綜合瓦斯治理技術(shù)在杜兒坪礦的應(yīng)用

王俊虎

(山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)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(chǎn)量大幅度增長(zhǎng)，傳統(tǒng)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(jià)值。如何實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采最大化始終是瓦斯治理需研究的課題。我國(guó)瓦斯抽放大致經(jīng)歷了4個(gè)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(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效礦井工作面的安全生產(chǎn)，施行綜合瓦斯抽放技術(shù)成為必然趨勢(shì)。綜合瓦斯治理方式特點(diǎn)為時(shí)間上超前、空間上立體、技術(shù)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(duì)瓦斯抽采效果具有直接影響[4-5]. 對(duì)于低透氣性高瓦斯煤層超前施工預(yù)抽鉆孔，同時(shí)采取增透措施，可有效促進(jìn)煤層瓦斯解析，縮短瓦斯抽采達(dá)標(biāo)所需預(yù)抽時(shí)間，有效緩解礦井銜接緊張，實(shí)現(xiàn)高瓦斯工作面低瓦斯?fàn)顟B(tài)開采[6-7]. 在回采過程中，受采動(dòng)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(shí)施工上下鄰近層鉆孔，對(duì)煤層瓦斯進(jìn)行全方位抽采。在綜合瓦斯抽放技術(shù)實(shí)施的全過程，始終貫穿“以孔代巷”思路，進(jìn)一步降低瓦斯治理成本，縮短瓦斯抽采工期，以實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采可行性、有效性、經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一[8-9].

1 礦井基本概況

山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司杜兒坪礦于1956年建礦，2016年礦井核定生產(chǎn)能力385萬(wàn)t/a.可采煤層為2#、3#、6#、7#、8#、9#煤，現(xiàn)采2#、3#、8#煤層。礦井采用多風(fēng)井分區(qū)通風(fēng)方式，機(jī)械抽出式通風(fēng)方法，有9個(gè)進(jìn)風(fēng)井和4個(gè)回風(fēng)井，礦井總進(jìn)風(fēng)量為35 969 m3/min，總回風(fēng)量為36 710 m3/min. 采煤工作面均采用“U”型通風(fēng)系統(tǒng)，掘進(jìn)工作面均采用壓入式通風(fēng)。地面建有北石溝瓦斯抽放站，安裝5臺(tái)2BEC-72型水環(huán)式真空泵，其中高濃系統(tǒng)3臺(tái)(1運(yùn)2備)，低濃系統(tǒng)2臺(tái)(1運(yùn)1備)。高、低濃兩趟系統(tǒng)采用本煤層、高抽巷、采空區(qū)和區(qū)域預(yù)抽進(jìn)行抽采。

礦區(qū)煤層瓦斯呈現(xiàn)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(shì)。2018年礦井瓦斯等級(jí)鑒定：礦井絕對(duì)瓦斯涌出量169.23 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量26.26 m3/t. 其中北七2#煤盤區(qū)絕對(duì)瓦斯涌出量8.84 m3/min，北三下組煤盤區(qū)絕對(duì)瓦斯涌出量95.2 m3/min，南九上組煤盤區(qū)8.34 m3/min，南十2#煤盤區(qū)5.71 m3/min，北五2#煤盤區(qū)34.27 m3/min，其他盤區(qū)16.87 m3/min. 各煤層瓦斯基本參數(shù)及抽放指標(biāo)參數(shù)見表1，2.

表1 煤層瓦斯基本參數(shù)表

表2 煤層瓦斯抽放指標(biāo)參數(shù)表

2 綜合瓦斯抽采技術(shù)的應(yīng)用

針對(duì)礦井不同煤層的瓦斯賦存狀況特點(diǎn)，不同的開采巷道布置和開采技術(shù)，不同的瓦斯來(lái)源和治理要求，根據(jù)多年的瓦斯治理經(jīng)驗(yàn)，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(hù)孔等技術(shù)的應(yīng)用，開展低透氣性、松軟煤層大面積區(qū)域預(yù)抽；推進(jìn)切頂護(hù)巷技術(shù)，構(gòu)成高位大孔徑鉆孔代替高抽巷、同層位本煤層采前預(yù)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(jié)合的綜合立體抽采方式，實(shí)現(xiàn)高瓦斯礦井低瓦斯?fàn)顟B(tài)開采，達(dá)到“以抽促用，以用促抽”的良性循環(huán)。

