瓦斯抽采技術(shù)在唐山礦的研究應(yīng)用

鄭友剛 姚志勇

（開灤唐山礦業(yè)分公司，河北省唐山市，063000）

1 概述

唐山礦業(yè)分公司是開灤（集團(tuán)）有限責(zé)任公司的主力生產(chǎn)礦井，始建于1878年（清朝年間），1881年投產(chǎn)，已有130多年的歷史，現(xiàn)屬國有煤礦企業(yè)。2004年以來礦井產(chǎn)量保持在400萬t／a以上的水平。唐山礦整個(gè)井田長(zhǎng)14.55km，寬3.5 km，井田面積37.28km2。位于開平向斜西北翼西南端，開平煤田地層屬華北型沉積。煤田中古生界地層廣泛分布，上部石炭－二疊系為含煤巖系，各系、統(tǒng)間多以整合或假整合接觸。含煤地層大多為第四系黃土覆蓋。含煤地層主要分布在石炭系、二疊系。截止到2010年12月，唐山礦井田范圍剩余地質(zhì)儲(chǔ)量36016.9萬t，可采儲(chǔ)量12809.4萬t，其中5＃煤層1780.5萬t，8＃煤層1721.0萬t，9＃煤層6860.2萬t，12＃煤層2447.7萬t，唐山煤礦各煤層未采區(qū)域煤層氣資源儲(chǔ)量達(dá)9.37億m3，采空區(qū)瓦斯儲(chǔ)量為2773萬m3。唐山礦歷年瓦斯鑒定均批復(fù)為高瓦斯礦井，2011年瓦斯鑒定絕對(duì)涌出量達(dá)到61.83m3／min。

從20世紀(jì)70年代初開始，唐山礦著手致力于研究礦井瓦斯的抽放和利用，建有地面永久瓦斯抽采系統(tǒng)和復(fù)雜的井下管網(wǎng)系統(tǒng)，80年代初期開始進(jìn)行瓦斯利用，主要用于居民燃?xì)?，最多可?1000戶居民生活用氣。2010年以后建立了1座瓦斯發(fā)電站，安裝了4套500kW瓦斯發(fā)電機(jī)組，開始利用地面鉆孔和井下瓦斯抽采系統(tǒng)進(jìn)行瓦斯發(fā)電，合理利用了礦井的瓦斯資源。

2 地面鉆孔瓦斯抽放

唐山礦在20世紀(jì)80年代中期就開始采用地面向煤層打鉆抽放瓦斯氣，在地面建立了抽采瓦斯管網(wǎng)系統(tǒng)，常年抽取瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在80%～90%，到2001年才逐漸衰減。后又采用在地面向井下生產(chǎn)區(qū)域的采空區(qū)打鉆抽采卸壓瓦斯并進(jìn)行利用。

T2291工作面屬于鐵路煤柱二采區(qū)，工作面走向長(zhǎng)1062m，傾斜長(zhǎng)138m，煤層平均厚度10m，煤層平均傾角12°，煤層平均埋深636m。北部相鄰為11水平西翼采空區(qū)，東部為鐵路煤柱一采區(qū)和12水平北翼9＃煤層采空區(qū)，東面和南面為鐵路煤柱未采區(qū)域。從煤巖層瓦斯賦存和礦井內(nèi)采區(qū)間通風(fēng)壓力關(guān)系看，T2291采空區(qū)內(nèi)賦存有大量的卸壓瓦斯，因通風(fēng)壓力關(guān)系還有其它采空區(qū)的瓦斯向該區(qū)域運(yùn)移。設(shè)計(jì)的地面鉆孔位置在T2291工作面的中部，距工作面開切眼距離約350m，在傾斜方向，鉆孔與進(jìn)、回風(fēng)巷的距離均為69m，見圖1。

圖1 地面鉆孔位置平面示意圖

2.1 地面孔布置方式的確定

根據(jù)對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度的測(cè)定，高度約為15倍采高，導(dǎo)水裂隙上限高度距地表486m。依據(jù)導(dǎo)水即透氣的原理，抽放孔的終孔位置確定在距地表536m。從地面至深177m的鉆孔孔徑為215mm，深177m至470m的孔徑為159mm，深470m至孔底的孔深徑108mm，見圖2。

