瓦斯抽采模塊優化技術實踐研究

王 林 劉發義

（1.河南理工大學安全學院，河南省焦作市，454000；

2.山西晉煤集團趙莊煤業有限責任公司，山西省晉城市，048000）

礦井瓦斯災害是威脅我國煤礦安全生產的一大問題，根據國家瓦斯治理 “先抽后采，監測監控，以風定產”的十二字方針，治理礦井瓦斯災害的根本在于抽采瓦斯。瓦斯抽采的效果不僅取決于瓦斯含量、透氣性系數等煤層賦存條件，還取決于抽采方法和鉆孔工藝參數。目前常用增加煤層透氣性來提高瓦斯抽采效果的方法主要有水力壓裂、水力割縫等水力化措施以及預裂爆破等，然而這些措施雖然在本煤層瓦斯預抽上取得一定的效果，但是由于工藝技術復雜，需要專用設備等原因，應用效果不甚理想。為此，趙莊煤礦通過合理布置鉆孔、優化鉆孔參數、改進施工工藝，對不同抽采模塊進行了對比考察，探索出適合于趙莊煤礦3＃煤層的抽采模塊，確保了安全生產。

1 礦井概況

山西晉煤集團趙莊煤業有限責任公司 （簡稱趙莊煤業）位于長子縣慈林鎮，井田面積約144 km2，設計生產能力600 萬t／a，為高瓦斯礦井。根據煤炭科學研究總院重慶研究院的 《趙莊礦一、三盤區3＃煤層瓦斯基本參數測定報告》中，一盤區3＃煤層透氣性系數0.21～0.46 m3／ （MPa2·d），原始瓦斯壓力為0.06～0.71 MPa，鉆孔瓦斯流量0.0005～0.0039m3／ （min·hm），鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.14～0.39／d，說明3＃煤層瓦斯涌出衰減較大，煤層透氣性較差，瓦斯賦存不均衡，存在明顯的區域性差異。

趙莊煤業井下煤質較軟，透氣性差，地質條件復雜，瓦斯賦存不均勻，受到井下煤質條件的制約，長鉆孔施工成孔率和抽采效果均得不到保證，導致煤層瓦斯預抽比較困難。在1306區域生產掘進期間，由于煤體瓦斯含量高，構造復雜，瓦斯頻頻超限，嚴重影響了趙莊煤業的安全生產。為從根本上解決趙莊的瓦斯問題，必須提高本煤層的瓦斯抽采效果。

2 瓦斯抽采模塊優化方案

結合趙莊煤業實際煤層地質條件，設置不同類型的抽采單元，配合采用有效的封孔方式，通過對比煤層殘余瓦斯含量、鉆孔總進尺、鉆孔總數量、瓦斯抽采量防突指標K1值、掘進日進尺及掘進工作面瓦斯濃度等參數，選取合適的抽采模塊。

2.1 抽采模塊設置

根據趙莊煤業以往的打鉆經驗，鉆孔長度在120m 以上時，鉆孔軌跡易發生偏移，不易控制終孔位置，并且由于塌孔，導致有效抽采進尺短，故設計施工70m×45m、100m×45m 的抽采模塊進行研究。

（1）方案一：采用70m×45m 抽采模塊，布置三排鉆孔，鉆孔施工設計如圖1所示。三排共施工53 個鉆孔，排距1 m，距底板1.4 m，孔間距0.8m。控制前方70m，巷道輪廓線外20m 的范圍，在13072巷道進行施工考察。

（2）方案二：采用100 m×45 m 抽采模塊，布置三排鉆孔，鉆孔施工設計如圖2所示。三排共施工53個鉆孔，排距1m，距底板1.4m，孔間距0.8m?？刂魄胺?00m，巷道輪廓線外20m的范圍，在1101巷道進行施工考察。

（3）方案三：采用100 m×45 m 抽采模塊，布置兩排鉆孔，鉆孔施工設計如圖3所示。兩排共施工38個鉆孔，排距1m，距底板1.4m，孔間距0.8m?？刂魄胺?00m，巷道輪廓線外20m的范圍，在西翼帶式輸送機巷道進行施工考察。

2.2 封孔方式

封孔質量是影響鉆孔抽采效果的重要指標，嚴密的封孔可以有效保證抽采濃度、流量在較長時間內保持較高水平。為了改變趙莊煤礦長期以來瓦斯抽采一直處于低濃度、低流量的狀況，選擇 “兩堵一注”的封孔工藝，孔內全程下套管，使用QN 水泥和普通水泥混合的水泥漿注漿封孔，漿液凝固后生成對煤體具有較高黏結性的有機塑性體，改善孔壁煤體裂隙環境，提高煤體完整、均一性，從而達到提高瓦斯抽采效果的目的。

