大寧煤礦礦井瓦斯的精準抽采與高效利用

李向陽，張躍兵，谷要帥，原 崗，焦海剛

（山西亞美大寧能源有限公司，山西 晉城 048100）

0 引 言

瓦斯是煤礦安全生產的嚴重災害之一，也是豐富的清潔能源，精準抽采是瓦斯災害治理的有效手段和清潔高效利用的根本保障。目前瓦斯抽采主要采用地面井瓦斯抽采，井下本煤層鉆孔、穿層鉆孔抽采[5]，但受抽采技術和裝備水平的限制，存在一些問題：①地面井瓦斯抽采施工成本高、抽采周期長；②井下普通鉆機密集短鉆孔施工效率低，穿層鉆孔有效鉆孔占比小，鉆孔軌跡不可控，易造成未知空白帶[6]；同時因多數礦井未能夠建立完善的高、低濃瓦斯分源抽采系統，井下抽采瓦斯系統濃度波動幅度大、氣源供給穩(wěn)定性差、不能形成規(guī)?；咝Ю?。大寧煤礦作為瓦斯災害礦井，自2003 年引進澳大利亞VLD 深孔定向千米鉆機以來，充分利用定向千米鉆機“軌跡可控”的特點在井下瓦斯抽采等方面進行了廣泛的應用[7]；同時建立了完善的高、低濃度瓦斯抽采系統，實現了高、低濃分級高效利用，有效降低了礦井“碳排放”。

1 礦井概況及瓦斯地質情況

大寧煤礦位于沁水煤田東部南段，井田面積38.8 km2，批準開采 3 號煤層，設計生產能力4.0 Mt/a，開采水平 +485 m,埋深 200～450 m；礦井采用斜井開拓方式，共布置8 個井筒，5 進3 回，構成通風系統；井下布置1 個綜采工作面和4 個掘進工作面進行采掘作業(yè)，配備7 臺定向千米鉆機用于3號煤層瓦斯抽采鉆孔施工，敷設抽采主干、支管約65 000 m 用于瓦斯輸送；地面建設南山、山坪2 處瓦斯抽采泵站和1 個儲氣站服務于井下瓦斯抽采和地面利用。

大寧煤礦3 號煤層位于二疊系下山西組下部，煤層平均厚度約4.45 m，屬中等變質程度的無煙煤，全區(qū)穩(wěn)定可采，煤層頂板為粉砂巖、泥巖或砂巖，底板為泥巖或粉砂巖。煤層自燃等級為Ⅲ級，為不易自燃煤層，抽放難易程度屬可以抽放-容易抽放類型。2012 年鑒定為煤與瓦斯突出礦井，2020 年測定礦井絕對瓦斯涌出量為207.71 m3/min，相對瓦斯涌出量為26.89 m3/t。

2 礦井瓦斯精準抽采

大寧煤礦現開采水平共劃分5 個采區(qū)，采區(qū)采用盤區(qū)式布置，現1 采區(qū)已回采結束，2、3 采區(qū)交替回采，4、5 采區(qū)正在開拓。

2.1 三區(qū)聯動抽采模式

大寧煤礦按照“煤層瓦斯含量16 m3/t 以上的規(guī)劃區(qū)實施先抽后建，煤層瓦斯含量8 ～16 m3/t 的準備區(qū)實施先抽后掘，煤層瓦斯含量8 m3/t 以下生產區(qū)實施先抽后采[8]”的要求，將正在回采、開拓的采區(qū)進行3 區(qū)劃分：2、3 采區(qū)互為準備區(qū)和生產區(qū)，4、5 采區(qū)為規(guī)劃區(qū)。

礦井在規(guī)劃區(qū)采用地面井超前預抽，準備區(qū)采用定向千米鉆機區(qū)域遞進模塊預抽、條帶區(qū)域預抽，生產區(qū)采用定向千米鉆機順層長鉆孔預抽，同時工作面采空區(qū)采用閉墻埋管抽采、頂板穿層鉆孔抽采，建立了“三區(qū)聯動”精準抽采模式。

規(guī)劃區(qū)于2015-2017 年期間委托山西蘭花煤層氣公司施工187 口地面抽采井，2018-2020 年規(guī)劃區(qū)瓦斯抽采、利用量，見表1，年度瓦斯抽采率控制在6 %～8 %之間，預計4、5 采區(qū)本煤層抽采鉆孔施工時瓦斯含量將降至14.5 m3/t 以下。

表1 2018～2020 年大寧煤礦規(guī)劃區(qū)瓦斯抽采、利用量統計表

2.2 定向鉆機精準抽采

大寧煤礦抽放隊現配備7 臺定向千米鉆機，具體為：澳大利亞VLD-1000 型鉆機5 臺，西安煤科院ZDY-6000LD 型 鉆 機 1 臺 ， 重 慶 煤 科 院ZYWL-6000DA 型鉆機1 臺，均用于煤層瓦斯抽采鉆孔施工。

1）本煤層區(qū)段抽采鉆孔施工：在已掘回采巷道煤幫施工鉆場，利用千米鉆機向下區(qū)段施工本煤層長距離抽采鉆孔，用于覆蓋下區(qū)段回采工作面和回采巷道。同時根據煤層地質條件和采掘計劃，可實施覆蓋2 個區(qū)段的本煤層長距離抽采鉆孔，抽放鉆孔竣工圖見圖1。

圖1 定向鉆機本煤層區(qū)段抽采鉆孔施工圖

2）本煤層回采區(qū)抽采鉆孔施工：對煤層賦存條件變化區(qū)域，在已掘回采巷道煤幫施工鉆場，利用千米鉆機向下區(qū)段(或本區(qū)段)方向施工本煤層長距離抽采鉆孔，用于覆蓋采面回采區(qū)域。

