西銘礦煤層氣資源安全高效開采利用研究

許永將

(西山煤電股份公司西銘礦，山西 太原 030052)

西山煤電股份公司西銘礦屬國有大型礦井，開采2#、3#、8#、9#煤層，經過多次改擴建后核定生產能力為3．60 Mt/a。近五年產量均保持在360萬t/年左右，采用走向長壁式采煤方法，綜合機械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板，礦井采掘機械化程度為100%。冀家溝建立地面永久抽采泵站，安裝3臺2BEC72－1BG3型水環式真空抽采泵，額定功率為560 kW，排氣量450 m3/min。目前單臺運行，2臺備用，抽采負壓為0．04 MPa左右。在井下回風巷敷設D800 mm和DN630mm抽采管為礦井主系統，在回采工作面和預抽工作面、采空區敷設DN315 mm抽采管。現主要采用本煤層(底抽巷、底抽鉆場)預抽、區域預抽、頂板裂隙帶高低位孔(高抽巷、頂板鉆場)抽采、采空區密閉抽采。2#煤層采用上鄰近層高低位鉆孔抽采，3#煤目前未進行抽采(未開采)，9#煤采用上隅角埋管抽采，8#煤采用多種方式綜合抽采(本煤層+上鄰近層高低位+底抽鉆場+采空區)。

1 煤層氣開采方面所面臨的問題及效益分析

高抽巷布置在8#煤上覆頂板炭質頁巖層中(厚2．82 m)，距8#煤垂高38 m，內錯平行于距皮帶順槽27 m(水平投影)沿煤層頂板布置。該巷從48207皮帶順槽內13 m位置垂直于48207皮帶順槽水平掘進5 m，然后以10°向上掘進70 m，再以 13．2°向上掘進80 m進入炭質頁巖層后水平送巷，巷道全長565 m。高抽巷采用半圓拱形斷面，斷面尺寸：高3．2 m，寬3．4 m，墻高 1．5 m，斷面 9．6 m2，巷道支護形式采用錨網支護(錨桿、錨索加鋼筋網)。施工結束后，采取密閉措施，在距巷道口45 m處，巖石頂板較穩定段施工雙層充填水泥砂漿密閉，巷道口砌筑1道永久密閉，并對密閉外5 m范圍內巷道及墻體噴漿加固。在密閉墻上安裝1趟DN630 mm聚乙烯抽采管路，抽采管口位置距離密閉里墻體2 m，高度1 m，接入南二盤區瓦斯抽采系統。在高抽巷抽采管路上安設規格為開孔2/3的孔板流量計，用于抽采數據測量。

1)經濟性分析。開拓施工高抽巷巷道工程費用：人工費和材料費需442．53萬元;從經濟性上分析，高抽巷費用與送底抽巷費用差不多，相比之下，高抽巷送道時間長，全巖巷道送道難度大，經濟上不合理，施工專用回風巷布置裂隙帶孔經濟性次之，在皮帶順槽施工鉆場布置裂隙帶孔最為經濟。

2)適用性分析。通過對高抽巷數據進行連續性檢測，其抽采量基本保持在19 m3/min左右，與以往抽采方法相比，高抽巷效果穩定，技術上可行，利用時間長;底抽巷同樣具有利用時間長、效果穩定特點，缺點是底抽巷受圍巖地應力影響容易產生巷道變形;采用專用回風巷布置裂隙帶孔效果一般，從總體上來說難以根治采場空間瓦斯涌出;在皮帶順槽布置鉆場效果不錯，但利用時間短。

3)優點分析。高抽巷具有抽采濃度大、抽采量穩定的特點，特別適合高瓦斯區域瓦斯治理;抽采出的高濃度瓦斯不經過采煤及回風巷區域，安全可靠性高，屬本質安全型抽采方法;有效控制采空區瓦斯涌向支架采場范圍內，較大程度上減輕了回采期間風排瓦斯壓力;能夠在支架后側的采空區形成較強的負壓場，改變采空區瓦斯流經路線，驅使高濃度瓦斯流向高抽巷;高抽巷布置在煤層頂板裂隙發育帶范圍，使用壽命較長，可以在工作面推進較遠距離后，仍能從采空區內抽采大量高濃度瓦斯。

