保德煤礦三盤區(qū)深部瓦斯綜合治理

王 儉

(鄂爾多斯市神東工程設(shè)計(jì)有限公司)

保德煤礦三盤區(qū)深部瓦斯綜合治理

王 儉

(鄂爾多斯市神東工程設(shè)計(jì)有限公司)

結(jié)合保德煤礦瓦斯賦存情況和涌出規(guī)律，提出了三盤區(qū)深部區(qū)瓦斯預(yù)抽方案，對預(yù)抽效果進(jìn)行了預(yù)測。通過效果分析，井上下大直徑對接鉆孔預(yù)抽方案能有效解決采面隅角的瓦斯超限問題，實(shí)現(xiàn)礦井生產(chǎn)過程中瓦斯不超限的目標(biāo)。

瓦斯預(yù)抽 大直徑鉆孔 抽出率 殘存瓦斯含量

保德煤礦井田南北走向長14 km，東西傾向?qū)?.7 km，面積為55.9 km2，煤層傾角平均為5°，可采煤層為4層，目前開采最上部的8#煤層，平均厚6.5 m。開采深度標(biāo)高為+940～+420 m，埋藏深176～380 m。

礦井采用平硐+斜井+立井聯(lián)合開拓，共有8條井筒：6條進(jìn)風(fēng)井、2條回風(fēng)立井。8#煤層以集中大巷、康孫大巷及五盤區(qū)大巷為界把井田劃分為一、二、三、五4個(gè)盤區(qū)。目前在三、五盤區(qū)生產(chǎn)，共有2支綜采隊(duì)、4個(gè)掘錨隊(duì)。采用走向長壁后退式開采，全部垮落法管理頂板，綜合機(jī)械化放頂煤。掘進(jìn)巷道采用掘錨一體化施工。巷道為矩形全煤巷道，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。

礦井采用六進(jìn)兩回分區(qū)抽出式通風(fēng)方式，布置南、北部區(qū)2個(gè)回風(fēng)立井，分別安裝2臺FBCDZ-10-№38型防爆對旋軸流通風(fēng)機(jī)，其中南部區(qū)棗林回風(fēng)立井服務(wù)二、三盤區(qū)，北部區(qū)劉家堰回風(fēng)立井服務(wù)五盤區(qū)，目前礦井總回風(fēng)量為36 000 m3/min左右，礦井絕對瓦斯涌出量為129.03 m3/min，相對瓦斯涌出量為6.08 m3/t，等積孔面積為15.4 m2。

礦井在南、北區(qū)域分別建有地面高、低負(fù)瓦斯抽采系統(tǒng)。其中北部區(qū)地面抽采系統(tǒng)已建成，高負(fù)壓抽采系統(tǒng)裝備2BEC72型水循環(huán)真空泵，額定流量為560 m3/min，對井下煤層超前鉆孔抽采；低負(fù)壓抽采系統(tǒng)裝備2BEC87型水循環(huán)真空泵，額定流量為900 m3/min，對采空區(qū)進(jìn)行抽采。南部區(qū)也建有地面高、低負(fù)壓瓦斯抽放系統(tǒng)，高負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)為2BEC87型水環(huán)泵，額定流量為900 m3/min，主管路直徑為820 mm，對本煤層進(jìn)行預(yù)抽；低負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)為2BEC120型水環(huán)泵，額定流量為1 400 m3/min，主管路直徑為1 020 mm，對采空區(qū)進(jìn)行抽放。在南部區(qū)井下三盤區(qū)布置一套本煤層移動(dòng)預(yù)抽系統(tǒng)和一套采空區(qū)移動(dòng)抽放系統(tǒng)。

1 瓦斯涌出規(guī)律

通過理論分析和現(xiàn)場實(shí)測得出8#煤層瓦斯賦存及涌出規(guī)律：

(1)回采工作面瓦斯涌出量本層占90%，下鄰近層占10%，上鄰近層可忽略不計(jì)。

(2)回采工作面采空區(qū)(頂煤、鄰近層)瓦斯涌出量占60%～70%，煤壁、落煤占30%～40%。

(3)礦井瓦斯風(fēng)化帶下邊界標(biāo)高為+776 m，風(fēng)化帶深170～230 m。

(4)瓦斯含量梯度為2.59 m3/(t·hm)，瓦斯壓力梯度為0.50 MPa/hm。

(5)深部井田邊界標(biāo)高為+500 m，預(yù)測瓦斯含量為8.17 m3/t，預(yù)測最大壓力為1.67 MPa。

(6)8#煤層透氣性系數(shù)為0.17～ 0.8 m2/(MPa2·d)，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為 0.004 7～0.049 1d-1，屬于可抽放煤層。

