低瓦斯含量特厚煤層瓦斯抽采技術(shù)研究

張 倩

（晉能控股集團(tuán)同大科技研究院，山西 大同 037003）

同忻礦是年產(chǎn)1600 萬t 的高瓦斯特大型礦井，現(xiàn)主采煤層為石炭系3-5#特厚煤層。礦井采用綜放開采工藝，生產(chǎn)強(qiáng)度高，雖低瓦斯賦存，由于瞬間煤量較大，瓦斯涌出絕對(duì)量高。該煤層相對(duì)瓦斯涌出量為2.45 m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量為61.9 m3/min，回采工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量為22.53 m3/min，掘進(jìn)工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量為2.02 m3/min。特別是綜放工作面初采期間由于頂煤大面積垮落，瞬間將采空區(qū)的瓦斯壓出，造成上隅角瓦斯瞬時(shí)超限問題時(shí)有發(fā)生。以往同忻礦主要采取加強(qiáng)通風(fēng)系統(tǒng)管理和頂抽巷抽放瓦斯的方法治理回采期間瓦斯，對(duì)綜放工作面掘進(jìn)以及初采期間的瓦斯治理效果不明顯，因此提出采用煤體瓦斯預(yù)抽的方法進(jìn)行瓦斯抽采。按照“瓦斯治理，抽采先行”的技術(shù)理念，率先在掘進(jìn)工作面利用倒車硐室開展了煤體瓦斯預(yù)抽工作，研究低瓦斯含量煤層開展煤體瓦斯預(yù)抽的可行性及效果，分析同忻井田“低瓦斯賦存，高瓦斯涌出”特點(diǎn)的瓦斯預(yù)抽效果[1-2]，根據(jù)硐室內(nèi)扇形鉆孔抽放瓦斯流量及變化趨勢(shì)，分析瓦斯預(yù)抽的效果、扇形鉆孔抽采效果，驗(yàn)證鉆孔布置的合理有效性。

1 工程概況

同忻礦二盤區(qū)8201工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)2075 m，傾向200 m，開采煤層為石炭系3-5#層，平均煤厚19.01 m，f 值為2.1，采用綜放開采工藝。工作面巷道布置為“U+I”型，其中2201 為進(jìn)風(fēng)巷，5201 為回風(fēng)巷，8201 為頂抽巷，詳見圖1。本項(xiàng)目以2201巷為試點(diǎn)進(jìn)行瓦斯預(yù)抽試驗(yàn)。2201 巷道為矩形斷面，凈斷面5.3 m×3.5 m=18.55 m2，全長(zhǎng)2075 m，共設(shè)計(jì)10 個(gè)調(diào)車硐室，由巷口向里分別是1-10#調(diào)車硐室，在倒車硐室施工瓦斯抽采扇形鉆孔進(jìn)行瓦斯超前預(yù)抽。

2 預(yù)抽方案設(shè)計(jì)與實(shí)施

2201 巷瓦斯預(yù)抽工程共分為三期進(jìn)行，鉆孔施工完畢后，通過在2201 巷內(nèi)鋪設(shè)的Ф313 mm 瓦斯抽放管路與盤區(qū)總回風(fēng)巷內(nèi)的瓦斯抽放管路進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)瓦斯超前抽放，具體如下：

2.1 第一期工程

在2201 巷1～8#調(diào)車硐室內(nèi)分別施工6 個(gè)鉆孔，其中1～2#鉆孔為水平前探預(yù)抽鉆孔，3～6#鉆孔為順層瓦斯抽放孔。鉆孔孔徑為65 mm，開孔位置距巷道底板1.2 m，前20 m 為Ф73 mm 擴(kuò)孔并安裝套管，采用水泥砂漿封孔，長(zhǎng)度不低于10 m，封孔孔口段2 m 使用聚氨酯加強(qiáng)封孔強(qiáng)度。因兼顧巷道掘進(jìn)期間煤壁預(yù)抽及回采期間煤層隨采隨抽，同時(shí)布置一趟Ф313 mm 瓦斯抽放管路，并且將鉆孔以及3#探水鉆孔一并連入抽放管路。具體參數(shù)詳見圖1和表1。