2.2 終孔位置的確定

在鉆孔按設(shè)計(jì)施工完成后，對(duì)鉆孔上段進(jìn)行了封孔，而孔內(nèi)依然留有積水，最大時(shí)水位升到距孔口390m處，堵塞了瓦斯向孔內(nèi)的流動(dòng)，造成無法抽放。分析原因主要是終孔位過高：在9＃煤層上方40m處為5＃煤層，5＃煤層有遇水膠結(jié)的特點(diǎn)，盡管終孔處于9＃煤層的裂隙帶內(nèi)，但由于5＃煤層遇水膠結(jié)，堵塞了滲水的通路。經(jīng)綜合分析，最終確定終孔位距地表595m，在5＃煤層底板下5m，靠近9＃煤層采空區(qū)冒落帶的邊緣。

2.3 封孔范圍的選擇

確定封孔范圍的依據(jù)為含水層和頂板裂隙的發(fā)育情況。鐵二區(qū)地表以下170m為地表水系范圍，按照既保證瓦斯抽放，又不破壞地表水系的原則，對(duì)170m以上范圍進(jìn)行封孔處理。在距地表370m處還有A含水層，在瓦斯抽采時(shí)還要保證A含水層的水不能威脅井下安全。為全面掌握頂板裂隙的發(fā)育情況，利用數(shù)字全景鉆孔攝像探查了鉆孔內(nèi)孔壁的裂隙情況。攝像資料表明，距地表－466m裂隙開始明顯發(fā)育。在綜合分析了地表水系、A含水層和攝像資料后，最終確定封孔范圍在－470m至地表。

圖2 地面鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.4 鉆孔套管及封孔

鉆孔套管的方式如圖2所示，整個(gè)鉆孔下全程套管，地表以下到177m范圍使用?168mm套管，地表下到470m用?127mm的套管（地表到177m采用雙重管），470m到孔底放置?89mm花管，花管長(zhǎng)145m，與上部?127mm套管搭接20m，花管形式為三花眼，為達(dá)到抽放效果，又避免井下的水害事故，地表至470m范圍?127mm套管管壁與孔壁、地表至177m管壁與管壁之間均使用水泥漿注孔。

2.5 抽放方式

因地面鉆孔位置距離地面老瓦斯抽放管路較近，在地面新鋪設(shè)一條?159mm的管路與岳56管線連接，利用地面固定瓦斯抽放泵房系統(tǒng)進(jìn)行抽放利用。管路采用填埋方式，管線上分別設(shè)置閥門、伸縮節(jié)、泄水器和排空管，管路布置按《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》和《煤氣管道安裝施工技術(shù)操作規(guī)程》執(zhí)行。

2.6 抽放效果及效益

2008年1月工程全部完畢，進(jìn)行正式抽放，瓦斯抽放濃度為50%，流量約為5m3／min，且非常穩(wěn)定。2008年1月至5月抽放量統(tǒng)計(jì)如表1。

表1 2008年1－5月291鉆孔瓦斯抽放量統(tǒng)計(jì)表

唐山礦瓦斯涌出有45%來源于井下封閉的采空區(qū)，回采工作面瓦斯約有75%來源于采空區(qū)。利用地面孔抽放采空區(qū)瓦斯，減少了采空區(qū)瓦斯向巷道內(nèi)涌出，通過調(diào)壓使回采工作面采空區(qū)瓦斯向已封閉采空區(qū)運(yùn)移，對(duì)杜絕瓦斯超限造成的事故起到了關(guān)鍵作用。

3 瓦斯高位抽放鉆孔的應(yīng)用

高位孔抽放理論依據(jù)是回采后礦山壓力在工作面周圍將形成一個(gè)采動(dòng)壓力場(chǎng)，采動(dòng)壓力場(chǎng)和影響范圍在垂直方向分為三個(gè)帶：冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。在水平方向形成三個(gè)區(qū)：煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)和重新壓實(shí)區(qū)。在采動(dòng)壓力場(chǎng)中形成的裂隙發(fā)育空間成為瓦斯聚集和流動(dòng)的通道。利用高負(fù)壓加速裂隙帶瓦斯的流動(dòng)，可以抽出裂隙帶高濃度瓦斯。

3.1 工作面概況

T2195工作面位于唐山礦十三水平，屬8＃、9＃煤層合區(qū)，工作面走向長(zhǎng)度852m，傾斜長(zhǎng)118 m，煤層厚7～12m，工作面中部為一向斜構(gòu)造。采用綜合機(jī)械化放頂煤開采工藝。北部為北翼9＃煤層采空區(qū)，上部48m為5＃煤層采空區(qū)，工作面采用“U＋L”通風(fēng)方式，有效風(fēng)量為16.5m3／s，通風(fēng)及抽放系統(tǒng)見圖3。

