了新的問(wèn)題:隨著鉆孔深度增加，在分支點(diǎn)、煤層小向斜軸和背斜軸等裂隙發(fā)育區(qū)域，容易造成塌方卡鉆。普通鉆具因強(qiáng)度大，可通過(guò)強(qiáng)拉措施，將鉆具拉出;定向鉆機(jī)鉆具柔韌性較強(qiáng)，但是強(qiáng)度相應(yīng)降低，不能強(qiáng)力拉出。而定向鉆具的頂驅(qū)部分帶有頂驅(qū)鉆具和導(dǎo)向模塊，其價(jià)值不菲，如丟入孔底將造成重大經(jīng)濟(jì)損失。鑒于以上原因，定向坑道鉆機(jī)在該礦施工的鉆孔深度維持在400 m左右。

綜上所述，因空間的不足和坑道鉆機(jī)本身能力的不足導(dǎo)致如下問(wèn)題:

2．1 影響礦井掘進(jìn)效率

該礦巷道掘進(jìn)普遍采用局部防突措施，即首先施工防突鉆孔，然后利用負(fù)壓進(jìn)行抽放，在抽放量達(dá)標(biāo)后，出具《可掘距離報(bào)告》，最后由掘進(jìn)隊(duì)組按照《可掘距離報(bào)告》的規(guī)定進(jìn)行開(kāi)掘工作，完成掘進(jìn)工作后重復(fù)上述循環(huán)。由此可以看出，開(kāi)掘前工序較多，下面從主要工序的施工時(shí)間進(jìn)行分析。以該礦4#煤掘進(jìn)面為例。

每個(gè)可掘循環(huán)施工防突鉆孔18個(gè)，鉆孔深度90 m，每班可施工鉆孔1個(gè)(早班檢修可施工0．5個(gè))，約7天可完成鉆孔施工。

根據(jù)該礦的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)抽放時(shí)間約8天。可掘距離為平行巷道方向鉆孔中的最短鉆孔減10 m，按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)煤長(zhǎng)度均能維持在80 m，因此，可掘距離為70 m。按照每天掘進(jìn)8 m計(jì)算，可掘9天。

由以上數(shù)據(jù)可以計(jì)算，每月日均掘進(jìn)距離為2．9 m，月均掘進(jìn)距離為87 m。按照可采長(zhǎng)200 m，走向長(zhǎng)1 500 m的工作面計(jì)算，最少需要20個(gè)月才能完成，再加上不可控因素和環(huán)節(jié)工程，最少需要24個(gè)月。

由以上數(shù)據(jù)可以看出，每個(gè)防突循環(huán)中防突時(shí)間為15天，而開(kāi)掘時(shí)間為9天。由此可以看出，局部防突措施成為影響開(kāi)掘效率的主要因素。而完成一個(gè)工作面的開(kāi)掘工作需要2年，這樣的工作面回采時(shí)間約15個(gè)月，這就說(shuō)明掘進(jìn)速度無(wú)法滿足采煤的需要，生產(chǎn)銜接就非常容易脫節(jié)。

2．2 采煤工作面瓦斯涌出量大

因采煤工作面兩側(cè)巷道對(duì)工作面煤體進(jìn)行瓦斯預(yù)抽，從工作面兩側(cè)向工作面施工抽放鉆孔，每側(cè)施工鉆孔長(zhǎng)度100 m，剛好完成全部覆蓋。但因鉆孔對(duì)煤體的排放效果隨著鉆孔深度加大，效果逐漸減弱，也就是說(shuō)鉆孔深部的瓦斯比較難以抽放。另外，該礦煤體堅(jiān)固性系數(shù)較低(0．42，4#煤)，隨著抽放時(shí)間增加，鉆孔附近瓦斯壓力降低，導(dǎo)致周圍煤體與鉆孔附近煤體瓦斯壓力梯度增大，大部分鉆孔均出現(xiàn)不同程度的塌方，導(dǎo)致鉆孔深部無(wú)法正常抽放。在工作面回采時(shí)也驗(yàn)證了這一結(jié)論，工作面中部瓦斯涌出量增加比較明顯?？拷鼉蓚?cè)巷道的工作面瓦斯涌出量較小。

該礦已回采的4202工作面，其可采長(zhǎng)200 m，走向長(zhǎng)1 000 m，但是因4#煤層與3#煤層有1～2 m的層間距，鉆孔無(wú)法對(duì)3#煤層進(jìn)行抽采，在工作面回采時(shí)，3#煤層中的瓦斯大量涌出，導(dǎo)致2010年3月1日出現(xiàn)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量達(dá)到57．22 m3/min的最大值。雖然采用高抽巷等措施大大減少了進(jìn)入工作面的瓦斯，但是工作面瓦斯超限事故時(shí)有發(fā)生，已經(jīng)嚴(yán)重制約工作面回采工作。

