高突煤層的瓦斯抽采效果提升技術方案研究

李亞鐵

(山煤集團霍爾辛赫煤業(yè)有限責任公司，山西 長治 046600)

瓦斯是大部分煤層都存在的氣體，其含量多少取決于煤層的透氣性，一般而言，煤層地質(zhì)、透氣性差的煤層瓦斯含量較高，屬于高瓦斯煤層，這類煤層通常發(fā)生過瓦斯突出事件，所有又叫高突煤層。這類煤層由于低透氣性的緣故，導致煤層內(nèi)部的瓦斯沒法通過隙通道流出，因此會大量積聚，當開采工作逐漸深入時，便會出現(xiàn)大量瓦斯涌出的現(xiàn)象，并有極高概率引發(fā)瓦斯爆炸之類的事故問題，對礦業(yè)公司造成人身財產(chǎn)損失[1]。為解決低透氣性煤層瓦斯含量高的問題，工作人員會對礦井進行瓦斯抽采作業(yè)，但因為高突煤層的結(jié)構狀態(tài)特殊，抽采作業(yè)往往成效不大，為解決這一問題，需要對高突煤層的瓦斯抽采技術進行研究與革新，制定更有效的技術方案，從而保護工作人員進行礦道作業(yè)時的人身安全。

1 工程背景

A煤井是我國山西地區(qū)的一座高瓦斯礦井，主采3#煤層，煤層埋深約為340 m，煤層厚度3.98 m～6.94 m，平均厚度4.78 m，煤層傾角平均為4°，采煤工作面的每日回采煤量在7 000 t～8 000 t，煤層瓦斯含量在7.71 m3/t～11.6 m3/t，平均瓦斯含量為8 m3/t，平均瓦斯壓力為0.14 MPa，煤層孔隙率為2.13%～3.04%，透氣性系數(shù)為0.087 4 m2/(MPa2·d)～0.182 1 m2/(MPa2·d)，瓦斯放散初速度Δp為1.3 kPa～2.1 kPa，煤層的瓦斯涌出衰減系數(shù)為0.042 d-1。該煤層的煤質(zhì)松軟程度較高，透氣性不佳，按照《煤礦瓦斯抽采基本指標》規(guī)定，該礦井工作面在回采前，煤層的煤體瓦斯含量需<7.65 m3/t。

2 高突煤層的抽采難點

A煤井屬于高突松軟煤層，它的煤體結(jié)構和一般煤層有很大不同，其結(jié)構強度比一般煤層更低，在進行瓦斯抽采作業(yè)時，非常容易發(fā)生卡鉆和抱鉆問題，作業(yè)人員無法將鉆孔深度達到事先預計深度，造成A煤井的瓦斯抽采深度大幅度縮減，加上煤層的透氣性差，瓦斯涌出衰減比一般煤層更大，造成了煤層的瓦斯賦存不均衡，鉆孔深孔施工的定位極其困難，而抽采的鉆孔布置也難以做到均勻有序，在抽采過程中出現(xiàn)了大量的無鉆孔空白區(qū)域和局部鉆孔密集區(qū)域，空白區(qū)域由于沒有及時鉆孔抽采，導致瓦斯量增多，當掘進生產(chǎn)時，必然會導致出現(xiàn)瓦斯?jié)舛瘸?、瓦斯巨量涌出的安全問題。且由于煤層的煤質(zhì)過于松軟，鉆孔作業(yè)如果產(chǎn)生的震動過于激烈，有很大概率致使鉆孔周圍的煤層結(jié)構出現(xiàn)改變，嚴重情況可能發(fā)生煤層斷裂變形，使得鉆孔徑向閉合，抽采工作無法推進。

3 增強抽采效果的技術方案

3.1 封孔技術方案

A煤井的封孔方案采用封堵兩端、中間注漿的“兩堵一注”式順層鉆孔封孔，在進行施工作業(yè)時，灌注的水泥漿液會在壓力作用下對煤層中破碎煤體間的縫隙進行填充，借助煤層煤體凹凸的表面和孔隙，水泥漿液能迅速擴散到鉆孔縫隙當中，在漿液凝固后鉆孔和封孔材料就不會出現(xiàn)裂隙問題，而經(jīng)過填充作業(yè)后，煤體的整體性能得到有效復原。這樣才進行施工作業(yè)時，施工人員所打出鉆孔便能得到良好支撐和保護，確保掘進作業(yè)時礦井的鉆孔有足夠的穩(wěn)定性，以避免瓦斯抽采作業(yè)后期造成煤層間出現(xiàn)裂隙通道，對施工作業(yè)造成影響[2]。

