低透氣性煤層瓦斯抽采技術(shù)研究與應(yīng)用

李君年

(山西省長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司,山西 長治 047100)

煤層瓦斯是引發(fā)礦井瓦斯突出甚至爆炸事故的元兇，給井下現(xiàn)場正常安全生產(chǎn)帶來了重大風(fēng)險(xiǎn)隱患。對其進(jìn)行治理是煤礦安全生產(chǎn)的重要組成部分，而對瓦斯進(jìn)行抽采是實(shí)現(xiàn)瓦斯治理的根本途徑。隨著煤炭開采技術(shù)的長足進(jìn)步和煤礦機(jī)電裝備水平的逐步提高，各礦所開采煤層的深度也隨之增大，而煤層埋藏深度相對較深時，其自身的透氣性也會越小，相應(yīng)地，瓦斯抽采率也會較低、抽采效果較差。因此，需要結(jié)合礦井實(shí)際情況，對低透氣性煤層條件下的瓦斯抽采方法進(jìn)行研究，以達(dá)到改善瓦斯抽采效果，從而確保礦井安全生產(chǎn)的目的。

1 礦井開采情況

經(jīng)坊煤業(yè)位于山西省長治市上黨區(qū)，隸屬于山煤集團(tuán)，井田面積30.72 km2，產(chǎn)能300萬t/a。礦井通風(fēng)采用中央分列方式，通風(fēng)方法通過抽出式通風(fēng)，四個井筒當(dāng)中的主、副斜井、進(jìn)風(fēng)立井承擔(dān)著進(jìn)風(fēng)工作，而回風(fēng)立井承擔(dān)著回風(fēng)工作。礦井絕對、相對瓦斯涌出量的最大值分別是48.13 m3/min、7.62 m3/t，為高瓦斯礦井。目前正在進(jìn)行3號煤層的開采作業(yè)，其自身為有爆炸性的不易自燃煤層。

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)構(gòu)造、地表村莊及開拓布置等情況，將3號煤層劃分為9共個采區(qū)，一采區(qū)、二采區(qū)、三采區(qū)、四采區(qū)已結(jié)束開采活動，目前對五采區(qū)、七采區(qū)的3號煤層進(jìn)行開采，五采區(qū)、七采區(qū)各布置一個工作面進(jìn)行回采，六采區(qū)和八采區(qū)正進(jìn)行采區(qū)大巷掘進(jìn)，五采區(qū)、六采區(qū)設(shè)計(jì)產(chǎn)量均為120萬t/a，為接替關(guān)系；七采區(qū)、八采區(qū)設(shè)計(jì)產(chǎn)量均為180萬t/a，為接替關(guān)系，九采區(qū)由于地表是未搬遷村莊和鐵路，暫不考慮進(jìn)行開采。

回采工作面均為綜放開采的方式，各布置兩條巷道進(jìn)行“U”型通風(fēng)，其中運(yùn)輸巷道承擔(dān)著進(jìn)風(fēng)工作，而回風(fēng)巷道承擔(dān)著回風(fēng)工作。

2 礦井瓦斯情況

2.1 3號煤層瓦斯含量

經(jīng)坊煤業(yè)3號煤層的埋藏深度自南向北逐漸增大，埋藏最深點(diǎn)位于井田的西北角；煤層埋藏越深，其自身的瓦斯含量也越大，瓦斯含量最大地點(diǎn)位于礦井西北角。按照以往井田范圍內(nèi)所布置3號煤層各測點(diǎn)的埋深與瓦斯含量數(shù)據(jù)，對兩者關(guān)系進(jìn)行回歸計(jì)算擬合，得出以下近似線性關(guān)系計(jì)算公式：

W=0.013 4H+0.095 8

(1)

式中:W表示3號煤層的瓦斯含量，m3/t；H表示3號煤層的埋藏深度，m。而3號煤層埋深最大值為466 m，由此計(jì)算得出其相應(yīng)的瓦斯含量最大值為6.34 m3/t。