目前三盤區(qū)生產(chǎn)區(qū)域標(biāo)高為+650 m，實(shí)測瓦斯含量為5 m3/t左右。掘進(jìn)時(shí)瓦斯涌出量有時(shí)出現(xiàn)不均衡，通過實(shí)測 81309掘進(jìn)百米巷道瓦斯涌出量最大為6 m3/min，平均為2.1 m3/min，瓦斯涌出不均衡系數(shù)為2.8。三盤區(qū)正開采的81305工作面瓦斯絕對涌出量為16.46 m3/min，相對涌出量為1.48 m3/t。

五盤區(qū)大巷已延伸到井田邊界(標(biāo)高為+542 m)，實(shí)測瓦斯最大壓力為0.4 MPa；目前三盤區(qū)正在掘進(jìn)的81309回順(標(biāo)高為+640～+650 m)，實(shí)測最大瓦斯壓力為1.1 MPa左右。隨著三盤區(qū)開采深度的增加(井田邊界標(biāo)高為+500 m)，煤層瓦斯含量、壓力會(huì)不斷增大。經(jīng)過對8#煤層開采范圍(五盤區(qū)+540 m以上，二、三盤區(qū)在+660 m以上)內(nèi)瓦斯突出危險(xiǎn)性鑒定，瓦斯最大壓力地點(diǎn)為三盤區(qū)+660 m標(biāo)高，壓力為0.96 MPa。五盤區(qū)4項(xiàng)指標(biāo)均未達(dá)到臨界值，二、三盤區(qū)全部指標(biāo)未達(dá)到或超過其臨界值，鑒定結(jié)果為非突出。

2 三盤區(qū)瓦斯治理技術(shù)措施

2.1 掘進(jìn)面

采用雙巷掘進(jìn)，配備2×45 kW或2×55 kW局部通風(fēng)機(jī)和φ800 mm風(fēng)筒供風(fēng)，每85 m施工采聯(lián)巷，實(shí)施“見二閉一”封閉方案，隨著聯(lián)巷的封閉，形成了全風(fēng)壓與局部通風(fēng)相結(jié)合的通風(fēng)系統(tǒng)。為了降低煤層瓦斯壓力和含量，掘進(jìn)開口前，先從大巷用千米定向鉆機(jī)施工走向順層千米鉆孔超前預(yù)抽，掘進(jìn)時(shí)堅(jiān)持超前預(yù)抽。一是在順槽正幫每600 m施工一個(gè)鉆場，每個(gè)鉆場施工與巷道平行的2個(gè)800 m主孔，2個(gè)700 m分支孔，鉆孔間距為10 m，第一個(gè)鉆孔與巷幫間距為15 m；二是在每個(gè)掘進(jìn)聯(lián)巷內(nèi)施工5個(gè)120 m的短鉆孔。2種鉆孔邊施工邊聯(lián)管預(yù)抽，降低瓦斯壓力，減少掘進(jìn)期間瓦斯涌出量。

為了確保安全，在工作面掘進(jìn)過程中，每85 m測一次工作面原始煤層的瓦斯壓力，每50 m驗(yàn)證一次工作面壓力，當(dāng)壓力低于0.74 MPa時(shí)方可掘進(jìn)。

2.2 回采面

回采面提前2 a以上形成備用面，然后在切眼和主回撤通道內(nèi)施工走向順層千米鉆孔，對于回采面中部，在膠運(yùn)順槽內(nèi)施工傾向順層上下行鉆孔預(yù)抽，鉆孔間距為5 m，保證工作面回采前預(yù)抽時(shí)間不少于1.5 a?；夭蛇^程預(yù)抽的同時(shí)，利用大管徑、大流量抽采系統(tǒng)對采空區(qū)插管抽采[1-3]。

目前回采面采用三進(jìn)二回“U+L”型通風(fēng)方式，走向順層千米鉆孔和傾向順層上行鉆孔預(yù)抽、采空區(qū)抽采、風(fēng)排治理瓦斯，工作面配風(fēng)量為1 600～ 2 500 m3/min。

3 瓦斯治理方案

3.1 治理方案的選取

目前盡管三盤區(qū)深部實(shí)施了井下本煤層瓦斯預(yù)抽，但根據(jù)礦井生產(chǎn)規(guī)模及接續(xù)安排，受采掘巷道制約，預(yù)抽鉆場巷道不能及時(shí)施工，導(dǎo)致工作面回采前預(yù)抽期僅為1.5～2 a，回采前預(yù)抽率僅為10%～18%，達(dá)不到相關(guān)規(guī)定，從而抽、掘、采接續(xù)失衡，限制了礦井的安全高效生產(chǎn)。根據(jù)抽采達(dá)標(biāo)要求，深部區(qū)實(shí)現(xiàn)抽采達(dá)標(biāo)，需要提前預(yù)抽3～5 a以上，才能把瓦斯含量降至4 m3/t以下，否則只能降低產(chǎn)量才能確保安全[4-5]。

