煤礦井下瓦斯高效抽采技術的應用研究

＊王永健

（山西汾西礦業集團水峪煤業有限責任公司 山西 032300）

引言

山西汾西礦業集團水峪煤業有限責任公司水峪煤礦井田位于山西省孝義市境內，礦井核定生產能力為400萬噸/年。井下主要開采的為2號煤層，該煤層的平均厚度為2.12m，是典型的不易自燃煤層，由于井下地質構造相對簡單，因此主要采用的是一個回采面連續回采方案。井下相對瓦斯涌出量是29.55m3/t，絕對瓦斯涌出量達到了23.83m3/t，通過對井下瓦斯情況的深入調研，將井下瓦斯相關參數匯總如表1所示。

表1 井下瓦斯基本參數匯總表

通過分析，該煤層屬于高瓦斯煤層，在綜采作業時瓦斯的涌出量大，而且瓦斯的濃度較高，如果按照傳統單一的抽采技術方案，難以滿足井下瓦斯的高效抽采需求。

本文以水峪煤業有限責任公司水峪煤礦的井下作業面為研究對象，提出了多方案配合的井下瓦斯綜合抽采技術，實現了瓦斯的高效抽采，極大地提升了高瓦斯煤層條件下的抽采效率和安全性。

1.作業面瓦斯抽采技術研究

水峪煤礦堅持“先抽后采、持續監控、由風定產”的井下瓦斯治理策略[1]，在掘進時作業面抽采后瓦斯殘留量小于7.5m3/h，瓦斯壓力小于0.72MPa視為滿足安全抽采需求。因此結合水峪煤礦井下作業面的實際情況，綜合分析后決定采用本煤層順層鉆孔預抽+穿層鉆孔對臨近煤層和覆巖裂隙帶進行抽采+采空區的組合式抽采方案。

(1)作業面順層鉆孔瓦斯抽采

采用未卸壓抽放（預抽）和邊采邊抽方法，利用工作面運輸巷和材料巷施工平行工作面的順層長鉆孔，在工作面回采前可以作為預抽鉆孔對本煤層瓦斯進行預抽[2]，同時該預抽鉆孔還可隨著回采工作面的推進前方煤體產生的卸壓作用，作為邊采邊抽鉆孔對煤層進行卸壓瓦斯抽放。從而提高工作面本煤層瓦斯抽放量，減少開采層的瓦斯涌出，工作面運輸巷和材料巷分別鋪設一趟?325瓦斯抽采管路與采區高負壓瓦斯抽采管路接口外分別安裝GD3和激光CH4、CO傳感器一組、電動閥門一個。作業面順層瓦斯抽采抽放鉆孔布置如圖1所示。

圖1 井下順層瓦斯抽放鉆孔布置圖

瓦斯抽放鉆孔采用了水力壓裂鉆孔，根據煤礦井下作業面的實際地質情況，在回采區域沿著作業面的推進方向共設置了3個水力瓦斯抽放鉆孔，各個鉆孔的直徑均為96mm，鉆孔的長度約為450m。為了提高鉆進安全性，每個鉆孔均分為8段，開口設置到距離煤層底板1500mm的位置，鉆孔傾角為2°。

為了確保鉆孔在進行水力壓裂時縫隙分布的均勻性，因此經過多次試驗驗證，確定將每一個水力壓裂段的間距設置為40m，封隔器的卡距設置為10m。壓裂孔布置如圖2所示。

圖2 壓裂孔布置結構

(2)鄰近煤層瓦斯抽采

鄰近煤層瓦斯抽采[3]，即為通常所稱的卸壓層瓦斯抽采。在開采層的采動影響下，其上部或下部的鄰近煤層得到卸壓后會發生膨脹變形，其透氣性會大幅度提高，鄰近煤層的卸壓瓦斯會通過層間裂隙大量涌向開采層，為防止和減少鄰近層瓦斯涌向開采層，因此需要同步對鄰近煤層瓦斯進行抽采。

在制定臨近煤層瓦斯抽采方案時，需要從施工效率、抽采成本等方面綜合考慮[4]，因此可以優先利用作業面回風順槽在掘進時所布置的抽采鉆場，從鉆場面向作業面側設置瓦斯抽采鉆孔，在每一個鉆場中設置8個鉆孔，這些鉆孔呈扇形布置，每個鉆孔的深度為70m。為了提高鉆場的可靠性，鉆場之間鉆孔的水平投影的搭接距離不低于22m。穿層鉆孔位置在設置時需要結合作業面頂板“O-X”破斷位置[5]來確定，根據井下作業面的礦壓監測和上“三帶”勘探，確定該作業面的裂隙帶高度為22～31m，井下“X”型破斷帶則處于和作業面順槽距離30～40m處。結合勘探情況，將臨近煤層鉆孔方案設計如下：

