艾維爾溝礦區(qū)二一三〇煤礦瓦斯防治技術(shù)探討

王寶群 王志輝

(1. 新疆焦煤(集團)有限責任公司,新疆烏魯木齊 830025;2.中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶 400037)

艾維爾溝礦區(qū)二一三〇煤礦瓦斯防治技術(shù)探討

王寶群1王志輝2

(1. 新疆焦煤(集團)有限責任公司,新疆烏魯木齊 830025;2.中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶 400037)

艾維爾溝礦區(qū)二一三〇煤礦為多煤層開采礦井。隨著礦井改擴建工程的施工,礦井開采深度增加,瓦斯及防突問題日益嚴重。日益嚴重的瓦斯問題不但嚴重影響了礦井生產(chǎn)安全,也對礦井的采掘接續(xù)產(chǎn)生了極大的影響,造成了采掘接續(xù)的緊張。近年來礦井瓦斯防治的投入大大增加,但煤炭產(chǎn)量卻增加不大,甚至出現(xiàn)減少的現(xiàn)象。因此,探索、尋求一種切實有效的瓦斯治理技術(shù)成為艾維爾溝礦區(qū)面對的重要問題。

保護層 瓦斯抽采 帶壓封孔 地面井卸壓抽采

1 礦井概況

1.1 煤層情況

二一三〇煤礦井田地層含煤共9層,自上而下編號為1、2-1、2-2、2下1、2下2、3、4、5、6號,其中2下1、2下2為不可采煤層,其他煤層為可采煤層。煤層總厚度22.78m,可采煤層總厚度21.76m。如(圖1)所示。

1.2 煤層瓦斯情況

2011年4月2日13時8分,二一三〇煤礦改擴建主斜井掘進工作面發(fā)生煤巖與甲烷二氧化碳突出事故,突出煤巖量約為800多噸。礦井1號煤層非常松軟,在+1940m水平測得的最大瓦斯壓力為1.9MPa,經(jīng)鑒定具有突出危險性。3號煤層測得的最大瓦斯壓力為0.92MPa。4號煤層在+1950m水平測得的最大瓦斯壓力為0.85MPa。5號煤層在+2047m水平的25221工作面,開采期間瓦斯涌出量較大,瓦斯超限頻繁,且在工作面端頭出現(xiàn)偏幫垮煤現(xiàn)象,測得的最大瓦斯壓力為0.75MPa。6號煤層測得最大瓦斯壓力為0.6MPa。在采掘過程中,1、5、4號煤層都出現(xiàn)過鉆孔噴孔現(xiàn)象。

1.3 現(xiàn)有的瓦斯治理措施

目前礦井使用兩套地面瓦斯抽采系統(tǒng),抽采泵型號分別為2BEC-50(2臺)和2BEC-72(4臺)型水環(huán)式真空泵,瓦斯抽采濃度10%～20%。礦井抽采系統(tǒng)較為完善。

礦井瓦斯抽采方式以本煤層順層鉆孔預(yù)抽為主,并結(jié)合井下采空區(qū)抽采。礦區(qū)因瓦斯抽采工作剛剛起步,抽采瓦斯量較少或者抽采瓦斯?jié)舛绕?尚未達到安全、經(jīng)濟利用的程度,抽出的瓦斯暫未利用。

表1 2014年～2016年2130煤礦抽采抽采鉆孔及施工費用預(yù)算

表2 同一工作面地面井卸壓抽采與井下抽采投入對比表

2 礦井瓦斯防治面臨的問題

礦井的瓦斯問題是近兩年來隨著開采深度的增加日益顯現(xiàn)出來的,雖熱礦井引入了井下瓦斯抽采技術(shù),并建立了相對完善的抽采系統(tǒng),但仍然存在著許多的問題?？偣驳恼f來,礦井主要存在以下幾點問題。

