綜合瓦斯治理技術在杜兒坪礦的應用

王俊虎

(山西焦煤集團有限責任公司 杜兒坪礦， 山西 太原 030053)

隨著井工煤礦工作面智能化水平的提高，工作面產量大幅度增長，傳統的瓦斯治理方式已不能消除采掘工作面的瓦斯威脅，瓦斯仍然是制約工作面安全高效開采的主要因素。此外，煤層氣作為煤炭的伴生資源，具有極大的利用價值。如何實現瓦斯抽采最大化始終是瓦斯治理需研究的課題。我國瓦斯抽放大致經歷了4個階段：高透氣性煤層瓦斯抽放階段、鄰近層卸壓瓦斯抽放階段、低透氣性煤層瓦斯抽放階段及綜合瓦斯抽放階段[1-3]. 為了實現高產高效礦井工作面的安全生產，施行綜合瓦斯抽放技術成為必然趨勢。綜合瓦斯治理方式特點為時間上超前、空間上立體、技術上革新。瓦斯抽采鉆孔作為瓦斯抽采的通道，其間距、軌跡、層位對瓦斯抽采效果具有直接影響[4-5]. 對于低透氣性高瓦斯煤層超前施工預抽鉆孔，同時采取增透措施，可有效促進煤層瓦斯解析，縮短瓦斯抽采達標所需預抽時間，有效緩解礦井銜接緊張，實現高瓦斯工作面低瓦斯狀態開采[6-7]. 在回采過程中，受采動影響，工作面本煤層瓦斯涌出量及上下鄰近層瓦斯涌出量急劇增大，在工作面施工本煤層鉆孔的同時施工上下鄰近層鉆孔，對煤層瓦斯進行全方位抽采。在綜合瓦斯抽放技術實施的全過程，始終貫穿“以孔代巷”思路，進一步降低瓦斯治理成本，縮短瓦斯抽采工期，以實現瓦斯抽采可行性、有效性、經濟性的統一[8-9].

1 礦井基本概況

山西焦煤集團有限責任公司杜兒坪礦于1956年建礦，2016年礦井核定生產能力385萬t/a.可采煤層為2#、3#、6#、7#、8#、9#煤，現采2#、3#、8#煤層。礦井采用多風井分區通風方式，機械抽出式通風方法，有9個進風井和4個回風井，礦井總進風量為35 969 m3/min，總回風量為36 710 m3/min. 采煤工作面均采用“U”型通風系統，掘進工作面均采用壓入式通風。地面建有北石溝瓦斯抽放站，安裝5臺2BEC-72型水環式真空泵，其中高濃系統3臺(1運2備)，低濃系統2臺(1運1備)。高、低濃兩趟系統采用本煤層、高抽巷、采空區和區域預抽進行抽采。

礦區煤層瓦斯呈現南翼含量較低，北翼含量較高，從南到北煤層瓦斯含量逐漸增大的趨勢。2018年礦井瓦斯等級鑒定：礦井絕對瓦斯涌出量169.23 m3/min，相對瓦斯涌出量26.26 m3/t. 其中北七2#煤盤區絕對瓦斯涌出量8.84 m3/min，北三下組煤盤區絕對瓦斯涌出量95.2 m3/min，南九上組煤盤區8.34 m3/min，南十2#煤盤區5.71 m3/min，北五2#煤盤區34.27 m3/min，其他盤區16.87 m3/min. 各煤層瓦斯基本參數及抽放指標參數見表1，2.

表1 煤層瓦斯基本參數表

表2 煤層瓦斯抽放指標參數表

2 綜合瓦斯抽采技術的應用

針對礦井不同煤層的瓦斯賦存狀況特點，不同的開采巷道布置和開采技術，不同的瓦斯來源和治理要求，根據多年的瓦斯治理經驗，杜兒坪礦確定了礦井瓦斯治理模式：通過井下煤層增透、鉆孔護孔等技術的應用，開展低透氣性、松軟煤層大面積區域預抽；推進切頂護巷技術，構成高位大孔徑鉆孔代替高抽巷、同層位本煤層采前預抽和回采期間卸壓抽采、同層位大直徑鉆孔尾抽、底抽巷卸壓抽采等相結合的綜合立體抽采方式，實現高瓦斯礦井低瓦斯狀態開采，達到“以抽促用，以用促抽”的良性循環。

2.1 長距離順層鉆孔區域預抽

針對礦井瓦斯含量大、衰減系數大、透氣性差等特點，為充分降低煤層瓦斯含量，提高預抽效果，礦井在整體銜接安排上，制定了“三區聯動”規劃，提出在未采區域施工區域瓦斯預抽巷，在巷道兩幫施工長距離順層鉆孔。工程完工后，封閉巷道進行長時間預抽，預抽時間保證在3年以上，既可以保證瓦斯抽采和抽采濃度的穩定，為瓦斯利用提供可靠的氣源，也可以通過長時間的抽采，克服煤層透氣性差、衰減快的缺點，進而充分提高煤層抽采量，還可以簡化通風系統，降低風排瓦斯量。

68305預抽巷兩側施工本煤層鉆孔，鉆孔設計平面示意圖見圖1,共計鉆孔498個，進尺154 000 m，平均孔間距10 m，平均孔深為310 m， 鉆孔施工期間抽采濃度50%，抽采純量8 m3/min，巷道封閉后抽采濃度60%左右，抽采純量最高為14 m3/min. 從2009年開始預抽，到工作面回采前預抽時間達到8年，抽采瓦斯總量累計達到2 480萬m3，煤層瓦斯含量從9.77 m3/t降低到5.5 m3/t，預抽率達到44%.