2．3 井下鉆孔施工和抽采過(guò)程中的瓦斯超限問(wèn)題

井下鉆探過(guò)程中煤層瓦斯不斷通過(guò)鉆孔向外逸出，但是孔口瓦斯收集裝置嚴(yán)密性較差，隨著鉆孔深度加大，鉆場(chǎng)瓦斯?jié)舛炔粩嗌仙?，甚至出現(xiàn)瓦斯超限報(bào)警的情況，為此該礦加強(qiáng)了孔口瓦斯收集裝置的管理，此類瓦斯超限報(bào)警事故大大降低。

井下鉆探過(guò)程中遇到地質(zhì)構(gòu)造帶，就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的瓦斯噴孔現(xiàn)象，目前仍無(wú)有效措施進(jìn)行防止，并且還會(huì)對(duì)孔口瓦斯收集裝置造成破壞。2010年，該礦輔助運(yùn)輸巷開(kāi)拓面發(fā)生一次鉆探過(guò)程中導(dǎo)通裂隙發(fā)育區(qū)導(dǎo)致大量瓦斯涌入巷道，從事發(fā)地點(diǎn)到回風(fēng)大巷口大面積瓦斯超限，且無(wú)法阻止瓦斯涌出。最終等鉆孔內(nèi)瓦斯壓力降低后，才對(duì)其進(jìn)行控制抽放，終止瓦斯超限事故。

正在抽放中的鉆孔因煤體堅(jiān)固性系數(shù)較低，在抽放過(guò)程中大量鉆孔發(fā)生塌方。在塌方相對(duì)嚴(yán)重的鉆孔里，內(nèi)部空間的瓦斯無(wú)法正常逸出，導(dǎo)致內(nèi)部空間瓦斯壓力增大，當(dāng)壓力增大到塌方部分碎煤無(wú)法承受時(shí)，大量瓦斯就會(huì)和塌方的碎煤一起噴出，沖壞孔口抽放管，大量瓦斯涌入巷道，從而引發(fā)瓦斯超限報(bào)警事故。

綜上所述，在礦井內(nèi)的瓦斯鉆探和抽放工作存在不可控性，且不可控性發(fā)生的概率較大，而這些事故發(fā)生后大量氣體會(huì)直接排入巷道，形成次生災(zāi)害，雖然屬于瓦斯治理的范疇，但仍影響到礦井的安全生產(chǎn)。

3 煤層氣地面開(kāi)采的作用和優(yōu)勢(shì)

3．1 煤層氣地面開(kāi)采的方式

常見(jiàn)的煤層氣地面開(kāi)采方式有兩種:壓裂直井開(kāi)采和水平井開(kāi)采。

壓裂直井開(kāi)采是最常見(jiàn)的開(kāi)采方式，通過(guò)地面施工垂直井(也有傾斜井)到煤層，然后采用壓裂設(shè)備將煤層壓裂，最后安裝采氣設(shè)備進(jìn)行排采。在煤層中的壓裂半徑通常為150 m，可以同時(shí)為多個(gè)煤層進(jìn)行排采，排采周期為10年，采氣量為1 000～1 500 m3/d。

水平井開(kāi)采是目前最先進(jìn)的開(kāi)采方式，使用頂驅(qū)鉆機(jī)進(jìn)行施工，所施工的煤層氣井可以沿煤層進(jìn)行延伸，并在近端或者遠(yuǎn)端和垂直井對(duì)接，然后下設(shè)篩管支撐井壁，完井后將水平井井口封閉，在垂直井上安裝采氣設(shè)備進(jìn)行排采。目前一般水平段的長(zhǎng)度在1 000 m以內(nèi)，采氣周期5～10年，采氣量10 000～15 000 m3/d。

3．2 煤層氣地面抽采的優(yōu)勢(shì)

1)采出的氣體中甲烷濃度高，一般在95%以上，而井下抽采的甲烷濃度一般維持在30% ～40%。高濃度瓦斯用途非常廣泛，可以作為化工原料、發(fā)電、民用、車用等。

2)相對(duì)于煤礦井下作業(yè)環(huán)境，地面鉆場(chǎng)開(kāi)闊，鉆井裝備的選型范圍廣，可以采用大功率鉆機(jī)設(shè)備，因此，鉆井作業(yè)效率高。

3)由于地面和地下煤層之間存在高度差，鉆孔井眼在鉆井液柱壓力的支撐和保護(hù)下成型好，不易塌孔，有利于瓦斯抽采。

4)抽采效率高。對(duì)于水平井而言，利用現(xiàn)成的石油、天然氣大功率鉆井裝備，可以在煤層中施工出千米以上的多分支、大口徑井孔，因此，抽采效率高，單井日產(chǎn)氣量可達(dá)幾萬(wàn)m3。

對(duì)于壓裂井而言，利用壓裂工藝對(duì)主要目標(biāo)煤層壓裂后，同時(shí)對(duì)多煤層進(jìn)行排采，日產(chǎn)氣量可以達(dá)到1 000 ～1 500 m3。