2.2 3號煤層透氣性及衰減系數(shù)

煤層瓦斯預(yù)抽可行性，也就是煤層最初透氣性狀況下對其瓦斯預(yù)抽是否具有可行性，現(xiàn)行有兩大衡量標(biāo)準(zhǔn)：透氣性系數(shù)λ和鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)α。表1為根據(jù)煤層瓦斯預(yù)抽可行性判斷標(biāo)準(zhǔn)。

經(jīng)坊煤業(yè)3號煤層的透氣性系數(shù)、鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)的范圍分別是0.163～0.297 m2/MPa2·d、0.008 9～0.036 6 d-1。對照表1可以得出，盡管可將其劃歸為可以抽采煤層，但是其自身的透氣性較差。

3 瓦斯抽采方案

3.1 瓦斯抽采范圍

按照《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》針對煤層瓦斯抽采的一系列要求，經(jīng)坊煤業(yè)南翼3號煤層回采、掘進(jìn)工作面絕對瓦斯涌出量的最大值分別為3.93 m3/min、1.35 m3/min，均小于抽采最低要求，并且南翼3號煤層實(shí)際生產(chǎn)中回采、掘進(jìn)工作面絕對瓦斯涌出量的最大值分別為0.15 m3/min、0.09 m3/min，利用通風(fēng)系統(tǒng)能夠?qū)夭伞⒕蜻M(jìn)工作面的涌出瓦斯進(jìn)行風(fēng)排，因此不需要在南翼3號煤層回采、掘進(jìn)工作面中布置瓦斯抽采系統(tǒng)。

北翼的七采區(qū)和八采區(qū)工作面瓦斯涌出量都大于5 m3/min，并且八采區(qū)工作面是全礦井工作面中瓦斯涌出量最大的，而七采區(qū)即將回采完畢，因此，礦井抽采以瓦斯涌出量最大的八采區(qū)為研究對象，整個瓦斯抽采系統(tǒng)可服務(wù)于3號煤層。

3.2 瓦斯抽采方法選擇

針對3號煤層回采工作面瓦斯涌出情況，其來源包括開采層回采過程及其采空區(qū)遺煤、鄰近層和老采空區(qū)等部位。據(jù)此，根據(jù)瓦斯涌出來源，為取得良好的瓦斯抽放效果，本次采用開采層、現(xiàn)采空區(qū)和老采空區(qū)的綜合抽采方案，具體不同類型的抽采方法見表2。

表2 抽采方法選擇

4 瓦斯抽采設(shè)計(jì)

經(jīng)坊煤業(yè)建立地面泵站，安裝4臺抽采泵，布置高、低負(fù)壓兩個抽采系統(tǒng)，其中高負(fù)壓承擔(dān)開采層的瓦斯抽采工作，低負(fù)壓承擔(dān)現(xiàn)、老采空區(qū)的瓦斯抽采工作。整個抽采泵站布置于回風(fēng)立井工業(yè)廣場，利用回風(fēng)立井作為瓦斯抽采管道井使用。

4.1 開采層抽采設(shè)計(jì)

1) 鉆孔施工方法：工作面回風(fēng)巷道當(dāng)中順著煤層施工抽采鉆孔，而運(yùn)輸巷道當(dāng)中則向上傾斜施工抽采鉆孔，其傾斜角度根據(jù)煤層傾角變化進(jìn)行及時調(diào)整，終孔必須落于煤層范圍內(nèi)，工作面兩條巷道中的抽采鉆孔開孔均距離底板1.5 m之上，在完成抽采鉆孔施工作業(yè)之后，及時與抽采管路進(jìn)行連接并開始抽采作業(yè)。

2) 抽采鉆孔布置：經(jīng)坊煤業(yè)南翼八采區(qū)3-803綜放工作面的走向長度為1 100 m?；仫L(fēng)巷道、運(yùn)輸巷道中,首先布置抽采鉆孔與切眼的距離分別為3 m、4.5 m，之后分別沿著兩條巷道依次布置，分別施工366個、353個抽采鉆孔。圖1為開采層抽采示意。