2002年5月，T2195工作面推進(jìn)到35m時(shí)，瓦斯涌出量開始逐漸增大，有時(shí)回風(fēng)流瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1.2%，下隅角瓦斯?jié)舛冗_(dá)到3%，最大瓦斯涌出量達(dá)19.8m3／min，多次因瓦斯超限造成停電影響生產(chǎn)，同時(shí)給通防安全管理帶來較大困難和不安全隱患。

圖3 T2195工作面通風(fēng)及抽放系統(tǒng)示意圖

3.2 瓦斯來源分析

通過連續(xù)一周現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其瓦斯來源主要為兩個(gè)部分：一是地質(zhì)構(gòu)造影響，鐵二區(qū)斜穿T2195工作面有一大向斜構(gòu)造，隨工作面的推采逐漸接近向斜軸部，頂板巖層瓦斯賦存量大；二是來自北翼采空區(qū)、上部5＃煤層采空區(qū)和T2195采空區(qū)的瓦斯，當(dāng)工作面周期來壓時(shí)，采空區(qū)頂板大面積冒落，釋放巖層瓦斯，瓦斯涌出比往常增大。

3.3 主要治理措施

當(dāng)工作面出現(xiàn)瓦斯異常涌出后，采取了以下措施：

（1）增大工作面有效風(fēng)量，提高工作面通風(fēng)能力；

（2）調(diào)整工作面的通風(fēng)壓力分布，改變采空區(qū)瓦斯運(yùn)移方向；

（3）在工作面上方的采空區(qū)密閉留管抽放，在工作面上隅角預(yù)埋管進(jìn)行抽放，此時(shí)抽放的混合瓦斯流量7.2m3／min，濃度為3%～5%。

3.4 鄰近巷道高位鉆孔抽放試驗(yàn)

由于該工作面用通風(fēng)方法解決瓦斯超限無安全保障，故決定在該工作面嘗試用高位鉆孔抽放。從T2194輔助回風(fēng)巷沿煤層頂板向T2195施工長(zhǎng)度為212m的高位抽放鉆孔對(duì)T2195采空區(qū)和未采區(qū)進(jìn)行抽放瓦斯試驗(yàn)。

3.4.1 高位鉆孔的參數(shù)確定

因T2195工作面煤層的平均厚度10m，回采后冒落帶高度約為采高的3倍（即30m），裂隙帶高度為采高的3～6倍，故判定頂板上方30～60m為裂隙帶。鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)為：仰角為12～15°，孔深為70m，孔徑為108mm，水泥沙漿封孔，封孔長(zhǎng)度5m。高位孔剖面示意圖見圖4。

圖4 高位鉆孔布置剖面圖

3.4.2 抽放效果

高位孔投入抽放后，測(cè)試鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛仍?9%～63%，鉆孔內(nèi)的瓦斯流量在0.35～0.42 m3／min，純瓦斯流量可達(dá)到3.25m3／min，效果非常明顯，治理前、后各地點(diǎn)瓦斯?jié)舛葘?duì)比情況見表2。

表2 工作面治理前、后各測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛茸兓瘜?duì)比表

采取高位鉆孔抽放瓦斯措施后，從根本上扭轉(zhuǎn)了瓦斯治理的被動(dòng)局面，煤炭日產(chǎn)量由3300t提高到5800～6500t，基本消除了工作面風(fēng)流瓦斯超限隱患。

4 區(qū)域調(diào)壓抽采采空區(qū)瓦斯

唐山礦有130多年的開采史，采空區(qū)已經(jīng)連成一片，在采空區(qū)內(nèi)還留有大量殘余瓦斯，采空區(qū)的瓦斯涌出量對(duì)于礦井瓦斯涌出影響所占比重日益顯著。如果通風(fēng)管理不善，會(huì)造成采空區(qū)瓦斯流向采掘工作面，給煤礦的安全生產(chǎn)造成威脅，制約生產(chǎn)能力的正常發(fā)揮。除生產(chǎn)區(qū)域進(jìn)行瓦斯抽采外，在采空區(qū)瓦斯利用方面也做了大量工作。

