瓦斯抽采利用示范化礦井建設(shè)技術(shù)研究

侯東旭

摘 要：平頂山礦區(qū)曾是瓦斯事故重災(zāi)區(qū)，歷史上發(fā)生過(guò)數(shù)次重特大瓦斯爆炸事故和煤與瓦斯突發(fā)事故。礦區(qū)現(xiàn)有生產(chǎn)礦井21對(duì)，其中，14對(duì)為煤與瓦斯突出礦井，突出礦井產(chǎn)能占集團(tuán)80%以上。隨著礦井開(kāi)采延伸，高瓦斯、高應(yīng)力、高地溫問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，成為制約煤礦安全、影響礦井安全高效生產(chǎn)的突出問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：煤礦;瓦斯利用;示范化;技術(shù)探討

中圖分類(lèi)號(hào)：TD712.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2019）16-0107-03

Abstract： As a heavily influenced area by gas disaster， Pingdingshan coal mining district once occurred several major gas explosion accidents， and also coal and gas outburst accidents in its history. There are 21 pairs of production mines in the mining area， of which 14 are coal and gas outburst mines， and the output of outburst mines accounts for more than 80% of the group. Along with the extension and deepening of mining operation， the problems of gas， ground stress and temperature will get worse and worse and have become the key factors restricting safety and efficiency of coal production.

Keywords： coal mine;methane utilization;demonstration;technical investigation

中國(guó)平煤神馬集團(tuán)是一家以能源化工為主導(dǎo)的國(guó)有特大型企業(yè)集團(tuán)，產(chǎn)業(yè)遍布河南、湖北、江蘇、上海、陜西等9個(gè)省區(qū)，旗下?lián)碛衅矫汗煞?、神馬股份、易成新能3個(gè)上市公司和5家新三板掛牌公司，營(yíng)業(yè)收入、資產(chǎn)總額均達(dá)1 500億元。集團(tuán)煤炭板塊下轄平煤股份和許平煤業(yè)兩大煤業(yè)公司，產(chǎn)能4 500萬(wàn)t/a。現(xiàn)有21對(duì)生產(chǎn)礦井，其中，煤與瓦斯突出礦井14對(duì)，高瓦斯礦井2對(duì)。

集團(tuán)主力開(kāi)采的平頂山礦區(qū)曾是瓦斯事故的重災(zāi)區(qū)，開(kāi)采的突出煤層普遍松軟、頂板堅(jiān)硬，透氣性差，屬難抽采煤層。目前，個(gè)別最大開(kāi)采深度超過(guò)1 000m，實(shí)測(cè)最大瓦斯含量達(dá)25.6m3/t，最大瓦斯壓力達(dá)3.6MPa。礦區(qū)曾是瓦斯事故重災(zāi)區(qū)，瓦斯治理和防突問(wèn)題一直是制約礦區(qū)安全生產(chǎn)和企業(yè)發(fā)展的主要因素。為此，本文針對(duì)平頂山礦區(qū)深部單一低透性突出煤層瓦斯防治難題，在平寶公司進(jìn)行瓦斯抽采利用示范礦井建設(shè)探索與實(shí)踐，形成了大采長(zhǎng)“一面多巷”瓦斯治理模式，實(shí)現(xiàn)了瓦斯安全高效抽采利用[1]。

1 瓦斯抽采利用示范化礦井建設(shè)技術(shù)探討

1.1 礦井基本情況

平寶公司井田位于平頂山礦區(qū)東部，距平頂山市約25km，井田東西走向長(zhǎng)6.1km，南北傾斜寬4.4km，面積27km2，礦井可采儲(chǔ)量3.08億t，2010年8月9日正式投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力240萬(wàn)t/a，服務(wù)年限92a。主采煤層己15-17平均厚度6m，局部分層;戊9-10煤平均厚度2.6m，暫未開(kāi)發(fā);兩層煤層間距170～210m，不具備保護(hù)層開(kāi)采條件，屬單一低透突出煤層。

1.2 優(yōu)化工程布局，形成大采長(zhǎng)“一面多巷”瓦斯治理模式

礦井屬于單一煤層開(kāi)采，主采己組煤層有效保護(hù)垂距內(nèi)不存在0.5m厚及以上煤層，不具備保護(hù)層開(kāi)采條件。礦井堅(jiān)持低位巷穿層鉆孔（水力沖孔）治理瓦斯掩護(hù)煤巷安全掘進(jìn)、順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯掩護(hù)采面安全回采，在此基礎(chǔ)上，對(duì)“一面四巷”“一面五巷”“一面六巷”“一面多巷”瓦斯治理布置方式進(jìn)行了探索。圖1是大采長(zhǎng)“一面多巷”布置示意圖。