2.1 井下瓦斯抽采技術(shù)的應(yīng)用存在單一性

目前礦井主要以順層本煤層抽采為主,在煤巷掘進過程中采用先抽后掘的瓦斯治理措施,形成回采面后再施工回采的大面積順層鉆孔預(yù)抽。從安全角度考慮,在突出煤層或危險程度較高的煤層中施工順層鉆孔,特別是煤巷的順層條帶預(yù)抽具有很大安全隱患,易誘導(dǎo)突出的發(fā)生。同時由于煤層厚度的變化,回采面的順層鉆孔易留下空白帶,加大了瓦斯事故的發(fā)生。例如在25221工作面由于煤層厚度從6m變?yōu)?2m,造成局部煤層變厚區(qū)域順層無法控制下部煤層,回采過程中瓦斯超限頻繁,瓦斯抽采并不達標。單一的順層鉆孔無法解決礦井的瓦斯問題。

2.2 井下瓦斯抽采效果較差

礦井煤層透氣性較差,瓦斯抽采效果并不明顯,瓦斯抽采濃度在10%～20%,日瓦斯抽采純量約10000m3。較差的瓦斯抽采效果造成了工作面瓦斯抽采時間長,對本來接續(xù)就較為緊張的局面更加的嚴重。初步分析認為造成瓦斯抽采效果較差的原因,一是抽采管理長,彎頭多,抽采負壓損失大;二是封孔效果差,漏氣嚴重。

2.3 現(xiàn)有瓦斯防治技術(shù)投入大,見效慢

礦井采用的井下瓦斯抽采技術(shù)是目前國內(nèi)比較成熟的技術(shù)措施。但對二一三〇礦井而言井下瓦斯抽采技術(shù)工程量巨大,投入成本高。(表1)為最近3年礦井抽采鉆孔工程量及施工預(yù)算。

除了鉆孔施工的費用與人員投入,消突巷道的施工也需要大量的資金與人員投入。而這些工程的開展以及后續(xù)的瓦斯抽采,這些都需要大量的時間安排,成為礦井生產(chǎn)接續(xù)的巨大障礙,極有可能造成礦井無煤可采的局面。

圖1 煤層剖面圖

2.4 礦井瓦斯防治手段單一

礦井井下瓦斯抽采主要依靠鉆孔預(yù)抽,抽采效果差,抽采時間長。礦井應(yīng)從分利用保護層開采、卸壓開采、煤層增透等技術(shù)措施,提高瓦斯抽采效果,減少瓦斯抽采時間。同時積極引進其他瓦斯技術(shù)措施,從瓦斯防治工程量、成本投入、人員投入等方面綜合分析探討,確立適合礦井生產(chǎn)實際的綜合瓦斯防治技術(shù)體系。

3 礦井瓦斯防治的總體思路

影響礦井瓦斯賦存的因素是多方面的,因此礦井瓦斯防治是一項綜合的、復(fù)雜的工作,必須建立一個具有可操控性、合理性、有效性、經(jīng)濟行的治理體系。通過研究分析國內(nèi)外瓦斯治理經(jīng)驗,結(jié)合本礦井的生產(chǎn)實踐,得出二一三〇煤礦瓦斯防治思路如下。

3.1 提高瓦斯抽采鉆孔施工工藝,調(diào)整鉆孔布置方式

井下瓦斯抽采技術(shù)可靠性高,但必須結(jié)合礦井實際情況不斷調(diào)整,研究分析適合不同煤層、不同工作面情況下的鉆孔施工工藝、封孔工藝、鉆孔布孔方式。

(1)鉆孔施工工藝。礦井目前采用順層條帶預(yù)抽與回采面順層鉆孔大面積預(yù)抽的瓦斯治理措施。這種技術(shù)措施的應(yīng)用導(dǎo)致必須在回風巷或運輸巷施工完畢后才能進行回采面大面積預(yù)抽,浪費了抽采時間,延長了回采面準備時間?？梢M井下千米鉆機,在工作面石門或工作面回風上山中施工包括上下順槽條帶及工作面的長鉆孔進行瓦斯預(yù)抽。可極大的增大鉆孔抽采率,減少搬家次數(shù)及工作面準備時間。

在煤層較軟的煤層中施工鉆孔時,可引進軟煤層施工技術(shù)及設(shè)備,試驗風力排查等施工技術(shù),減少垮孔、堵孔現(xiàn)象,提高成孔率。

(2)封孔工藝。礦井主要采用水泥砂漿封孔,封孔效果不佳,多有漏氣現(xiàn)象發(fā)生。可推廣天固等有機材料進行帶壓封孔。這種封孔方式在艾維爾溝礦區(qū)的一八九〇煤礦16122工作面進行了試驗。試驗表明效果明顯,鉆場抽采負壓由10千帕提高到了23千帕,抽采濃度由7%提高到了平均18%,最大達到28%。

