瓦斯抽采利用示范化礦井建設技術研究

侯東旭

摘 要：平頂山礦區(qū)曾是瓦斯事故重災區(qū)，歷史上發(fā)生過數(shù)次重特大瓦斯爆炸事故和煤與瓦斯突發(fā)事故。礦區(qū)現(xiàn)有生產(chǎn)礦井21對，其中，14對為煤與瓦斯突出礦井，突出礦井產(chǎn)能占集團80%以上。隨著礦井開采延伸，高瓦斯、高應力、高地溫問題越來越嚴重，成為制約煤礦安全、影響礦井安全高效生產(chǎn)的突出問題。

關鍵詞：煤礦;瓦斯利用;示范化;技術探討

中圖分類號：TD712.6文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2019）16-0107-03

Abstract： As a heavily influenced area by gas disaster， Pingdingshan coal mining district once occurred several major gas explosion accidents， and also coal and gas outburst accidents in its history. There are 21 pairs of production mines in the mining area， of which 14 are coal and gas outburst mines， and the output of outburst mines accounts for more than 80% of the group. Along with the extension and deepening of mining operation， the problems of gas， ground stress and temperature will get worse and worse and have become the key factors restricting safety and efficiency of coal production.

Keywords： coal mine;methane utilization;demonstration;technical investigation

中國平煤神馬集團是一家以能源化工為主導的國有特大型企業(yè)集團，產(chǎn)業(yè)遍布河南、湖北、江蘇、上海、陜西等9個省區(qū)，旗下?lián)碛衅矫汗煞荨⑸耨R股份、易成新能3個上市公司和5家新三板掛牌公司，營業(yè)收入、資產(chǎn)總額均達1 500億元。集團煤炭板塊下轄平煤股份和許平煤業(yè)兩大煤業(yè)公司，產(chǎn)能4 500萬t/a。現(xiàn)有21對生產(chǎn)礦井，其中，煤與瓦斯突出礦井14對，高瓦斯礦井2對。

集團主力開采的平頂山礦區(qū)曾是瓦斯事故的重災區(qū)，開采的突出煤層普遍松軟、頂板堅硬，透氣性差，屬難抽采煤層。目前，個別最大開采深度超過1 000m，實測最大瓦斯含量達25.6m3/t，最大瓦斯壓力達3.6MPa。礦區(qū)曾是瓦斯事故重災區(qū)，瓦斯治理和防突問題一直是制約礦區(qū)安全生產(chǎn)和企業(yè)發(fā)展的主要因素。為此，本文針對平頂山礦區(qū)深部單一低透性突出煤層瓦斯防治難題，在平寶公司進行瓦斯抽采利用示范礦井建設探索與實踐，形成了大采長“一面多巷”瓦斯治理模式，實現(xiàn)了瓦斯安全高效抽采利用[1]。

1 瓦斯抽采利用示范化礦井建設技術探討

1.1 礦井基本情況

平寶公司井田位于平頂山礦區(qū)東部，距平頂山市約25km，井田東西走向長6.1km，南北傾斜寬4.4km，面積27km2，礦井可采儲量3.08億t，2010年8月9日正式投產(chǎn)，設計生產(chǎn)能力240萬t/a，服務年限92a。主采煤層己15-17平均厚度6m，局部分層;戊9-10煤平均厚度2.6m，暫未開發(fā);兩層煤層間距170～210m，不具備保護層開采條件，屬單一低透突出煤層。

1.2 優(yōu)化工程布局，形成大采長“一面多巷”瓦斯治理模式

礦井屬于單一煤層開采，主采己組煤層有效保護垂距內(nèi)不存在0.5m厚及以上煤層，不具備保護層開采條件。礦井堅持低位巷穿層鉆孔（水力沖孔）治理瓦斯掩護煤巷安全掘進、順層鉆孔預抽回采區(qū)域煤層瓦斯掩護采面安全回采，在此基礎上，對“一面四巷”“一面五巷”“一面六巷”“一面多巷”瓦斯治理布置方式進行了探索。圖1是大采長“一面多巷”布置示意圖。