為了實(shí)現(xiàn)礦井安全高效生產(chǎn)，防止高瓦斯礦井升級為突出礦井，必須加大預(yù)抽力度，延長預(yù)抽期，降低瓦斯壓力和含量，為此提出2種方案。

方案一：調(diào)整生產(chǎn)接續(xù)，降低產(chǎn)量，按保德煤礦現(xiàn)有鉆孔施工方式進(jìn)行預(yù)抽，雖然成本低，但降低了礦井產(chǎn)量，回采前預(yù)抽率難以達(dá)標(biāo)。

方案二：實(shí)施井上下大直徑鉆孔預(yù)抽，延長了預(yù)抽期，不影響礦井產(chǎn)量，8#煤層預(yù)抽的同時(shí)，可以提前預(yù)抽11#煤層瓦斯，回采前預(yù)抽率能夠達(dá)標(biāo)，但初期成本高。

通過比較，選取方案二。

3.2 井上下大直徑鉆孔預(yù)抽技術(shù)方案

3.2.1 地面鉆孔與井下鉆孔單獨(dú)施工的預(yù)抽方案

3.2.1.1 地面鉆孔施工預(yù)抽

沿每個(gè)工作面傾向施工地面垂直生產(chǎn)井作為瓦斯抽采和排水通道，然后根據(jù)可以實(shí)現(xiàn)的造斜半徑，在邊界工作面施工水平井；水平井進(jìn)入目標(biāo)煤層后分支鉆進(jìn)，與地面垂直生產(chǎn)井對接，形成羽狀布置，以擴(kuò)大鉆孔影響范圍進(jìn)行預(yù)抽。施工方案示意見圖1。

圖1 地面鉆孔施工示意

3.2.1.2 井下鉆孔施工預(yù)抽

按現(xiàn)有的順層鉆孔進(jìn)行預(yù)抽。

優(yōu)點(diǎn)：①地面鉆孔工程在地面進(jìn)行，無需占用井下巷道；②井下煤層鉆進(jìn)工程量相對較小。

缺點(diǎn)：①需要辦理地面井場征地手續(xù)；②抽采期短，鉆孔利用率低，全部鉆進(jìn)工程安排與保德煤礦采掘接續(xù)計(jì)劃同步，降低了礦井產(chǎn)量；③回采前預(yù)抽率難以達(dá)標(biāo)；④成本相對高，造價(jià)昂貴。

3.2.2 井上下大直徑對接鉆孔的抽采方案

通過地面鉆孔與井下長距離定向鉆孔對接，實(shí)現(xiàn)多工作面、多煤層聯(lián)合瓦斯預(yù)抽。

優(yōu)點(diǎn)：①大區(qū)域、長時(shí)間、高效率預(yù)抽，擴(kuò)大了預(yù)抽范圍，延長了預(yù)抽期；②解決了下行鉆孔積水問題；③地面鉆孔相對少，減少了巖石段鉆進(jìn)工程量；④提高了鉆孔利用率和瓦斯抽采效率，預(yù)抽率能夠達(dá)標(biāo)；⑤預(yù)抽8#煤層的同時(shí)，可以提前預(yù)抽11#煤層瓦斯；⑥抽采成本低。

缺點(diǎn)：①需要辦理地面井場征地手續(xù)；②地形復(fù)雜，設(shè)備進(jìn)場難度大；③施工工藝要求較高，精確施工難度大。

通過比較，大直徑井上下對接鉆孔抽采方案更能符合煤礦需求。

三盤區(qū)深部瓦斯治理范圍主要包括81309、81310、81311、81312、81313、81314、81315工作面以及該7個(gè)工作面下層11#煤相對應(yīng)的工作面，該項(xiàng)目分兩步實(shí)施：先對81309、81310、81311工作面以及下層11#煤相對應(yīng)范圍內(nèi)的煤層瓦斯賦存參數(shù)進(jìn)行測試，并根據(jù)參數(shù)制定切實(shí)可行的井上下長距離鉆孔對接預(yù)抽方案，并組織實(shí)施驗(yàn)證，提交瓦斯治理可行性研究報(bào)告；根據(jù)前3個(gè)工作面以及下層11#煤層瓦斯治理成果，對81313、81314、81315工作面以及下層11#煤相對應(yīng)的范圍提出可行的瓦斯綜合治理實(shí)施方案。其次，根據(jù)可行性研究報(bào)告、抽采實(shí)際情況和實(shí)施方案再組織實(shí)施其他工作面預(yù)抽鉆孔。

地面鉆孔布置在81312工作面距回風(fēng)順槽80 m位置，間距為280 m。每口井有3個(gè)作用，一是作為參數(shù)井獲取地層資料和瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)資料；二是作為抽采井抽排治理區(qū)域瓦斯；三是作為采空區(qū)井抽采81312工作面開采期間采空區(qū)瓦斯。另外，在治理區(qū)域南部邊界布置一組下行定向鉆孔，該組鉆孔為二級鉆孔，以抽采邊界區(qū)域煤層瓦斯。方案示意見圖2。

