綜采工作面瓦斯抽采技術(shù)優(yōu)化及效果分析

＊王龍飛

（晉能控股裝備制造集團(tuán) 山西 048205）

前言

在我國(guó)能源消耗中，煤炭占有量超過(guò)50%，其地位在石化能源中首屈一指。但是在開(kāi)采煤礦的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)許多事故，主要是礦井工作中產(chǎn)生的粉塵、火災(zāi)、水害、瓦斯等因素所導(dǎo)致的，其中瓦斯的危險(xiǎn)性與破壞性最為嚴(yán)重。工作人員在井下作業(yè)中會(huì)遇到煤與瓦斯突出、瓦斯爆炸事故，所以抽采煤層中賦存的瓦斯是最有效的方法。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐可知，水力割縫與水力致裂可增加煤層的透氣性，有效地提高瓦斯的抽取能力。但在不同的礦井中煤層賦存條件也不同，為了提高鉆孔瓦斯抽取效果，也會(huì)用到以下兩種方法：第一是通過(guò)柱式封孔方法提高抽取效果；第二是通過(guò)穿層鉆孔水力修復(fù)工藝提高抽取濃度。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)抽取過(guò)程中負(fù)壓與鉆孔的距離都會(huì)對(duì)抽取瓦斯的濃度與含量有影響[1]。通過(guò)對(duì)山西某煤礦地質(zhì)條件進(jìn)行勘測(cè)，工作人員決定采用低負(fù)壓抽采、鉆孔修復(fù)以及膠囊封孔的方法來(lái)減少井下瓦斯含量。

1.山西某礦3109采煤工作面概況

經(jīng)勘測(cè)，山西某煤礦中煤層賦存穩(wěn)定，煤層內(nèi)生裂隙發(fā)育，其內(nèi)部瓦斯含量較高。該煤礦中煤層傾角在2°～9°之間，平均傾角3°，平均厚度約2.75m。

此煤層工作面為3109型，總面積約352262.3m2，工作面傾向距離258.2m，走向距離1364.3m，可開(kāi)采3＃煤層，開(kāi)采量預(yù)計(jì)有1.288Mt。通過(guò)測(cè)量工作面瓦斯分布可知，瓦斯絕對(duì)涌出量為30.31m3/min，相對(duì)涌出量為7.93m3/t，且含量最高的位置在回采面切巷向北276～589m處。為了能在該工作面順利開(kāi)采，工作人員采用了“三進(jìn)一回”“Y”方式進(jìn)行通風(fēng)，供風(fēng)量為3196m3/min。并選用MG400/930-WD型采煤機(jī)進(jìn)行開(kāi)采，開(kāi)采方式為傾斜長(zhǎng)壁后退式，割煤深度達(dá)到了8m。

2.瓦斯抽采技術(shù)優(yōu)化

鉆孔的密封性是影響瓦斯抽取效果的重要因素，所以對(duì)抽采鉆孔周?chē)p隙進(jìn)行加固密封，是必不可少的工作環(huán)節(jié)。在開(kāi)采3109工作面的煤層中鉆孔密封性較差，并且鉆孔深度大，所以抽取效果較低。為了能有效解決此問(wèn)題，工作人員用簡(jiǎn)易膠囊進(jìn)行封孔，并且向鉆孔內(nèi)注射高壓水流來(lái)排除孔內(nèi)的碎渣，提高煤層的通透性，更是減少了堵孔與塌孔的問(wèn)題。在抽采過(guò)程中通過(guò)對(duì)高負(fù)壓與低負(fù)壓對(duì)比，發(fā)現(xiàn)低負(fù)壓抽取效果更加明顯。

圖1為改進(jìn)抽采孔后的布置圖，其抽采方案為從底抽巷中向煤層打穿層鉆孔抽采。由圖可知，在該方案中有4組孔同時(shí)進(jìn)行瓦斯抽取，每組孔中包含了20個(gè)孔，且分為兩排。將這4組孔在不同措施下分別做對(duì)比：

圖1 瓦斯抽采鉆孔布置

第39組中每個(gè)孔直徑為94m，孔之間的距離為10m，抽采方式為正常抽采。且用水利沖孔來(lái)增加煤層通透性，封孔用原有方案進(jìn)行，封孔的深度為18m。最后用平均負(fù)壓為40kPa的壓強(qiáng)抽取6個(gè)月。

第38組用簡(jiǎn)易膠囊進(jìn)行封孔，深度為5m，其他條件與39組相同。

第42組孔先簡(jiǎn)易封孔后高壓抽取瓦斯1個(gè)月，其次用高壓水經(jīng)行孔內(nèi)修復(fù)，再封孔抽取瓦斯2個(gè)月。

第44組孔鉆、孔修復(fù)、密封、低負(fù)壓抽取同時(shí)進(jìn)行，在負(fù)壓為10kPa壓強(qiáng)下抽取3個(gè)月。

3.瓦斯抽采效果對(duì)比

(1)原有抽采效果

該煤礦3109工作面在原有的瓦斯抽取方案中各鉆孔抽取的瓦斯?jié)舛刃Ч鐖D2（a）所示；孔板瓦斯?jié)舛群土髁啃Ч鐖D2（b）所示。由圖可看出，在瓦斯抽采中抽取壓力在逐漸上升，其原因是抽采的過(guò)程中鉆孔內(nèi)部出現(xiàn)塌孔[2]。