圖5 唐山礦西翼通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

4.1 生產(chǎn)區(qū)域與采空區(qū)調(diào)壓

為確保鐵一區(qū)的正?；夭?，通過通風(fēng)壓力調(diào)整，把生產(chǎn)區(qū)域鐵一區(qū)采空區(qū)瓦斯向11水平西翼老采空區(qū)運(yùn)移，西翼系統(tǒng)各采區(qū)已經(jīng)回采結(jié)束，保留有系統(tǒng)巷道，在西翼副巷內(nèi)各密閉預(yù)留管路實(shí)施瓦斯抽放。在11水平西翼系統(tǒng)建立通風(fēng)調(diào)壓室，大巷六橫管外建立三道永久調(diào)節(jié)風(fēng)門，降低西翼系統(tǒng)的通風(fēng)壓力，在副巷建立兩道調(diào)節(jié)風(fēng)門，西翼通風(fēng)系統(tǒng)見圖5。受地面大氣壓力波動(dòng)影響，有時(shí)發(fā)生西翼副巷瓦斯超限、1240總回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛瘸^0.75%，在通防管理上有較大隱患。

4.2 礦井自動(dòng)調(diào)壓裝置

為解決大氣壓力變化對(duì)西翼調(diào)壓系統(tǒng)安全的影響，研制了礦井自動(dòng)調(diào)壓裝置，控制系統(tǒng)設(shè)在礦調(diào)度室監(jiān)測(cè)中心。KJ65監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由監(jiān)控儀、瓦斯傳感器、壓力傳感器和傳輸線路組成。傳輸線路一端連接在電機(jī)上，另一端與KJ65監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相連。在調(diào)壓風(fēng)門設(shè)壓力傳感器，各密閉口設(shè)瓦斯傳感器，監(jiān)測(cè)西翼系統(tǒng)副巷內(nèi)瓦斯和壓力變化。如果氣壓波動(dòng)影響采空區(qū)瓦斯大量涌出，通過監(jiān)控系統(tǒng)在調(diào)度室遠(yuǎn)程操作自動(dòng)調(diào)壓裝置，采用活動(dòng)扇葉偏轉(zhuǎn)角度來決定風(fēng)門調(diào)節(jié)口的面積大小，提高系統(tǒng)通風(fēng)壓力，減少西翼采空區(qū)瓦斯涌出，防止副巷內(nèi)風(fēng)流瓦斯超限，提高礦井的安全可控程度。

4.3 調(diào)壓效果

通過對(duì)西翼自動(dòng)調(diào)壓裝置幾個(gè)月的運(yùn)行觀察，開啟兩檔（共有6檔）就能夠?qū)⒖偦仫L(fēng)巷瓦斯?jié)舛扔?.70%降低到0.48%，調(diào)壓效果非常明顯。以前人員組織到井下完成調(diào)壓需要3h，現(xiàn)在縮短到只需要2min，縮短了調(diào)壓時(shí)間，及時(shí)消除了井下瓦斯超限隱患。西翼系統(tǒng)11水平調(diào)壓室各密閉內(nèi)抽放的瓦斯?jié)舛绕骄_(dá)到55%，直接供給居民生活用氣。

地面大氣壓力變化是不以人的意志為轉(zhuǎn)移的，對(duì)礦井內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)比較脆弱區(qū)域的采空區(qū)內(nèi)瓦斯涌出影響也不可避免。但可以通過調(diào)節(jié)相關(guān)系統(tǒng)的通風(fēng)壓力，削弱大氣壓力對(duì)瓦斯涌出的影響程度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)礦井的安全生產(chǎn)。

5 結(jié)論

（1）在地面打鉆抽采井下煤層瓦斯和采空區(qū)瓦斯是一種非常理想的抽采方式，通常抽放瓦斯?jié)舛群芨?，流量穩(wěn)定，但需要有合適的條件。礦井煤層埋藏淺的煤礦比較適宜地面抽采。

（2）老礦井采空區(qū)內(nèi)賦存著大量的瓦斯，利用調(diào)壓控制采空區(qū)瓦斯流向，然后實(shí)施抽采有利于生產(chǎn)礦井瓦斯治理，對(duì)于安全生產(chǎn)起到很好的保證作用。

（3）高位孔抽放瓦斯是成熟的瓦斯抽放工藝，經(jīng)過在生產(chǎn)中不斷實(shí)踐，取得了明顯效果。高位孔的封孔質(zhì)量、疊加距離均影響瓦斯抽放效果。應(yīng)針對(duì)不同煤層頂板巖性特征，摸索出適合的鉆孔參數(shù)。

［1］ 張鐵崗.礦井瓦斯綜合治理技術(shù)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2001

［2］ 周士寧.煤層瓦斯賦存與流動(dòng)理論［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2001

［3］ 郝天軒，姚春雨.黃陵礦區(qū)二礦高位裂隙鉆孔瓦斯抽采有效性分析［J］.中國煤炭，2010（3）