圖2 下向鉆孔施工示意

3.3 井上下鉆孔施工設(shè)計(jì)

目標(biāo)區(qū)域的可抽瓦斯量根據(jù)目標(biāo)抽出率

(25%)核算，鉆孔密度按可以實(shí)現(xiàn)的瓦斯抽采期、統(tǒng)計(jì)的平均百米鉆孔流量和瓦斯流量衰減調(diào)整系數(shù)計(jì)算得出[6-7]。

鉆孔工程量公式為

(1)

式中，T為鉆孔工程量，m；kp為目標(biāo)區(qū)域抽采率，25%；Qk為可抽瓦斯量，8 231 560 m3；D為抽采期，43個(gè)月；qh為百米平均瓦斯流量，0.018 m3/min；η為流量衰減調(diào)整系數(shù)，取0.9。

鉆孔間距計(jì)算公式為

(2)

式中，L為鉆孔間距，m；S為治理區(qū)域長度，240 m；Sl為工作面長度，2 500 m。

計(jì)算結(jié)果為鉆孔間距21.93 m，鉆孔數(shù)量114個(gè)，鉆孔總工程量27 354 m，。

由于以上計(jì)算中使用的百米流量為礦統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，且深部煤層瓦斯含量等基礎(chǔ)參數(shù)為理論推測數(shù)據(jù)，同時(shí)考慮各類其他不確定因素的存在，三盤區(qū)深部8#煤井下長距離定向鉆孔設(shè)計(jì)間距取20 m，以確保瓦斯抽采達(dá)到預(yù)期目標(biāo)；鑒于11#煤抽采期相對較長，11#煤井下長距離定向鉆孔設(shè)計(jì)間距暫按40 m考慮。

根據(jù)長距離定向鉆孔可以實(shí)現(xiàn)的定向鉆進(jìn)曲率，確定將81309工作面井下鉆孔分為8組，每組對應(yīng)一口地面鉆孔。平均每口地面鉆孔控制井下鉆孔14個(gè)，控制范圍為280 m。

考慮81310、81311與81309工作面錯(cuò)開布置，在81310工作面1#回風(fēng)順槽施工初期可以按上述方法布置2組鉆孔及2口地面鉆孔，對81310和81311工作面停采線區(qū)域煤層進(jìn)行采前預(yù)抽。因此，確定本方案地面鉆孔數(shù)量為10口，設(shè)計(jì)井距為280 m。

3.4 抽采效果預(yù)測

本方案以煤層瓦斯抽出率和煤層殘存瓦斯含量2項(xiàng)指標(biāo)評價(jià)瓦斯抽采效果。預(yù)測效果見表1。

表1 預(yù)測效果

從表1可看出，經(jīng)過43個(gè)月預(yù)抽，81309工作面煤層瓦斯抽出率可達(dá)到29%，煤層殘存瓦斯含量為3.78 m3/t；經(jīng)過60個(gè)月預(yù)抽，81310工作面煤層瓦斯抽出率可達(dá)到37%，煤層殘存瓦斯含量為3.69 m3/t；經(jīng)過75個(gè)月預(yù)抽，81311工作面煤層瓦斯抽出率達(dá)到42%，煤層殘存瓦斯含量為3.66 m3/t。

4 結(jié) 論

根據(jù)瓦斯涌出情況提出了井上下大直徑鉆孔預(yù)抽技術(shù)方案，采用井上下對接鉆孔抽采，地面鉆孔數(shù)量為10口，設(shè)計(jì)井距為280 m。通過對礦井瓦斯的綜合治理，工作面回采前平均預(yù)抽率達(dá)10%～18%，回采期間抽采率達(dá)70%，礦井瓦斯抽采率為45%，單位鉆孔量為0.01～0.02 m/t(單面最大鉆孔量已達(dá)15萬 m以上)；百米鉆孔抽采量普通短鉆孔為0.002～0.008 m3/hm，千米鉆孔為0.02～0.08 m3/hm；高負(fù)壓預(yù)抽瓦斯?jié)舛绕骄?0%以上，低負(fù)壓采空區(qū)瓦斯抽采濃度3%～5%，低負(fù)壓合理抽采混合流量在350～650 m3/min。瓦斯綜合治理方案有效解決了采面隅角的瓦斯超限問題，防止礦井深部瓦斯突出，實(shí)現(xiàn)了礦井生產(chǎn)過程中瓦斯不超限的目標(biāo),保證了礦井安全高效生產(chǎn)。

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2015-07-17)

王 儉(1980—)，男，工程師，017209 內(nèi)蒙古鄂爾多斯。