圖1 開采層抽采鉆孔布置

3) 鉆孔封孔方法：采用囊袋式帶壓注漿封孔方法。

4.2 現(xiàn)采空區(qū)抽采設(shè)計(jì)

1) 鉆孔施工方法：在工作面回風(fēng)巷道當(dāng)中布置高位鉆孔鉆場對裂隙帶瓦斯進(jìn)行抽采，每個鉆場的寬、深、高分別為5 m、4.5 m和3 m，其中第一個同切眼之間的距離為70 m，之后以35 m的間距沿著回風(fēng)巷道依次布置。

2) 抽采鉆孔布置：各個鉆場的高位鉆孔均采用雙排布置形式，每排各5個高位鉆孔，共10個高位鉆孔。圖2為現(xiàn)采空區(qū)抽采示意。

圖2 現(xiàn)采空區(qū)抽采鉆孔布置

3) 鉆孔封孔工藝：采用規(guī)格為D113 mm鉆頭進(jìn)行抽采鉆孔施工，鉆孔長度保持在80～93 m的范圍之內(nèi)，鉆孔封孔長度12 m。打設(shè)抽采鉆孔完畢之后，將規(guī)格為D90 mm的雙抗軟管插入抽采鉆孔之內(nèi)，再及時通過“兩堵一注”封孔工藝對抽采鉆孔實(shí)施封孔。為保證抽采鉆孔的施工質(zhì)量和密封性，根據(jù)現(xiàn)場抽采鉆孔施工情況，可適當(dāng)增加鐵套管固孔。

4.3 老采空區(qū)抽采設(shè)計(jì)

針對老采空區(qū)的瓦斯涌出問題，將密閉墻布置于老采空區(qū)兩條巷道的巷道口，并將抽采管路插入密閉墻內(nèi)實(shí)施全封閉插管抽采。圖3為老采空區(qū)抽采示意。

圖3 老采空區(qū)抽采示意

5 水壓預(yù)裂增透手段

對開采層抽采鉆孔實(shí)施水壓預(yù)裂手段，該設(shè)備主要裝置有注水泵、水箱、壓力表、專用封孔器等。其中，注水泵的額定壓力為31.5 MPa，配備BRW31.5/31.5型乳化液泵站。并將壓力表、流量計(jì)和溢流閥等相關(guān)配件安裝于注水泵和管路當(dāng)中，用以監(jiān)控注水壓力、水量、時間等參數(shù)信息，以保障水壓預(yù)裂效果。水壓預(yù)裂設(shè)備如圖4所示。

圖4 水壓預(yù)裂設(shè)備示意

注水壓力：初始注水壓力為15 MPa，再根據(jù)現(xiàn)場鉆孔注水流量變化逐漸增加注水壓力到30 MPa，直到水壓不再升高，流量保持穩(wěn)定增加為止。

封孔參數(shù)：在注水鉆孔內(nèi)下直徑63 mm的孔口管，采用馬麗散封堵孔口管與鉆孔孔壁之間的縫隙，孔口管深15 m，再通過專用封口器封孔，封孔深度12 m。

6 結(jié) 語

經(jīng)坊煤業(yè)現(xiàn)場采用低透氣性煤層瓦斯抽采技術(shù)，并配合水壓預(yù)裂增透手段后，能夠降低工作面瓦斯涌出，緩解通風(fēng)系統(tǒng)負(fù)擔(dān)過重情況，給礦井的抽采銜接及巷道維護(hù)創(chuàng)造了良好條件。在回風(fēng)立井工業(yè)廣場建成瓦斯抽采系統(tǒng)之后，按照設(shè)計(jì)抽采能力計(jì)算，礦井瓦斯抽采量為23.84 m3/min，抽采率為49.5%，純瓦斯抽采量為1 253萬m3/a。從根本上治理了工作面瓦斯超限，避免了瓦斯事故，實(shí)現(xiàn)了礦井安全高效生產(chǎn)。