5)可針對(duì)不同區(qū)域?qū)嵤┎煌牡孛娉椴煞绞健２煽諈^(qū)井的抽采效果極好，因采空區(qū)內(nèi)瓦斯富集，且隨著高度升高，抽采濃度越高，因此，選擇合適的鉆井深度，可以把握良好的抽采濃度;采空區(qū)裂隙充分發(fā)育，適于流體移動(dòng)，而瓦斯比其他氣體輕，向上部移動(dòng)，因此，采空區(qū)井抽采量非?？捎^，在開(kāi)采初期日產(chǎn)量可以達(dá)到15 000 m3。

近期(3～5年)開(kāi)采區(qū)域的地面抽采方法為施工壓裂直井或者多分支水平對(duì)接井，然后井下抽采。這種方法可以充分利用井下抽采系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，也可以利用井下鉆機(jī)的靈活性和快捷性。用井下和地面施工結(jié)合的方式，可快速有效地解決瓦斯問(wèn)題。

遠(yuǎn)期規(guī)劃開(kāi)采區(qū)域可以采用壓裂直井或者水平井，其施工不受礦井條件束縛，可以長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行抽采，待工作面推進(jìn)至此，瓦斯問(wèn)題已經(jīng)解決。

4 煤層氣地面開(kāi)采對(duì)高瓦斯礦井瓦斯治理的意義

井下瓦斯治理礙于巷道的局限性，不能對(duì)較遠(yuǎn)區(qū)域進(jìn)行治理，但是地面煤層氣開(kāi)采則無(wú)此局限性?？梢园凑赵O(shè)計(jì)要求在遠(yuǎn)景規(guī)劃區(qū)均勻布置煤層氣井，使得煤層氣開(kāi)采過(guò)程將煤層氣含量均勻降低，遠(yuǎn)景規(guī)劃區(qū)近期無(wú)礦井開(kāi)掘計(jì)劃，因此，可以有充足的時(shí)間(5～10年)進(jìn)行開(kāi)采，在開(kāi)采完成后完全可以達(dá)到礦井防突的各項(xiàng)指標(biāo)。

煤層氣地面開(kāi)采使遠(yuǎn)景規(guī)劃區(qū)煤層各項(xiàng)防突指標(biāo)均達(dá)標(biāo)后，可以大大加強(qiáng)該區(qū)域的采掘效率。巷道掘進(jìn)不需要進(jìn)行循環(huán)式預(yù)抽，因此，巷道掘進(jìn)速度可以提高到240 m/月，一個(gè)工作面的掘進(jìn)時(shí)間可以縮短為10個(gè)月，采掘銜接的瓶頸問(wèn)題將大為緩解。綜采工作面中部不會(huì)出現(xiàn)瓦斯集中涌出區(qū)域，減輕工作面通風(fēng)壓力，同時(shí)可減小工作面上隅角瓦斯積聚程度。不會(huì)出現(xiàn)井下鉆探導(dǎo)致的各類瓦斯超限事故。在礦井生產(chǎn)能力不變的情況下可以減少一半的掘進(jìn)人員和大部分的鉆探抽采人員，從而降低掘進(jìn)和鉆探抽采的資金消耗。同時(shí)不需要掘進(jìn)底抽巷，也不需要專門進(jìn)行保護(hù)層開(kāi)采。礦井通風(fēng)系統(tǒng)也可適當(dāng)降低消耗，在該礦擴(kuò)能增產(chǎn)時(shí)不需要增設(shè)新的風(fēng)井井筒。

甲烷溫室效應(yīng)是CO2的21倍。煤層氣地面開(kāi)采可以減少排入空氣的溫室氣體含量，還可以得到高純度的煤層氣。高純度煤層氣經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理可以達(dá)到天然氣管道輸送的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)入天然氣管道進(jìn)行銷售;也可以經(jīng)過(guò)液化處理，將煤層氣運(yùn)輸至加氣站進(jìn)行銷售。不僅有利于環(huán)境保護(hù)，還可作為替代汽油的清潔能源。

5結(jié)論

地面抽采是高瓦斯礦井瓦斯綜合治理的重要手段，高瓦斯礦井應(yīng)在加強(qiáng)井下抽采力度的同時(shí)，積極開(kāi)展地面抽采，真正實(shí)現(xiàn)高瓦斯礦井低于其狀態(tài)下生產(chǎn)的目標(biāo)。

Significance of CBM Ground Extraction for Gas Control in High Gas Coal M ine CBM in High Gas Coal M ine

W ang Xiang－dong，Jing Rui－xu

In high gas mine，downhole drilling drainage is the basic method of gas control in the mine，but this method has the problems of the gas control time and space limitation．The ground extraction method can effectively drainage to the planning area of coal mine，get rid of the limitations of the underground extraction，thus solves the existing problems of underground gas control．

Coalbed methane(CBM)ground mining;Gas Control;Efficiency

TD712+．6

A

1672－0652(2012)09－0013－03

2012－08－03

王向東(1986—)，男，河南林州人2008年畢業(yè)于河南理工大學(xué)，助理工程師，主要從事礦井瓦斯抽放工作(E －mail)hjjmdcc@163．com