3.2 預留瓦斯通道

A煤井因為煤層結(jié)構的松軟性，其強度要遠遠低于一般煤層，煤層結(jié)構容易因鉆孔作業(yè)的振動發(fā)生改變，產(chǎn)生垮塌現(xiàn)象，導致事故問題。故而在抽采過程中必須要為抽采空間預留通道，避免在煤層鉆孔成孔后出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，導致煤層的瓦斯流動空間被阻塞，出現(xiàn)煤層瓦斯量劇增問題。流動通道可用高強度PE膠管建立，在礦井中設置以膠管為主體的人工預留通道，讓瓦斯通過高強膠管進行流動，可使得抽采作業(yè)時即使鉆孔不通，瓦斯依然能正常流動，不會出現(xiàn)因為低透氣性而造成瓦斯集聚，從而實現(xiàn)高突煤層的瓦斯連續(xù)抽采作業(yè)[3]。

4 瓦斯抽采技術方案的實施

4.1 抽采準備

A煤井鉆孔所用鉆頭直徑為113 mm，擴孔所用鉆頭直徑為260 mm，每個抽采評價單元按照60 m間隔布置，一個抽采評價單位有左、右兩排鉆孔，每排鉆孔個數(shù)為10個，每個抽采評價單元的鉆孔組數(shù)為12組，即A煤井每單元有120個孔。A礦井的鉆孔、封孔和聯(lián)孔所用道具有編織袋、PE膠管和QN水泥、聚氨酯黑白料等，聚氨酯黑料和聚氨酯白料均為5 kg，以1∶1比例配比。聚氨酯用于見矸段兩端的封孔作業(yè)，中間部分使用水泥注漿填充破碎煤體間的縫隙，注漿方式為帶壓注漿，使用液壓注漿泵進行注漿作業(yè)，漿液水灰質(zhì)量比1∶1，注漿壓力>4 MPa。礦井系統(tǒng)的風壓需>0.5 MPa，風量要保持穩(wěn)定，因此使用螺桿空壓機進行鉆孔排渣，防止孔內(nèi)的鉆屑積聚，降低噴孔事故發(fā)生率。見矸段區(qū)間和見煤段區(qū)間分別使用70 mm的套管護孔和花管護孔，穿層鉆孔用蛇形管連接，并用“彈簧卡”固定連接處。使用普通硅酸鹽水泥混凝土制作鉆孔施工位置的鉆機基礎，并在規(guī)定位置用壓板將鉆機的4只地腳螺栓固定，擰緊螺母。在瓦斯抽采巷道的壁上掏槽，以4根絲杠對鉆機進行穩(wěn)固，然后借助起吊錨桿和手拉葫蘆加固鉆機位置，防止鉆機歪倒。