圖2 39組鉆孔抽采情況

另一方面抽采濃度與流量曲線都逐步下降，但抽采濃度下降變化有波動(dòng)，而流量曲線變化較平緩。在圖中可發(fā)現(xiàn)初期鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛葹?7%，孔板瓦斯?jié)舛葹?6%，此時(shí)兩者瓦斯?jié)舛茸罡摺；旌狭髁孔罡邽?3m3/min，純流量最高為4.8m3/min。最終瓦斯總抽采量為1370m3。

(2)簡(jiǎn)易封孔鉆孔抽采

圖3所展示信息是鉆孔運(yùn)用簡(jiǎn)易膠囊密封后的瓦斯抽采效果圖。由圖可知該抽采方案采用高壓抽采，整個(gè)抽采過(guò)程中負(fù)壓呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；抽采瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)波動(dòng)且呈現(xiàn)下降狀態(tài)，在鉆孔處抽采濃度最高，而孔板抽采濃度在抽采進(jìn)程中期數(shù)值最高，兩者都達(dá)到了35%；抽采流量整體也處于下降狀態(tài)，所以整個(gè)抽采工作結(jié)束后，瓦斯抽取量為1307m3。

圖3 38組鉆孔抽采情況

以上結(jié)果與傳統(tǒng)抽取方案相比，瓦斯抽采量無(wú)明顯變化，但抽采的濃度略有下降。最大的優(yōu)點(diǎn)在于優(yōu)化后抽采時(shí)間減少，由以往的6個(gè)月減少到4個(gè)月，所以優(yōu)化后的抽采方案效率更高。

(3)簡(jiǎn)易封孔和鉆孔修復(fù)抽采效果

通過(guò)簡(jiǎn)易膠囊和高壓水力優(yōu)化后的鉆孔抽取瓦斯效果如圖4所示。由圖可知該抽采方案整體負(fù)壓呈上升狀態(tài)。抽采濃度出現(xiàn)波動(dòng)且整體呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)。鉆孔的抽采濃度最高達(dá)到22%，孔板瓦斯抽采濃度最高達(dá)到了35%。

圖4 42組鉆孔抽采情況

該方案孔板瓦斯抽采流量無(wú)明顯變化，其中純流量約為5m3/min，混合流量大約為10m3/min，抽采完成后抽采瓦斯的總量達(dá)到了1905m3。

改進(jìn)后的方案中抽采量明顯增加，與原有方案相比有46%的提升，并且抽采時(shí)間縮短到了3個(gè)月。此方案優(yōu)點(diǎn)明顯，在鉆孔通過(guò)水力修復(fù)后，瓦斯抽取量與抽取時(shí)間都有了明顯的變化，所以水力修復(fù)對(duì)煤層的通透性與鉆孔的抽采環(huán)境有著良性改變[3]。

(4)簡(jiǎn)易封孔、鉆孔修復(fù)和低負(fù)壓綜合抽采效果

把低負(fù)壓抽采工藝、高壓水力修復(fù)和簡(jiǎn)易膠囊密封三者共同運(yùn)用在瓦斯抽采中，所呈現(xiàn)效果如圖5所示。由圖可知整個(gè)抽采過(guò)程中負(fù)壓無(wú)明顯波動(dòng)，鉆孔內(nèi)負(fù)壓約11kPa，而在抽采前期孔板瓦斯負(fù)壓有較大起伏，但后期負(fù)壓到達(dá)10kPa再無(wú)明顯變化。孔板瓦斯?jié)舛扰c鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛瘸跗诙紴?0%，并且兩者開(kāi)始下降，到中期又上升至最高值，后期又下降至最低值[4]。抽采流量在整個(gè)抽采工作中無(wú)變化，瓦斯抽采總量為1356m3，與之前抽采方案相比抽采量無(wú)明顯變化。但低負(fù)壓抽采所消耗能量較少，所以抽采方案中低負(fù)壓抽采瓦斯更為合適。

圖5 44組鉆孔抽采情況

4.結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)山西某煤礦3109工作面進(jìn)行勘測(cè)分析，其內(nèi)部瓦斯含量較高，所以在煤礦開(kāi)采前需抽取內(nèi)部瓦斯，來(lái)保證井下作業(yè)的安全。工作人員在對(duì)工作面內(nèi)部特征全面考察后，制定了低負(fù)壓抽采工藝、高壓水力修復(fù)和簡(jiǎn)易膠囊密封共同運(yùn)用的抽采方案。

（2）在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)瓦斯抽采工藝進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)抽采方案效果最差；簡(jiǎn)易膠囊封孔增強(qiáng)了鉆孔的密封性，提高了抽采效率；水力修復(fù)則增強(qiáng)了煤層的通透性，改善鉆孔環(huán)境，對(duì)抽采效率有明顯提升；低負(fù)壓對(duì)抽采效果無(wú)明顯提升，但與高壓相比消耗能量較少，所以低負(fù)壓更適合。