4)不足分析。該礦高抽巷掘送時未端只送到切眼位置，未超前切眼長度;若超過切眼位置20～30 m距離可能初采初放時期抽采效果更好;高抽巷距8#煤層頂板高差為38 m，符合按5～12倍理論計算要求，經實踐檢驗分析，取42 m左右距離抽采濃度更高，即按11倍的采高計算巷道高差;高抽巷的水平投影距皮帶順槽的距離控制在切眼長度的1/5范圍內有利于上隅角側瓦斯抽采，該礦高抽巷內錯皮帶順槽距離為27 m，內錯距離過大，經現場檢測可知，回風隅角渦流區域瓦斯難以徹底抽排;若內錯距離為17～20 m范圍時，可能效果更佳。

通過對高抽巷投資費用、抽采效果分析，該礦煤層氣高效開采利用手段可多方面考慮，如底抽巷、底抽鉆場等可節約成本，同時解決礦井瓦斯問題，為煤層氣高效開采提供保障。裂隙帶抽采鉆孔封孔示意圖見圖1。

圖1 裂隙帶抽采鉆孔封孔示意圖

2 結論及建議

1)現地面泵站抽采瓦斯濃度為24%，抽采量為52 m3/min，移動泵瓦斯濃度為4%，抽采量8 m3/min左右，從2006年至今抽采量呈逐年提高趨勢，但是抽采管路放水裝置效果差造成抽采氣路不暢通，本煤層抽采鉆孔受采動影響造成封孔段漏氣，多種混合抽采方式造成瓦斯抽采濃度不穩定且偏低，上述原因都對瓦斯發電項目的利用造成困難。

2)封孔質量是提高抽采效果的關鍵環節。封孔采用新工藝和新材料，采用的新型礦用合成樹脂封孔，封孔長度由9 m增加至12 m。及時根據地面泵站抽采量、抽采濃度變化趨勢，科學合理地調配抽采工作面、采空區等氣源，保證了抽采量和濃度穩定、可靠。

3)管路、鉆孔積水和煤渣是影響抽采的不利因素。探索自動放水裝置，改進聯孔方式，每3個鉆孔接1個放水器，在支管增設放水器，初步解決了積水影響。在鉆孔施工結束后持續送水5 min，將孔內余渣沖凈，在支管路增設除渣裝置，定期除渣。

4)鉆孔施工質量是提高抽采效果的根本。根據抽采參數分析經驗，不斷摸索適合該礦地質特點的鉆孔參數，改進抽采設計。高位鉆孔由8倍采高改為12～14倍，與巷道夾角由90°改為40°～45°，有效克服斷孔、堵孔等弊端，低位鉆孔由5倍采高改為1～2倍采高，可有效降低上隅角瓦斯。

5)冀家溝只有1套地面抽采系統，目前地面抽采以治理采掘工作面瓦斯不超限為目標，不以利用為目的。南二、南四盤區同時還抽采多個采空區瓦斯，氣源不穩定會造成抽采量、抽采濃度不穩定，忽高忽低波動幅度較大。需要輪流調整抽采盤區，合理調配抽采工作面，瓦斯利用前，需提前建立地面分源抽采系統。

6)南二、南四盤區高瓦斯煤層8#煤在3年后資源枯竭，2個盤區將會轉移至低瓦斯煤層9#煤中采掘。3年后北七盤區將成為高瓦斯煤層8#煤的主采掘區域，根據鄰近的北五盤區8#煤瓦斯賦存量分析推斷北七盤區采掘區域絕對瓦斯涌出量不會超過20 m3/min。所以，3年后全礦井瓦斯賦存總量會大幅降低，南二、南四盤區的可抽量呈現明顯衰減趨勢，而從北七盤區又難以抽出濃度高、氣源穩的瓦斯，因此，建立高濃度瓦斯發電項目將存在困難，需要慎重考慮。