2.1 長(zhǎng)距離順層鉆孔區(qū)域預(yù)抽

針對(duì)礦井瓦斯含量大、衰減系數(shù)大、透氣性差等特點(diǎn)，為充分降低煤層瓦斯含量，提高預(yù)抽效果，礦井在整體銜接安排上，制定了“三區(qū)聯(lián)動(dòng)”規(guī)劃，提出在未采區(qū)域施工區(qū)域瓦斯預(yù)抽巷，在巷道兩幫施工長(zhǎng)距離順層鉆孔。工程完工后，封閉巷道進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間預(yù)抽，預(yù)抽時(shí)間保證在3年以上，既可以保證瓦斯抽采和抽采濃度的穩(wěn)定，為瓦斯利用提供可靠的氣源，也可以通過長(zhǎng)時(shí)間的抽采，克服煤層透氣性差、衰減快的缺點(diǎn)，進(jìn)而充分提高煤層抽采量，還可以簡(jiǎn)化通風(fēng)系統(tǒng)，降低風(fēng)排瓦斯量。

68305預(yù)抽巷兩側(cè)施工本煤層鉆孔，鉆孔設(shè)計(jì)平面示意圖見圖1,共計(jì)鉆孔498個(gè)，進(jìn)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(yù)抽，到工作面回采前預(yù)抽時(shí)間達(dá)到8年，抽采瓦斯總量累計(jì)達(dá)到2 480萬(wàn)m3，煤層瓦斯含量從9.77 m3/t降低到5.5 m3/t，預(yù)抽率達(dá)到44%.

圖1 68305瓦斯預(yù)抽巷本煤層鉆孔設(shè)計(jì)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(qū)集聚大量的瓦斯，其中部分瓦斯會(huì)涌向工作面，因此抽采裂隙帶瓦斯對(duì)于工作面瓦斯治理也是一項(xiàng)技術(shù)手段。根據(jù)多年來(lái)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(nèi)，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(gè)，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(gè)，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(shí)間可達(dá)到1.5個(gè)月。62515工作面傾向頂板鉆孔設(shè)計(jì)示意圖見圖2.

圖2 62515工作面傾向頂板鉆孔設(shè)計(jì)示意圖

2.3 高抽巷+裂隙鉆孔與巷道-鉆孔聯(lián)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(bǔ)了高抽巷層位不足的問題，抽采效果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。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(gè)，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(dá)到15 m3/min. 北三8#煤盤區(qū)回采工作面高抽巷鉆孔設(shè)計(jì)示意圖見圖3，4.

圖3 北三8#煤盤區(qū)回采工作面高抽巷鉆孔設(shè)計(jì)平面示意圖

圖4 北三8#煤盤區(qū)回采工作面鉆孔設(shè)計(jì)剖面示意圖

2.4 CO2預(yù)裂與水力壓裂增透

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

在北三68310回風(fēng)巷進(jìn)行CO2預(yù)裂增透技術(shù)，預(yù)裂間距為10 m，隔一個(gè)鉆孔預(yù)裂一個(gè)，通過預(yù)裂后鉆孔濃度穩(wěn)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(wěn)定了抽采濃度。68310回風(fēng)巷大孔徑高位鉆孔布置剖面示意圖見5.

圖5 68310回風(fēng)巷大孔徑高位鉆孔布置剖面示意圖

在北一皮帶大巷試驗(yàn)水力壓裂增透技術(shù)，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(hù)層進(jìn)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(gè)月，單孔濃度穩(wěn)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(jìn)行壓裂的鉆孔，壓裂增透效果好，可以進(jìn)行推廣使用。

2.5 瓦斯抽采“以孔代巷”

在工作面回風(fēng)巷施工鉆場(chǎng)，使用ZDY15000LD型履帶大功率定向鉆機(jī)施工長(zhǎng)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(nèi)積聚的高濃度瓦斯。 通過使用該技術(shù)，在穩(wěn)定抽采高濃度瓦斯的同時(shí)，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(fēng)巷，引進(jìn)Z90/120型大直徑履帶坑道鉆機(jī)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(tǒng)進(jìn)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(jī)施工方案圖見圖6.

圖6 大直徑履帶式坑道鉆機(jī)施工方案圖

3 結(jié) 論

杜兒坪礦通過不斷豐富礦井瓦斯抽采工藝，對(duì)不同煤層采用不同的瓦斯抽采方式，并在實(shí)際過程中分析抽采工藝的使用效果，引進(jìn)吸收瓦斯治理新工藝、新技術(shù)，新設(shè)備，完善各項(xiàng)瓦斯治理措施，提升礦井瓦斯綜合治理水平，實(shí)現(xiàn)了高瓦斯礦井低瓦斯?fàn)顟B(tài)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(chǎn)。