在己15-12050采面、己15-17-12061采面、己15-12090等采面使用高位抽放巷，不斷探索、實踐、優(yōu)化，進而形成“一面多巷”（兩條抽放巷、兩條煤巷、一條沿空掘巷、一條高抽巷）的區(qū)域治理模式，實施低位巷穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤體瓦斯掩護掘進、三條煤巷順層鉆孔預抽回采區(qū)域煤層瓦斯、高抽巷封閉抽采采空區(qū)瓦斯。大采長“一面多巷”工作面布置方式，使采煤工作面儲量進一步增大，有利于合理集中生產(chǎn)，實現(xiàn)順序開采，保證了采掘接替正常，并降低了萬噸掘進率以及瓦斯治理噸煤成本。

1.3 合理選擇層位、優(yōu)化排矸系統(tǒng)，實現(xiàn)巖巷快速掘進

掘進效率是瓦斯治理的時空保證，為盡最大可能發(fā)揮巖石掘進機效率，結合巖石掘進機參數(shù)和穿層鉆孔施工效率，通過巖性分析，選擇硬度系數(shù)在4～6的巖層布置巷道，掩護掘進時低抽巷與煤巷幫對幫平距1m，并在采面中部布置低抽巷及其對應煤巷，所有低抽巷距己16-17煤層底板垂距8～12m。通過優(yōu)化采掘部署和工程設計，超前布置并施工下一接替面工程，采用大功率巖石掘進機，巖巷敷設專用運矸皮帶，建立專用排矸系統(tǒng)，實現(xiàn)煤矸分運，大幅度提高掘進效率，有效保證了瓦斯治理所需要的時間和空間，低抽巷機掘月單進水平穩(wěn)定在200m以上[2]。

1.4 推廣新技術、新裝備，破解瓦斯抽采利用瓶頸

1.4.1 水力造穴技術。采用鉆壓沖一體化裝備在松軟高突煤層通過施工層順層長鉆孔或穿層鉆孔，利用專用鉆頭產(chǎn)生的高壓水切割沖刷煤體，使煤體破碎、垮塌，形成較大空間的洞穴，應力集中向沖孔周圍移動，洞穴周圍煤體孔裂隙擴展延伸，使沖孔附近煤體卸壓增透，提高抽放效果。在低位抽放巷利用穿層鉆孔進行水力造穴，控制預掘煤巷兩幫各30m范圍，穿層鉆孔煤孔段每米出煤量不低于1t，增加抽采效率，掩護煤巷安全掘進。在煤巷施工順層鉆孔進行水力造穴，設計孔深90m，順層鉆孔自孔口向里30m開始每8m造一次造穴，每穴出煤量不低于1t，用于掩護采面回采，使煤體回采前得到有效卸壓，增加抽采效率。

1.4.2 “兩堵一注帶壓封孔”全程下篩管封孔工藝。所有瓦斯抽采鉆孔全部實施“兩堵一注帶壓封孔”全程下篩管封孔工藝，穿層鉆孔封孔段見煤點向下5m、順層鉆孔在距孔口14～23m進行封孔，避開巷道裂隙帶，并實施全程下篩管，保障鉆孔有效抽采區(qū)域，有效保證預抽鉆孔封堵質(zhì)量和抽采效果，結合水力造穴技術實施，低抽巷干管抽采濃度穩(wěn)定在20%以上，達到瓦斯發(fā)電要求。

1.4.3 實施高抽巷抽采采面上隅角瓦斯技術。為解決礦井厚煤層開采過程中采面回風流、上隅角及采面后五架間內(nèi)瓦斯積聚，由原單靠措施治理上隅角瓦斯轉變到以工程治理瓦斯，即在采煤工作面內(nèi)錯布置高抽巷，高抽巷與風巷平距中對中20m、距離煤層頂板垂距18～22m布置，并進行密閉抽采，抽采濃度達到30%～50%，瓦斯純量達到45～75m3/min。生產(chǎn)期間回風流瓦斯穩(wěn)定至0.15%～0.3%，解決了上隅角瓦斯積聚問題，提高了瓦斯抽采效率，降低了勞動強度，改善了作業(yè)環(huán)境，為安全高效生產(chǎn)提供了安全保障。