4.2 煤層瓦斯預抽方案

A煤井的平均煤層傾角為4°，這種煤層傾斜角度影響到工作面的抽采鉆孔位置布置，直接將抽采鉆孔布置在A煤井工作面兩側(cè)的順槽布置，煤體中的水份將會影響到工作側(cè)面，減弱煤井的鉆孔抽采效果和抽采效率，因此，本煤層提前抽采的鉆孔均布置在工作面一側(cè)的巷道。抽采單元布置在運輸順槽，抽采單元間隔60 m，鉆孔直徑為113 mm，每個鉆孔間隔0.6 m，運輸順槽和鉆孔間的夾角控制在30°～90°，鉆孔的深度控制在60 m～170 m，煤層底板和開孔位置間的間距為1.0 m，工作面煤層和鉆孔傾斜角度保持平行狀態(tài)。以瓦斯抽采巷道頂上距左幫的第一根錨索為起點，敷設一趟Φ355 mm的抽采主管路，管路的距頂間距為300 mm，所有抽采單元從主管路上單獨出一趟Φ280 mm的支管路，支管路與主管路采取統(tǒng)一的吊鏈吊掛方式，掛于瓦斯抽采巷道的兩側(cè)幫上，管路的距頂間距為1.5 m。管路之間的接頭連接采用快速接頭，以兩根吊鏈安裝起吊，以絕緣皮包裹吊鏈和管路的接觸處，同時在抽采管路上安設蝶閥、計量裝置、放水器和孔板流量計。蝶閥安裝間隔為500 m，自動放水器安裝間隔為200 m，抽采單元的自動計量裝置和自動放水器需要和抽采管路的自動計量裝置和自動放水器區(qū)分，以獨立形式進行安設，自動計量裝置和自動放水器負責對抽采系統(tǒng)的流量、濃度、負壓和抽采總量等參數(shù)進行監(jiān)測，同時記錄檢測數(shù)據(jù)。每個單元有120個鉆孔，每個鉆孔都需要安裝一個孔板，作業(yè)人員需以日為單位按時對孔板參數(shù)進行人工測定，在工作面回采前按照相關規(guī)定對瓦斯抽采巷道的每個抽采單元進行評價。在瓦斯管路鋪設完成后，需檢查系統(tǒng)氣密性，確保壓力≥0.2 MPa，且10 min不能有壓力降。

4.3 施工工藝

用全液壓坑道鉆機配合防爆型螺桿空壓機進行A煤井的鉆孔作業(yè)，用金剛石復合片鉆頭鉆進20 m，然后使用液壓注漿泵對瓦斯抽采巷道的鉆孔以超過煤層瓦斯壓力的注漿壓力進行全孔帶壓注漿，同時固定套管和護孔，注漿完成之后等待水泥48 h，確保水泥注漿凝固，再使用金剛石復合片鉆頭鉆進成孔。掘進工作面抽采總混合瓦斯量為2.89 m3/min～4.08 m3/min，平均3.34 m3/min；抽采濃度9.78%～16.56%，平均抽采濃度12.80%；抽采純瓦斯量0.31 m3/min～0.41 m3/min，平均抽采純瓦斯量0.36 m3/min，鉆孔抽采時間為6.6 h～7.8 h，平均7 h；平均每個單日的循環(huán)抽采總瓦斯純量約76.25 m3～106.54 m3，單日的抽采總純量90.32 m3。

A礦井抽采區(qū)域的內(nèi)煤層儲量有209.8 t，瓦斯含量在7.71 m3/t～11.6 m3/t之間，平均瓦斯含量為8 m3/t，瓦斯抽采的鉆孔區(qū)域中的煤層瓦斯儲量為1 678.4 m3，經(jīng)過10 d的抽采實驗后發(fā)現(xiàn)，A礦井每日的抽采總純量達到90.32 m3/min，抽采瓦斯量占瓦斯儲量的5.38%，抽采區(qū)域瓦斯含量下降約0.48 m3/t，平均瓦斯含量降低到7.52 m3/t，符合《煤礦瓦斯抽采基本指標》的回采規(guī)定標準，這表明，該瓦斯抽采技術方案的鉆孔抽采效果較好，A煤井經(jīng)過該抽采技術的瓦斯抽采作業(yè)后，瓦斯抽采量及濃度有較明顯的衰減，因此該方案能夠有效運用于高突煤層，減少礦井的瓦斯含量，保證作業(yè)安全性，提高礦井產(chǎn)量。

5 結(jié)語

瓦斯積聚將為煤井掘進帶來很大的安全隱患，影響到煤井生產(chǎn)和作業(yè)人員的人生安全，以A煤井工作面地質(zhì)條件作為研究對象，對高瓦斯礦井低透氣性煤層的瓦斯涌出情況進行了分析，對該煤層的瓦斯抽采技術方案提出了優(yōu)化建議，將該高突煤層的煤體瓦斯含量降低到7.65 m3/t以下，這表明該抽采工藝和流程能起到良好的瓦斯抽采效果，增強高瓦斯低透氣性松軟煤層的抽采鉆孔成孔率，避免施工抽采孔噴孔造成的局部瓦斯超限。在高突煤層抽采中能起到良好的安全保障和技術支撐，適宜在煤井作業(yè)和瓦斯抽采中推廣。