圖1 第一期鉆孔布置俯視圖（m）

2.2 第二期工程

從2201 巷第4#調(diào)車硐室至工作面以里，每個(gè)鉆場(chǎng)補(bǔ)充施工8 個(gè)鉆孔（面向硐室方向左右?guī)透魇┕? 個(gè)），鉆孔孔徑為83 mm，采用注漿封孔，封孔長(zhǎng)度不低于10 m，封孔注漿工藝同一期1～6#鉆孔工程。具體參數(shù)詳見圖2 和表2。

圖2 第二期鉆孔布置俯視圖

表2 第二期鉆孔布置參數(shù)表

2.3 第三期工程

在2201 巷第9#和第10#調(diào)車硐室分別施工扇形短鉆孔，鉆孔間距為0.5 m，每處施工上下兩排扇形鉆孔，采用水泥砂漿封孔長(zhǎng)度不低于20 m，封孔孔口段2 m 使用聚氨酯加強(qiáng)封孔強(qiáng)度。具體參數(shù)詳見圖3 和表3。

表3 第三期鉆孔布置參數(shù)表

圖3 第三期鉆孔布置俯視圖（m）

3 應(yīng)用效果

從2020 年8 月至2020 年12 月對(duì)2201 巷3-5#煤層進(jìn)行預(yù)抽，預(yù)抽150 d 后煤層瓦斯預(yù)抽效果可以從抽放瓦斯?jié)舛取⒓兺咚钩榉帕亢突旌贤咚钩榉帕咳齻€(gè)參數(shù)來看，如圖4。

圖4 2201 巷扇形預(yù)抽鉆孔效果分析圖

從圖4 可知，8 月、9 月、10 月和12 月平均瓦斯抽放濃度分別為22.41%、25.36%、29.16%和36%，純瓦斯抽放量分別為2.74 m3/min、3.09 m3/min、3.08 m3/min 和3.26 m3/min?？梢悦黠@看出，隨著預(yù)抽時(shí)間的增長(zhǎng)，抽采濃度顯現(xiàn)緩慢穩(wěn)步增加，同時(shí)純瓦斯抽放量也逐漸增大；該預(yù)抽方法能解決純瓦斯抽放量約3 m3/min 左右。此外，綜合考慮同忻煤礦3-5#低含量特厚煤層透氣性一般，且煤層厚的特點(diǎn)，鉆孔整體衰減周期較長(zhǎng)，建議在初采期間繼續(xù)抽采，直至瓦斯抽放量降低為0 時(shí)停止抽放。

通過瓦斯預(yù)抽，2201 巷掘進(jìn)期間回風(fēng)流瓦斯?jié)舛葟脑罡呓?.4%降低到0.15%以下，工作面開采前瓦斯?jié)舛纫延杀久簩鱼@孔預(yù)抽前的0.5%左右降至0.3%以下，初采期間也未發(fā)生瓦斯超限現(xiàn)象。

4 結(jié)論

（1）合理布置預(yù)抽鉆孔。在充分掌握、分析煤層瓦斯賦存特點(diǎn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)瓦斯預(yù)抽鉆孔，利用巷道內(nèi)已開掘的調(diào)車硐室作為鉆場(chǎng)，進(jìn)行瓦斯抽采扇形鉆孔施工。

（2）科學(xué)設(shè)計(jì)鉆孔參數(shù)。各鉆孔“各司其職”，有的用于截流抽采煤壁涌向工作面瓦斯，有的用于解壓煤體深部瓦斯，預(yù)抽期間瓦斯平均濃度達(dá)30%以上，抽采流量達(dá)10 m3/min 以上，抽采的純瓦斯?jié)舛雀哌_(dá)3 m3/min 以上。

（3）瓦斯預(yù)抽效果明顯。鉆孔預(yù)抽瓦斯有效降低了煤體瓦斯含量，保障了2201 巷的安全順利掘進(jìn)，對(duì)8201 工作面初采期間煤層的瓦斯治理起到關(guān)鍵性作用，對(duì)同類條件下礦井的瓦斯預(yù)抽具有借鑒意義。