1.5 引進先進瓦斯抽采裝備，瓦斯利用量大幅提升

1.5.1 不斷優(yōu)化瓦斯抽采系統(tǒng)。地面抽采系統(tǒng)和各采區(qū)抽采系統(tǒng)高、低壓分離且互為備用，保證采空區(qū)低負壓大流量和煤層預抽鉆孔高負壓低流量。為保證回采工作面采面瓦斯治理需要，形成了地面抽采系統(tǒng)、井下采區(qū)抽采系統(tǒng)互為備用和相互轉換的網(wǎng)絡化抽采系統(tǒng)，且實現(xiàn)高濃度瓦斯直接抽采利用，低濃度瓦斯井下抽采排空，充分發(fā)揮不同抽放泵的性能，實現(xiàn)網(wǎng)絡化抽采。

1.5.2 引進先進瓦斯抽采裝備。礦井井建有3座地面瓦斯抽采泵站、2座井下瓦斯抽放泵站。其中，地面抽放泵站引進具有智能化、低能耗、高效率等優(yōu)點的德國PGM系列瓦斯抽采泵兩座，共6臺PGM-3-150全自動無人值守抽采泵，每臺實際最大工況流量可達到143m2/min。表1為PGM集裝箱式抽采站和傳統(tǒng)水環(huán)式泵站的數(shù)據(jù)對比表。

1.5.3 升級改造瓦斯利用系統(tǒng)。礦井瓦斯發(fā)電站2014年5月開工建設，同年12月開始試運轉，2018年進行二期升級改造，裝備700GFZ-PwWD-TEM2-4型燃氣發(fā)電機組。瓦斯發(fā)電站裝機容量為11臺700kW機組，共7 700kW，采用臥式多風扇水箱閉市冷卻方式，實現(xiàn)了使用甲烷體積含量在5%以上的超低濃度瓦斯直接發(fā)電，超低濃度瓦斯作為做功的主要燃料，通過高能量點火系統(tǒng)引燃后實現(xiàn)超低濃度瓦斯爆炸做功。整套設備由瓦斯進氣系統(tǒng)、柴油供給系統(tǒng)、空氣過濾系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和發(fā)電機組控制系統(tǒng)組成，實現(xiàn)了機組全自動控制系統(tǒng)。

2 結論

通過瓦斯抽采利用示范化礦井建設，杜絕了瓦斯超限事故，實現(xiàn)了安全生產(chǎn);實現(xiàn)了礦井掘進、抽采、回采平衡，解決了突出煤層工作面順序開采和接替問題，產(chǎn)能穩(wěn)定在240萬t/a。突出采掘工作面單產(chǎn)單進大幅度提高，煤巷掘進工作面由原來的100～150m/月，提高到最高402m/月，采面單產(chǎn)由原來的8～10萬t/月，提高到最高23萬t/月。瓦斯抽采利用量大幅度提高，每天瓦斯利用量10萬m3，發(fā)電量穩(wěn)定在15萬kW·h以上，預計全年利用瓦斯2 000萬m3，發(fā)電3 000萬kW·h，產(chǎn)生了顯著的安全、經(jīng)濟、環(huán)保和社會效益[3，4]。

參考文獻：

[1]謝和平，周宏偉，薛東杰，等. 煤炭深部開采與極限開采深度的研究與思考[J]. 煤炭學報， 2012（4）：535-542.

[2]張建國.中國平煤神馬集團瓦斯綜合治理的回顧與展望[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2013（5）：82-86.

[3]王光泉，劉偉東，余國鋒.綜放開采高抽巷布置合理位置分析[J].煤炭技術，2007（10）：83-85.

[4]劉如鐵，張繼高.走向高抽巷抽放瓦斯技術研究[J].中國礦業(yè)，2012（1）：122-124.