(3)鉆孔布孔方式。瓦斯抽采鉆孔的布置方式是多樣的,可以是單一模式,也可以多種模式相互組合。鉆孔的布置方式需要綜合考慮煤層賦存狀況、工作面地質(zhì)情況等影響因素,確定合適的布置方式。二一三〇煤礦單一的順層長鉆孔預(yù)抽方式不但在施工時存在安全隱患,還會在煤層變化區(qū)域留有空白帶;同時由于鉆孔較長,在軟煤層中易出現(xiàn)垮孔、堵孔現(xiàn)象,影響抽采效果。礦井應(yīng)多采用穿層鉆孔進行瓦斯預(yù)抽,并考察確定穿層鉆孔的孔間距;也可采用穿層與順層鉆孔交叉布置方式,最終可確保抽采無空白地,并能提高鉆孔抽采率。

3.2 優(yōu)化瓦斯抽采系統(tǒng),提高瓦斯抽采效果

抽采系統(tǒng)是一個組成系統(tǒng),任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都可能導(dǎo)致抽采系統(tǒng)運行障礙,影響抽采監(jiān)測數(shù)據(jù)和抽采效果。抽采系統(tǒng)必須有可靠的監(jiān)測裝備與技術(shù)手段,還需要專業(yè)的維護人員定期進行維護,抽采系統(tǒng)的瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)也必須進行對比分析才能確定是否握真實可靠。

(1)抽采系統(tǒng)檢測監(jiān)控設(shè)備。礦井抽采系統(tǒng)的監(jiān)測監(jiān)控除了自動監(jiān)控外,還需設(shè)計人工監(jiān)控裝置。系統(tǒng)主管路至少設(shè)置2～3個測嘴,支管路每隔100m設(shè)置一個測嘴,鉆場中每隔單孔設(shè)置一個測嘴,測嘴主要用以人工測定負壓、流量、瓦斯?jié)舛取?/p>

(2)系統(tǒng)維護。抽采系統(tǒng)必須有專業(yè)人員進行維護,原則上每隔星期進行一次抽采系統(tǒng)瓦斯參數(shù)的人工測定,測定記錄主要包括:測定人員、測定地點、測定類別(負壓、濃度、流量等)。測定人員需要有一定的專業(yè)知識和專用設(shè)備,測定數(shù)據(jù)繪表成冊并提交防突辦進行數(shù)據(jù)分析與對比。

(3)數(shù)據(jù)分析與對比。抽采系統(tǒng)的井下自動監(jiān)測裝置受干擾較大,監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性具有一定的有效期,需要人工監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析。根據(jù)分析結(jié)果確定自動監(jiān)測設(shè)備是否運行良好,如果有異常則需要對自動監(jiān)測裝備進行修理、較真。同時,通過主、支管路及鉆場單孔的人工監(jiān)測,還可預(yù)判抽采管路是否有異常。

3.3 積極開展保護層卸壓開采技術(shù)研究

對于二一三〇煤礦多煤層礦井來說,保護層卸壓開采是礦井防突、瓦斯防治的首選目標。能夠有效、充分的利用保護層卸壓技術(shù)需要做到以下幾點。

(1)首次層及煤層開采順序的確定。多煤層開采中,首次煤層的確定是決定礦井煤層開采順序的前提。礦井合理的首采層及煤層開采順序,將會為礦井節(jié)省大量的人力、物力、財力,同時也是確保卸壓效果的重要保障。首采層的確定及煤層開采順序的選擇因素很多,主要涉及到煤層厚度、層間距、保護(卸壓)層利用率、抽采巷布置、鉆孔施工工藝、抽采效果等。這些因素是礦井開展煤層群瓦斯治理技術(shù)的關(guān)鍵所在。