在己15-12050采面、己15-17-12061采面、己15-12090等采面使用高位抽放巷，不斷探索、實(shí)踐、優(yōu)化，進(jìn)而形成“一面多巷”（兩條抽放巷、兩條煤巷、一條沿空掘巷、一條高抽巷）的區(qū)域治理模式，實(shí)施低位巷穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤體瓦斯掩護(hù)掘進(jìn)、三條煤巷順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯、高抽巷封閉抽采采空區(qū)瓦斯。大采長(zhǎng)“一面多巷”工作面布置方式，使采煤工作面儲(chǔ)量進(jìn)一步增大，有利于合理集中生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)順序開(kāi)采，保證了采掘接替正常，并降低了萬(wàn)噸掘進(jìn)率以及瓦斯治理噸煤成本。

1.3 合理選擇層位、優(yōu)化排矸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)巖巷快速掘進(jìn)

掘進(jìn)效率是瓦斯治理的時(shí)空保證，為盡最大可能發(fā)揮巖石掘進(jìn)機(jī)效率，結(jié)合巖石掘進(jìn)機(jī)參數(shù)和穿層鉆孔施工效率，通過(guò)巖性分析，選擇硬度系數(shù)在4～6的巖層布置巷道，掩護(hù)掘進(jìn)時(shí)低抽巷與煤巷幫對(duì)幫平距1m，并在采面中部布置低抽巷及其對(duì)應(yīng)煤巷，所有低抽巷距己16-17煤層底板垂距8～12m。通過(guò)優(yōu)化采掘部署和工程設(shè)計(jì)，超前布置并施工下一接替面工程，采用大功率巖石掘進(jìn)機(jī)，巖巷敷設(shè)專(zhuān)用運(yùn)矸皮帶，建立專(zhuān)用排矸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤矸分運(yùn)，大幅度提高掘進(jìn)效率，有效保證了瓦斯治理所需要的時(shí)間和空間，低抽巷機(jī)掘月單進(jìn)水平穩(wěn)定在200m以上[2]。

1.4 推廣新技術(shù)、新裝備，破解瓦斯抽采利用瓶頸

1.4.1 水力造穴技術(shù)。采用鉆壓沖一體化裝備在松軟高突煤層通過(guò)施工層順層長(zhǎng)鉆孔或穿層鉆孔，利用專(zhuān)用鉆頭產(chǎn)生的高壓水切割沖刷煤體，使煤體破碎、垮塌，形成較大空間的洞穴，應(yīng)力集中向沖孔周?chē)苿?dòng)，洞穴周?chē)后w孔裂隙擴(kuò)展延伸，使沖孔附近煤體卸壓增透，提高抽放效果。在低位抽放巷利用穿層鉆孔進(jìn)行水力造穴，控制預(yù)掘煤巷兩幫各30m范圍，穿層鉆孔煤孔段每米出煤量不低于1t，增加抽采效率，掩護(hù)煤巷安全掘進(jìn)。在煤巷施工順層鉆孔進(jìn)行水力造穴，設(shè)計(jì)孔深90m，順層鉆孔自孔口向里30m開(kāi)始每8m造一次造穴，每穴出煤量不低于1t，用于掩護(hù)采面回采，使煤體回采前得到有效卸壓，增加抽采效率。

1.4.2 “兩堵一注帶壓封孔”全程下篩管封孔工藝。所有瓦斯抽采鉆孔全部實(shí)施“兩堵一注帶壓封孔”全程下篩管封孔工藝，穿層鉆孔封孔段見(jiàn)煤點(diǎn)向下5m、順層鉆孔在距孔口14～23m進(jìn)行封孔，避開(kāi)巷道裂隙帶，并實(shí)施全程下篩管，保障鉆孔有效抽采區(qū)域，有效保證預(yù)抽鉆孔封堵質(zhì)量和抽采效果，結(jié)合水力造穴技術(shù)實(shí)施，低抽巷干管抽采濃度穩(wěn)定在20%以上，達(dá)到瓦斯發(fā)電要求。

