高瓦斯礦井綜合瓦斯抽采技術實踐

常森彪

山西焦煤華晉焦煤有限責任公司沙曲礦

高瓦斯礦井綜合瓦斯抽采技術實踐

常森彪

山西焦煤華晉焦煤有限責任公司沙曲礦

高瓦斯礦井的瓦斯抽采技術研究是瓦斯抽采研究領域的技術性難題。國內外許多專家、學者對此進行了大量的探索和研究，如采用煤層瓦斯預抽，保護層開采，在工作面打順層鉆孔、高位鉆孔，采空區埋管，地面壓裂鉆孔等方法抽采礦井瓦斯，在某種程度上增加了瓦斯的抽采率。下面文中將會對高瓦斯礦井綜合瓦斯抽采技術進行闡述和分析。

高瓦斯；綜合瓦斯；抽采技術

近幾年，過去一些低瓦斯礦井隨著采煤范圍的日益擴大和采煤深度的加深，逐漸發展成了高瓦斯礦井，高瓦斯礦井生產的危險性遠高于普通礦井，并時常有嚴重的煤礦事故發生。相關煤礦生產實踐結果表明，瓦斯的鉆孔采抽屬于治理瓦斯災害的最主要對策。

1 瓦斯成因與賦存

煤層瓦斯是腐植型有機物(植物)在成煤過程中生成的。成氣過程分2個階段，一是生物化學成氣時期；二是煤炭化變質作用時期。不同煤田，甚至同一煤田不同區域煤層的瓦斯含量差別可能很大。煤炭體是一種復雜的多孔性固體，包括原生孔隙和運動形成的大量孔隙和裂隙，形成了很大的自由空間和孔隙表面。煤層中瓦斯賦存狀態有2種：游離狀態和吸附狀態，在現今開采深度內，煤層內瓦斯主要是以吸附狀態存在，游離狀態的瓦斯只占總瓦斯體積的10%左右。但在斷層、大的裂隙、孔洞和砂巖內，瓦斯主要以游離狀態賦存。煤的瓦斯含量取決于煤層和圍巖的透氣性和吸附性、地質構造和埋藏深度等因素。我國煤層氣賦存呈現/兩低一高0的特征：煤層瓦斯的滲透率低，煤層瓦斯壓力較低，煤層吸附瓦斯能力高，這一特點給煤層開采和瓦斯抽采帶來了較大困難。

2 高瓦斯礦井綜合抽采技術

2.1 瓦斯抽采方法原則

確定以下瓦斯抽采方法的原則：①根據相應的煤層賦存、巷道的布置、地質和開采技術條件選擇相應抽采瓦斯方法；②通過對礦井瓦斯涌出來源及涌出量構成分析研究，有針對性地選擇瓦斯抽采方法來提高瓦斯抽采的效果；③應有利于降低抽采成本，提高瓦斯抽采率；④應有利于井下鉆場、鉆孔的正常施工，有利于抽采系統管網的設計，增加鉆孔抽采有效時間。

2.2 瓦斯抽采技術

1)鉆孔預抽采瓦斯技術

所謂的高位瓦斯抽采鉆孔施工技術是指抽采上鄰近層由于開采而出現的瓦斯所使用的鉆孔技術。開采的強度越來越大、深度越來越深，加之地面大氣壓逐漸降低，礦井瓦斯的涌出量就會越來越多。如果僅僅通過正常通風來對瓦斯進行稀釋，對于落煤和暴露煤壁時的解析瓦斯是有效果的；但是如果采空區涌出的瓦斯所占比例較大，如達到約60%時，這種方法無法實現治理瓦斯的目的。高位水平鉆孔瓦斯預抽采技術難度較大，該技術主要有大采面中間高位巷瓦斯預抽采技術和頂板高位水平鉆孔瓦斯預抽采技術兩種，頂板高位水平鉆孔瓦斯預抽采技術成本低、工期短、可以靈活應用，特別適用于以下三種礦井：高瓦斯礦井(瓦斯涌出量特別大，含量非常高，煤層的透氣性不好的礦井)、瓦斯富集的礦井(由于地質條件引發的)和煤層瓦斯分布的不均勻性的礦井。