圖2 100m×45m 抽采模塊三排鉆孔施工設計圖

圖3 100m×45m 抽采模塊兩排鉆孔施工設計圖

3 瓦斯抽采效果及分析

通過在13072 巷道、1101 巷道和西翼帶式輸送機巷的試驗考察，詳細記錄了鉆孔施工以及不同模塊的抽采效果。

（1）在13072巷道6＃橫貫位置掘進頭施工鉆孔，共計施工88個鉆孔 （包括由于串孔補打的35個鉆孔），施工進尺共計7261m。鉆孔初始瓦斯濃度達到60%以上，施工鉆孔初期工作面抽采量達到300 m3／d 以 上，流 量 約 在0.05～0.01 m3／（min·hm），1周后全部下降至0.01m3／ （min·hm）以下，瓦斯濃度下降至10%左右；經過2個月的瓦斯抽采，抽采量只有30m3／d左右，流量衰減到0.001m3／ （min·hm）以下。在巷道掘進過程中，防突預測了13 次，K1達到0.3mL／ （g·以上的有3次，比例為23%。在割煤期間，工作面推進進度基本保持在4～5 m／d，工作面瓦斯濃度最大0.42% （0.4%以上占17%，0.5%以上占0%），回風瓦斯濃度最大0.6% （0.4%以上占58%，0.5%以上占33%）。

（2）在1101巷5＃橫貫處掘進頭施工鉆孔，共計施工53個鉆孔，鉆孔總進尺為5429m。鉆孔初始瓦斯濃度達到70% 以上，平均瓦斯抽采量578m3／d，平均流量0.007m3／ （min·hm）。在巷道掘進過程中，防突預測了18次，K1達到0.3 mL／ （g·）以上的有4次，比例為22%。在割煤期間，進度基本保持在5～6 m／d，工作面瓦斯濃度最大0.4% （0.4%以上占5%，0.5%以上占0%），回風瓦斯濃度最大0.52% （0.4%以上占32%，0.5%以上占14%）。

（3）在西翼帶式輸送機巷施工鉆孔，共計施工38個鉆孔，鉆孔總進尺為3930m。鉆孔初始瓦斯濃度達到70%以上，平均瓦斯抽采量626 m3／d，平均流量0.011 m3／ （min·hm），煤體瓦斯含量下降到7.9 m3／t。在巷道掘進過程中，防突預測了19次，K1達到0.3mL／ （g·）以上的有7次，比例為39%。在割煤期間，進度基本保持在6m／d左右，工作面瓦斯濃度最大0.48% （0.4%以上占22%，0.5%以上占0%），回風瓦斯濃度最大0.55% （0.4% 以 上 占45%，0.5% 以 上 占0.15%）。

3種抽采模塊的抽采情況如表1所示。

表1 井下瓦斯抽采模塊抽采情況

由表1可知，采用3種抽采模塊都能夠將煤層瓦斯含量降至8 m3／t以下，能夠滿足防突規定的要求。并且在掘進期間預測指標K1都不超標，風流瓦斯濃度也未超限。

方案一與方案二相比，方案一由于補孔數量多，鉆孔布置間距近，串孔較多，導致抽采流量、濃度衰減較快，對煤層的預抽效果不理想，對生產進度影響較大。方案二在施工過程中不再進行補孔，避免了串孔現象大量發生，抽采時間較長，將瓦斯含量抽采至較低水平。方案二鉆孔進尺是方案一的74.8%，百米鉆孔流量是其1.75倍，掘進進度為5～6m／d，大于方案一。因此，方案二優于方案一。

方案二與方案三相比，方案二布置三排鉆孔，方案三布置兩排鉆孔。方案三的鉆孔總進尺是方案二的72.4%，而百米鉆孔流量是其1.57倍，而且平均日瓦斯抽采量大于方案二，在巷道掘進期間都能保證日進尺6 m 左右。在同樣使煤層瓦斯含量降至8 m3／t 的前提下，采用方案三可以減少28.3%的工程量。因此，方案三優于方案二。

綜上所述，方案三施工量少，抽采效果好，能夠提高掘進日進尺，是適合趙莊煤業的最優抽采模塊。

4 結語

（1）通過3種抽采方案的對比，優選出了適合趙莊煤業的抽采模塊，即100m×45m 抽采模塊，布置兩排共38 個鉆孔，鉆孔水平間距0.8 m，排距1m。采用此抽采模塊，抽采34d后即可將煤層瓦斯含量降低到8m3／t以下。

（2）采用新型區域抽采模塊后，杜絕了掘進巷道瓦斯超限的問題，同時巷道 掘進時間大大縮短，單月進尺平均提高30m，保障了高瓦斯區域的生產銜接。

（3）減少了鉆孔施工數量，縮短了施工周期，滿足礦井高產高效生產，緩解煤礦抽、掘、采壓力，具有較好的安全效益和經濟效益。

［1］ 俞啟香.礦井瓦斯防治 ［M］.北京：煤炭工業出版社，1992

［2］ 程遠平，付建華，俞啟香.中國煤礦瓦斯抽采技術的發展 ［J］.采礦與安全工程學報，2009 （2）

［3］ 王兆豐，田富超等.羽狀千米長鉆孔抽采效果考察試驗 ［J］.煤炭學報，2010 （1）

［4］ 黃鑫業，蔣承林.本煤層瓦斯抽采鉆孔帶壓封孔技術研究 ［J］.煤炭科學技術，2011 （10）

［5］ 許太山.高瓦斯礦井綜合瓦斯抽采技術實踐 ［J］.煤炭科學技術，2012 （12）

［6］ 王劍光，王騫.錢家營礦高位鉆孔瓦斯抽放參數研究 ［J］.中國煤炭，2013 （1）

［7］ 馬駿馳，袁樹杰，況成斌.低透氣性煤層瓦斯抽采技術實踐 ［J］.煤炭技術，2012 （11）