1.4.3 實(shí)施高抽巷抽采采面上隅角瓦斯技術(shù)。為解決礦井厚煤層開(kāi)采過(guò)程中采面回風(fēng)流、上隅角及采面后五架間內(nèi)瓦斯積聚，由原單靠措施治理上隅角瓦斯轉(zhuǎn)變到以工程治理瓦斯，即在采煤工作面內(nèi)錯(cuò)布置高抽巷，高抽巷與風(fēng)巷平距中對(duì)中20m、距離煤層頂板垂距18～22m布置，并進(jìn)行密閉抽采，抽采濃度達(dá)到30%～50%，瓦斯純量達(dá)到45～75m3/min。生產(chǎn)期間回風(fēng)流瓦斯穩(wěn)定至0.15%～0.3%，解決了上隅角瓦斯積聚問(wèn)題，提高了瓦斯抽采效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了作業(yè)環(huán)境，為安全高效生產(chǎn)提供了安全保障。

1.5 引進(jìn)先進(jìn)瓦斯抽采裝備，瓦斯利用量大幅提升

1.5.1 不斷優(yōu)化瓦斯抽采系統(tǒng)。地面抽采系統(tǒng)和各采區(qū)抽采系統(tǒng)高、低壓分離且互為備用，保證采空區(qū)低負(fù)壓大流量和煤層預(yù)抽鉆孔高負(fù)壓低流量。為保證回采工作面采面瓦斯治理需要，形成了地面抽采系統(tǒng)、井下采區(qū)抽采系統(tǒng)互為備用和相互轉(zhuǎn)換的網(wǎng)絡(luò)化抽采系統(tǒng)，且實(shí)現(xiàn)高濃度瓦斯直接抽采利用，低濃度瓦斯井下抽采排空，充分發(fā)揮不同抽放泵的性能，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化抽采。

1.5.2 引進(jìn)先進(jìn)瓦斯抽采裝備。礦井井建有3座地面瓦斯抽采泵站、2座井下瓦斯抽放泵站。其中，地面抽放泵站引進(jìn)具有智能化、低能耗、高效率等優(yōu)點(diǎn)的德國(guó)PGM系列瓦斯抽采泵兩座，共6臺(tái)PGM-3-150全自動(dòng)無(wú)人值守抽采泵，每臺(tái)實(shí)際最大工況流量可達(dá)到143m2/min。表1為PGM集裝箱式抽采站和傳統(tǒng)水環(huán)式泵站的數(shù)據(jù)對(duì)比表。

1.5.3 升級(jí)改造瓦斯利用系統(tǒng)。礦井瓦斯發(fā)電站2014年5月開(kāi)工建設(shè)，同年12月開(kāi)始試運(yùn)轉(zhuǎn)，2018年進(jìn)行二期升級(jí)改造，裝備700GFZ-PwWD-TEM2-4型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組。瓦斯發(fā)電站裝機(jī)容量為11臺(tái)700kW機(jī)組，共7 700kW，采用臥式多風(fēng)扇水箱閉市冷卻方式，實(shí)現(xiàn)了使用甲烷體積含量在5%以上的超低濃度瓦斯直接發(fā)電，超低濃度瓦斯作為做功的主要燃料，通過(guò)高能量點(diǎn)火系統(tǒng)引燃后實(shí)現(xiàn)超低濃度瓦斯爆炸做功。整套設(shè)備由瓦斯進(jìn)氣系統(tǒng)、柴油供給系統(tǒng)、空氣過(guò)濾系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組全自動(dòng)控制系統(tǒng)。

2 結(jié)論

通過(guò)瓦斯抽采利用示范化礦井建設(shè)，杜絕了瓦斯超限事故，實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn);實(shí)現(xiàn)了礦井掘進(jìn)、抽采、回采平衡，解決了突出煤層工作面順序開(kāi)采和接替問(wèn)題，產(chǎn)能穩(wěn)定在240萬(wàn)t/a。突出采掘工作面單產(chǎn)單進(jìn)大幅度提高，煤巷掘進(jìn)工作面由原來(lái)的100～150m/月，提高到最高402m/月，采面單產(chǎn)由原來(lái)的8～10萬(wàn)t/月，提高到最高23萬(wàn)t/月。瓦斯抽采利用量大幅度提高，每天瓦斯利用量10萬(wàn)m3，發(fā)電量穩(wěn)定在15萬(wàn)kW·h以上，預(yù)計(jì)全年利用瓦斯2 000萬(wàn)m3，發(fā)電3 000萬(wàn)kW·h，產(chǎn)生了顯著的安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和社會(huì)效益[3，4]。

參考文獻(xiàn)：

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[4]劉如鐵，張繼高.走向高抽巷抽放瓦斯技術(shù)研究[J].中國(guó)礦業(yè)，2012（1）：122-124.