2)采空區埋管瓦斯抽采方法

采用采空區埋管方式抽采工作面采空區的瓦斯，利用雙泵站雙管路埋管抽采(抽采管前端兼作埋管)，如圖1所示，2套管路分別抽采空區和上隅角的瓦斯，1號、2號管路在回風巷每隔3m均串接一個三通管件，安裝管路時要用堵板封嚴，防止漏氣，隨著工作面的推進，抽采管管口保持伸入采空區30m，管路上的連接口逐步向采空區內靠近，在進入采空區之前，須封嚴實，當工作面推進至下一個埋管口三通處，接替埋管口已經埋在采空區內3～5m時，將埋在采空區里的前一埋管段堵板封嚴，打開下一個循環的埋管口法蘭盤，以此達到利用埋管不斷抽采采空區瓦斯的目的。

圖1 采空區埋管抽采方法示意

采空區抽采比本煤層預抽瓦斯量大，但埋管抽采負壓較低，經過檢測，瓦斯抽采管內瓦斯體積分數由原來的10.0%～25.0%降至0.7%～0.9%，瓦斯抽采管內抽采負壓一般保持在3～5kPa，能夠滿足煤礦安全生產的要求。

3)本煤層瓦斯抽采

本煤層瓦斯抽采是在煤層開采之前或采掘的同時， 用鉆孔或巷道進行該煤層的抽采工作。該礦主要采用順層雙向鉆孔預抽本煤層瓦斯， 為提高預抽效果需要確定合理的預抽方式、合理的布孔參數和合理的預抽時間。

合理預抽方式的確定，常用的預抽方式主要包括平行鉆孔、交叉鉆孔和大直徑鉆孔等3種，通過對不同預抽方式、相同鉆孔密度下瓦斯抽采率對比、不同預抽方式達到相同瓦斯抽采率所需鉆孔密度比較和不同預抽方式施工作業難易程度的對比等3個方面進行綜合考慮，交叉鉆孔方式是3種預抽方式中最適用于該礦且最合理的瓦斯預抽方式。

2)交叉鉆孔合理布孔參數的確定，主要確定交叉鉆孔高程差、鉆孔間距、鉆孔長度和鉆孔夾角。該礦經過對各煤層賦存條件下的交叉鉆孔孔周破壞區及相互影響模擬數值計算及分析，高程差最佳取值范圍確定為4～6倍的鉆孔孔徑，如果考慮煤層瓦斯解吸、流動效應和煤體蠕變屬性取6～8倍鉆孔孔徑。

1)本煤層抽采的實質是擴大了鉆孔直徑，同時斜向鉆孔延長了鉆孔在卸壓帶的抽采時間，也避免了因鉆孔坍塌對抽采效果的影響，該布孔方式較常規布孔方式瓦斯抽采量提高了0.46～1.02倍。2)高位鉆孔抽采是將鄰近煤層瓦斯和采空區的瓦斯匯集抽出。瓦斯抽出后，鄰近煤層的相對瓦斯涌出量由原來的4.38～10.17m3/t變為1.46～3.16m3/t，大幅降低了瓦斯突出的危險性。3)采空區埋管抽采可以降低采煤工作面的瓦斯濃度，將鄰近煤層瓦斯排出，從而降低上隅角的瓦斯濃度，確保煤礦采空區的瓦斯體積分數保持在0.7%～0.9%，滿足安全生產需求。

[1] 劉洋. 高瓦斯礦井采空區大直徑高位鉆孔瓦斯抽采技術研究[D].太原理工大學，2013.

[2] 王劍光. 煤礦瓦斯綜合抽采技術及應用[J]. 中國煤炭，2014，03：111-115.