①上排編號為1#、2#、3#、4#的鉆孔為高位孔，終孔位置和煤層頂板的距離是25m；1#鉆孔和井下回風順槽巷幫的水平距離是39m，2#鉆孔和井下回風順槽巷幫的水平距離是31m，3#鉆孔和井下回風順槽巷幫的水平距離是25m，4#鉆孔和井下回風順槽巷幫的水平距離是17m。

②下排編號為5#、6#、7#、8#的鉆孔為中位孔，終孔位置和煤層頂板的距離是20m；5#鉆孔和井下回風順槽巷幫的水平距離是35m，6#鉆孔和井下回風順槽巷幫的水平距離是27m，7#鉆孔和井下回風順槽巷幫的水平距離是20m，8#鉆孔和井下回風順槽巷幫的水平距離是10m。

鄰近煤層瓦斯抽采穿層鉆孔布置結構如圖3所示。

圖3 穿層鉆孔布置結構示意圖

(3)采空區瓦斯抽采技術

根據勘探，相鄰的曙光煤礦現有老采空區瓦斯涌出量較小且老采空區少，因此采用了埋管瓦斯抽采技術[6]。將管路埋藏到采空區靠近上隅角處，通過抽采使靠近上隅角的采空區處產生負壓，從而降低從采空區泄漏的瓦斯量。

在采用埋管法進行布置時，把第一根管路的端頭處設置一個正三通管及篩管，篩管需要和地面垂直布置，在篩管的外側需要設置木垛進行保護。在正三通管的后側設置4個瓦斯抽采管路，每個管路的長度均為6000mm，第一個埋管達到17m以后，開始平行埋設第2個管路和閥門，同時在第一個埋管的后側利用三通管和啟閉閥門進行連接[7]。井下埋管布置結構如圖4所示。

圖4 井下埋管布置結構示意圖

2.作業面抽采效果分析

當進行作業面的回風順槽完成掘進后，便開始進行瓦斯抽采鉆場的布置，該瓦斯抽采鉆場的抽采時間是從2022年6月3號開始到2023年1月7號，在抽采期間瓦斯的最大濃度為48.6%，最小為6.7%，井下瓦斯的抽放率達到了44.6%，完成抽采后井下煤層中的瓦斯含量降低到4.43m3/t。

在作業面回采期間，利用井下回風順槽鉆場，提取設置了穿層鉆孔，對作業面臨近的煤層和采空區、裂隙帶瓦斯進行抽采。根據統計，在抽采期間瓦斯的最大濃度為30.6%，最小濃度為16.6%；在作業面回采及采空區封閉后，則在采空區位置設置抽放管路，對采空區處集聚的瓦斯進行抽采，此時瓦斯的最大抽采濃度為19.9%，最小為2.6%。

根據統計，在利用三種方案進行綜合抽采后，累計抽采的瓦斯量達到了1143318m3，平均抽采率達到了64.7%，在完成治理后，作業面上的瓦斯涌出量穩定性高，沒有出現明顯的上升現象，而且在采空區的瓦斯集聚現象得到了明顯的優化，使井下作業面瓦斯體積分數始終保持在0.55%以下，提升了作業安全性。優化后瓦斯抽采量匯總如表2所示。

表2 不同方案瓦斯抽采量匯總表

3.結論

針對水峪煤礦井下作業面的實際地質情況，按照“先抽后采、持續監控、由風定產”的井下瓦斯治理策略，提出了本煤層順層鉆孔預抽+穿層鉆孔對臨近煤層和覆巖裂隙帶進行抽采+采空區的組合式抽采方案，根據實際應用表明：

（1）本煤層順層鉆孔預抽、穿層鉆孔預抽、采空區布置管路預抽的立體化綜合預抽方案，能夠解決井下煤層瓦斯涌出量大、分布范圍廣的難題。

（2）井下順層抽采的平均瓦斯抽采率達到了44.7%；井下穿層抽采的平均瓦斯抽采率達到了11.8%；井下采空區瓦斯的平均抽采率達到了7.2%，有效解決了井下瓦斯抽采效率低的不足，能夠將作業面上瓦斯的體積分數保持在0.55%以下。