3）本煤層條帶定向長距離抽放鉆孔施工：對不具備采用區(qū)段抽采鉆孔施工的區(qū)域，在已掘巷道迎頭向巷道掘進方向施工本煤層條帶定向長距離抽采鉆孔，用于覆蓋待掘巷道區(qū)域，抽放鉆孔竣工圖見圖2。

圖2 定向鉆機條帶抽采鉆孔竣工圖

通過長期的現場實踐，結合定向千米鉆機可進行孔內分支的特點，建立起了“一鉆場一設計、一鉆孔一設計”的管理標準，實現了抽采鉆孔的精準布置。鉆孔直徑96 mm，單孔長度一般保持在300～600 m，為礦井瓦斯精準抽采提供了保障。

2.3 鉆孔施工管理創(chuàng)新

為了減少煤層巷道“卸壓圈”內煤體松動對瓦斯抽采鉆孔濃度的影響，大寧煤礦積極與科研單位合作，探索煤體“卸壓圈”范圍內的最優(yōu)封孔工藝和方式，通過大量的現場試驗與數據分析，最終確定了“兩堵一注”封孔工藝和相關參數[9]，保證了鉆孔封孔質量，抽采鉆孔瓦斯?jié)舛仍趥鹘y封孔工藝的基礎上提升了10%～15%。

同時，為了保證井下定向千米鉆機長周期、高效率施工，大寧煤礦積極落實預防性檢修理念，形成了特有的“3+1”預防性檢修模式[10]，“3”即為每一臺定向千米鉆機配備3 名兼職檢修人員，每班負責關注鉆機的運行情況，充分利用交接班時間對鉆機進行預防性檢修；“1”即為每臺鉆機配備1 名專職檢修包機人員，負責制定鉆機檢修計劃，并嚴格落實，以有效延長鉆機使用周期，降低故障影響時間。通過“3+1”預防性檢修模式的推廣，極大地提升了定向千米鉆機開機率，為抽采鉆孔的高效施工奠定了基礎。

面對瓦斯抽采鉆孔高技能人員流失嚴重, 大寧煤礦不斷完善量化考核標準，實施各項激勵制度，推進市場化工資核算方式[11]，使高技能人員獲得更多的回報；同時2020 年至今，在高質量黨建的引領下，高質量精神文明建設快速落地，抽放隊員工獲得感、榮譽感迅速增強，勞動積極性極大提高，礦井抽采鉆孔進尺穩(wěn)步提高（見圖3）。

圖3 2016-2020 年大寧煤礦千米鉆機臺效統計

3 礦井瓦斯高效利用

3.1 高、低濃度分源抽采系統

大寧煤礦建設有南山、山坪2 處地面瓦斯抽采泵站，共裝備各型號水環(huán)式真空泵19 臺，構建了高、低負壓，高、低濃度瓦斯抽采系統。

表2 各抽采瓦斯系統配備的抽采設備一覽表

南山泵站高負壓低濃系統（一）：抽采10%以上低濃度瓦斯，抽采對象為控制的采面瓦斯預抽、邊采邊抽；南山泵站高負壓高濃系統（二）：抽采30%及以上高濃度瓦斯，抽采對象為采面瓦斯預抽、邊掘邊抽；南山泵站低負壓低濃系統（一）：抽采10%以下低濃度瓦斯，抽采對象為1、2、3 采區(qū)老采空區(qū)；山坪泵站低負壓低濃系統（二）：抽采5%以下低濃度瓦斯，抽采對象為生產期間采空區(qū)；山坪泵站低負壓低濃系統（三）：抽采5%以下低濃度瓦斯，抽采對象為生產期間頂板高位孔。日均瓦斯抽采純量達20 萬m3。

圖4 大寧煤礦抽采系統示意圖

表3 2018-2020 年礦井瓦斯抽采、風排量統計表

3.2 瓦斯梯級高效利用

為了配合高、低濃度分源瓦斯抽采，大寧煤礦建設有容積為24 000 m3的儲氣站，以實現瓦斯梯級高效利用和氣體的穩(wěn)定安全供給。

南山瓦斯泵站30 %及以上的高濃瓦斯氣體用于礦井自用、大寧遠孚鈣鎂有限公司冶金、山西國新中昊盛能源有限公司銷售，利用率100 %；10 %以上低濃瓦斯氣體，部分銷售于山西國新中昊盛能源有限公司，利用率約31%，瓦斯綜合利用率達41.2%。

表4 大寧煤礦2021 年1-6 月份瓦斯利用量統計表

4 結束語

1）根據礦井采區(qū)劃分和生產規(guī)劃，合理劃分規(guī)劃區(qū)、準備區(qū)和生產區(qū)，采用地面井超前預抽，定向千米鉆機本煤層預抽，采空區(qū)閉墻埋管大流量抽采等，構建起了“三區(qū)聯動抽采模式”。

2）通過定向千米鉆機“設計、施工、設備維護、勞動組織”四并重管理，保證了千米鉆機長周期、高效率、高質量的施工，完成了對煤層瓦斯的精準、高效抽采，實現了對煤與瓦斯突出風險的有效管控。

3）通過高、低濃度瓦斯抽采系統的管理，建立了多途徑利用渠道，實現了抽采瓦斯的高效利用，形成了煤與瓦斯綠色共采模式。

4）現階段礦井在低濃度瓦斯利用方面與習近平總書記提出的“3060”碳峰值碳中和的目標仍有一定差距，仍需積極與科研院所、相關企業(yè)合作，不斷提高礦井瓦斯綜合利用水平，走出一條綠色、高效的發(fā)展之路。