圖1 68305瓦斯預抽巷本煤層鉆孔設計平面示意圖

2.2 頂板裂隙鉆孔抽采裂隙帶瓦斯

工作面回采期間，后部采空區集聚大量的瓦斯，其中部分瓦斯會涌向工作面，因此抽采裂隙帶瓦斯對于工作面瓦斯治理也是一項技術手段。根據多年來的實際經驗數據分析，裂隙帶一般位于工作面頂板上方10～15倍采高位置，鉆孔布置在此范圍內，鉆孔抽采濃度高，流量較大，抽采效果好。

62515瓦斯治理巷施工頂板裂隙鉆孔180個，孔深70 m，孔徑113 mm，間距10 m，傾角36°～39°，終孔垂高40～45 m，正常可抽鉆孔30個，瓦斯抽采純量為15 m3/min左右，占工作面瓦斯涌出量的68%. 單孔抽采濃度在50%～70%，單孔抽采量最大為1 m3/min，單孔抽采時間可達到1.5個月。62515工作面傾向頂板鉆孔設計示意圖見圖2.

圖2 62515工作面傾向頂板鉆孔設計示意圖

2.3 高抽巷+裂隙鉆孔與巷道-鉆孔聯合抽采

高抽巷沿煤巷施工緩解了巖巷施工的銜接問題，降低了工程成本[8]，施工裂隙鉆孔彌補了高抽巷層位不足的問題，抽采效果達到了預期目標。68306高抽巷施工在6#煤層中，距離8#煤頂板35 m左右，施工頂板裂隙鉆孔252個，孔深80 m，孔徑113 mm，間距5 m，傾角5°～7°，鉆孔抽采濃度在55%左右，巷道抽采濃度在20%左右，混合處濃度在40%左右，抽采量達到15 m3/min. 北三8#煤盤區回采工作面高抽巷鉆孔設計示意圖見圖3，4.

圖3 北三8#煤盤區回采工作面高抽巷鉆孔設計平面示意圖

圖4 北三8#煤盤區回采工作面鉆孔設計剖面示意圖

2.4 CO2預裂與水力壓裂增透

針對目前煤層低透氣、吸附強、衰減快、煤層松軟等特點，為提高本煤層的抽采效果，杜兒坪礦采取了CO2預裂增透、水力壓裂增透等技術，以提高鉆孔的單孔抽采濃度和抽采量。

在北三68310回風巷進行CO2預裂增透技術，預裂間距為10 m，隔一個鉆孔預裂一個，通過預裂后鉆孔濃度穩定在45%～72%， 單孔抽采量由0.005 m3/min提高到0.018 m3/min，提高了2.6倍，提高了單孔抽采量，穩定了抽采濃度。68310回風巷大孔徑高位鉆孔布置剖面示意圖見5.

圖5 68310回風巷大孔徑高位鉆孔布置剖面示意圖

在北一皮帶大巷試驗水力壓裂增透技術，從8#煤層向9#煤層施工穿層底板孔，利用8#、9#煤層間巖層作為保護層進行壓裂，鉆孔深度80 m，鉆孔間距5 m，孔徑113 mm. 從單孔抽采情況看，抽采周期在3個月，單孔濃度穩定在80%左右，單孔抽采量在0.02 m3/min，單孔的抽采濃度和抽采量比未進行壓裂的鉆孔，壓裂增透效果好，可以進行推廣使用。

2.5 瓦斯抽采“以孔代巷”

在工作面回風巷施工鉆場，使用ZDY15000LD型履帶大功率定向鉆機施工長距離大孔徑高位定向鉆孔，鉆孔軌跡覆蓋工作面上部裂隙帶，抽采裂隙帶內積聚的高濃度瓦斯。 通過使用該技術，在穩定抽采高濃度瓦斯的同時，減少了全巖高抽巷施工成本。

在工作面瓦斯治理巷和工作面回風巷，引進Z90/120型大直徑履帶坑道鉆機施工大直徑鉆孔埋管抽采代替橫川，利用礦井低濃抽采系統進行抽采，可以有效治理工作面回采期間上隅角瓦斯。大直徑履帶式坑道鉆機施工方案圖見圖6.

圖6 大直徑履帶式坑道鉆機施工方案圖

3 結 論

杜兒坪礦通過不斷豐富礦井瓦斯抽采工藝，對不同煤層采用不同的瓦斯抽采方式，并在實際過程中分析抽采工藝的使用效果，引進吸收瓦斯治理新工藝、新技術，新設備，完善各項瓦斯治理措施，提升礦井瓦斯綜合治理水平，實現了高瓦斯礦井低瓦斯狀態開采，最終形成“以抽保用，以用促抽”的瓦斯治理新格局，保證了礦井的安全高效生產。