(2)抽采巷道布置。在突出煤層采掘活動前,不管是否卸壓,都需要進行瓦斯抽采。抽采巷道是瓦斯抽采的重要利用方式。合理的布置抽采巷道,是減少工程量,提高抽采巷道利用率的重要前提。抽采巷道的布置要充分考慮煤層間距,保護卸壓間距,巷道布置標高。抽采巷道布置原則:一是最大程度的能夠針對多個煤層進行抽采;最大程度的減少抽采鉆孔工程量,減少下向孔數(shù)量。

(3)抽采鉆孔布置。抽采鉆孔是井下瓦斯抽采、消突的重要手段。抽采效果與抽采鉆孔的施工效果具有很大的關(guān)系。一般說來,穿層抽采鉆孔程度不要超過120m,過程的抽采鉆孔在施工過程中定位效果較差,不能準確的施工至設(shè)計要求。抽采鉆孔盡量布置也應(yīng)盡可能布置上向鉆孔,下向鉆孔的孔內(nèi)積水將會嚴重影響抽采效果,延長抽采時間。

3.4 開展瓦斯抽采新方法、新技術(shù)研究

井下瓦斯抽采是一項成熟的瓦斯治理技術(shù)手段,但多年的經(jīng)驗表明井下瓦斯抽采還存在不少的缺陷。主要缺陷表現(xiàn)在:一是鉆孔施工工程量大,施工人員多;二是抽采巷道工程量大,施工工期長;三是抽采時間長,影響采掘接續(xù);四是井下抽采系統(tǒng)維護困難。

鑒于以上原因,礦井需要積極的引進像地面抽采等新的瓦斯抽采技術(shù)與設(shè)備,減少人工與成本的投入,提高瓦斯治理效果。

4 瓦斯抽采新技術(shù)的探討

地面鉆井卸壓瓦斯抽采是目前國內(nèi)新興的瓦斯技術(shù),在山西、淮南等地取得了很好的效果。地面鉆井卸壓抽采是利用煤層回采前,在采掘準備區(qū)預(yù)先施工地面直井穿越煤層(群);煤層回采過程中,充分利用煤層回采工作面的采動卸壓增流效應(yīng)和采場裂隙帶的導(dǎo)流作用,對煤層回采工作面前方及后方一定范圍內(nèi)的瓦斯進行有效的抽采,從而降低工作面的瓦斯超限風險。二一三〇煤礦為多煤層開采,礦井在開采4號及下方煤層時,1、2、3號煤層可收到卸壓保護作用,符合地面井卸壓抽采要求。

4.1 地面鉆井卸壓抽采的優(yōu)點

成功經(jīng)驗表明,地面鉆井卸壓瓦斯抽采瓦斯?jié)舛纫话阍?0～90%,抽采瓦斯純量為6000～10000m3/d。其高效抽采階段的卸壓期一般會維持3～4月,4個月之后將進入抽采衰減穩(wěn)定期。

地面鉆井卸壓抽采還可以節(jié)省大量的井下施工時間、瓦斯抽出時間,減少瓦斯治理工程的投入與人員安排。(表2)為同一工作面地面井卸壓抽采與井下抽采各項投入的對比。

4.2 地面鉆井卸壓抽采的缺點

地面卸壓抽采對地面施工環(huán)境要求較高,地面鉆井施工具有一定的失敗率。根據(jù)井田煤層及頂?shù)装鍘r性的不同,地面鉆井的固井模式也不相同,還需在施工過程中不斷的考察分析,最終確定符合實際要求的鉆井方式。

5 結(jié)語

二一三〇煤礦瓦斯防治是礦井面臨的首要問題,分析認為礦井在現(xiàn)有的技術(shù)條件下,可優(yōu)化井下瓦斯抽采技術(shù)及各項施工工藝,提高瓦斯抽采效果。積極開展保護層卸壓開采技術(shù)研究,制定符合礦井生產(chǎn)需要的長期瓦斯防治規(guī)劃。引進地面鉆井卸壓瓦斯抽采技術(shù),節(jié)省瓦斯防治中的工程量與資金投入,減少生產(chǎn)接續(xù)準備時間。通過各項措施的優(yōu)化與引進,最終應(yīng)建立起井上下聯(lián)合抽采的瓦斯綜合防治技術(shù)體系。