經(jīng)坊煤業(yè)3號(hào)煤層瓦斯抽采技術(shù)研究與應(yīng)用

申建偉

（山西長(zhǎng)治經(jīng)坊莊子河煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 047100）

0 引言

在煤炭資源的開采過(guò)程中，存在著許多威脅安全生產(chǎn)的因素，瓦斯事故時(shí)有發(fā)生，且造成的損失是非常嚴(yán)重的，極大地限制了礦井安全高效生產(chǎn)，降低了生產(chǎn)效率。因此，針對(duì)具體礦井瓦斯進(jìn)行抽采，避免發(fā)生瓦斯事故是我國(guó)高瓦斯礦井中亟待解決的問(wèn)題[1-3]。

武瑞龍[4]采用多種瓦斯抽采方式解決了近距離三軟煤層U型通風(fēng)工作面瓦斯問(wèn)題；李奇[5]針對(duì)回采工作面上隅角瓦斯集聚區(qū)域進(jìn)行了瓦斯抽采治理，有效解決了瓦斯超限問(wèn)題?，F(xiàn)針對(duì)鎮(zhèn)城底礦22208工作面瓦斯治理問(wèn)題進(jìn)行具體研究。

1 礦井概況

經(jīng)坊煤業(yè)位于山西省長(zhǎng)治市，批準(zhǔn)開采3號(hào)煤層，生產(chǎn)規(guī)模3 Mt/a，3-602工作面位礦井井田西北部，工作面傾斜長(zhǎng)度200 m，走向長(zhǎng)度1 600 m。3號(hào)煤層厚4.24～6.52 m，平均6 m，采用一次采全高采煤方法。頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 3號(hào)煤層頂?shù)装鍘r層分布表

北翼的七采區(qū)和八采區(qū)工作面瓦斯涌出量都大于5 m3/min，且八采區(qū)工作面是全礦井工作面中瓦斯涌出量最大的，七采區(qū)即將回采完畢，因此，礦井抽采設(shè)計(jì)以瓦斯涌出最大的八采區(qū)為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，整個(gè)瓦斯抽采系統(tǒng)服務(wù)于3號(hào)煤層。

2 瓦斯抽采方案選擇

經(jīng)坊煤業(yè)開采3號(hào)煤層，根據(jù)抽采方法的選擇原則以及經(jīng)坊煤業(yè)煤層的賦存、瓦斯來(lái)源等特點(diǎn)，確定主要針對(duì)本煤層、鄰近層和采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采。根據(jù)回采過(guò)程中瓦斯涌出的不同來(lái)源，本次設(shè)計(jì)采用的抽采方法見表2。

表2 抽采方案選擇

3 工作面瓦斯抽采設(shè)計(jì)

3.1 工作面開采層抽采

1）抽采鉆孔布置。3號(hào)煤層回采工作面采用“U”型通風(fēng)，選擇雙側(cè)鉆孔抽采本煤層瓦斯。設(shè)計(jì)在回順施工順層鉆孔，開孔高度為巷道底板以上1.5 m，在運(yùn)順施工上向傾斜鉆孔，開孔高度為巷道底板以上1.5 m。瓦斯預(yù)抽鉆孔施工完成后迅速連接管路進(jìn)行預(yù)抽。抽采鉆孔布置見圖1，鉆孔技術(shù)參數(shù)見表3。

圖1 回采工作面瓦斯抽采鉆孔布置平面圖

表3 回采工作面預(yù)抽、邊采邊抽瓦斯鉆孔技術(shù)參數(shù)表

2）封孔工藝。鉆孔采用“兩堵一注”封孔方式，采用一次性囊袋注漿裝置進(jìn)行封孔。具體為采用2個(gè)囊袋封堵注漿孔，2個(gè)囊袋中間設(shè)置有1段塑料管，首先向囊袋注漿，漿液被擠壓至中部塑料管，塑料管開有注漿口，通過(guò)塑料管注漿進(jìn)入鉆孔，封孔深度12 m。封孔管為直徑90 mm的軟管（阻燃、抗靜電），再用鎧裝膠管連接到支管上，再連接到干管上，最后到達(dá)地面泵房。

3.2 現(xiàn)采空區(qū)瓦斯抽采設(shè)計(jì)

3.2.1 高位鉆孔抽采現(xiàn)采空區(qū)瓦斯

現(xiàn)采空區(qū)瓦斯高位鉆孔抽采技術(shù)是采用沿回風(fēng)順槽布置鉆場(chǎng)，在鉆場(chǎng)內(nèi)施工高位鉆孔在裂隙帶內(nèi)抽采瓦斯。3號(hào)煤層高位鉆孔及鉆場(chǎng)布置見圖3。

圖3 高位鉆孔抽采及鉆孔布置示意圖

1）抽采方法：在回采工作面回風(fēng)順槽內(nèi)向回采工作面裂隙帶施工迎面鉆孔，通過(guò)裂隙帶抽采現(xiàn)采空區(qū)瓦斯。

2）鉆場(chǎng)施工：沿工作面回風(fēng)順槽每隔35 m布置1個(gè)鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)寬5 m，深4.5 m，高3 m，第一個(gè)鉆場(chǎng)距工作面切眼70 m，其它鉆場(chǎng)每隔35 m 1個(gè)。

3）鉆孔布置：每個(gè)鉆場(chǎng)共10個(gè)抽采鉆孔，雙排布置，每排5個(gè)，鉆孔布置見圖3，具體參數(shù)見表4。

圖3 3號(hào)煤層采空區(qū)抽采示意圖

表4 高位鉆孔技術(shù)參數(shù)表

3.2.2 封孔工藝

鉆孔施工時(shí)，采用φ113 mm鉆頭，孔長(zhǎng)80～93 m，封孔長(zhǎng)度為12 m。在孔內(nèi)插入φ90 mm的雙抗軟管作為抽采瓦斯管。封孔采用“兩堵一注”封孔方法進(jìn)行封孔。為提高抽采瓦斯鉆孔的抽采瓦斯量，防止鉆孔垮孔、堵孔，影響抽采效果，頂板孔內(nèi)可采用鐵套管固孔，以提高鉆孔的密封性，每施工完成1個(gè)鉆孔后立即進(jìn)行封孔。

3.3 老采空區(qū)瓦斯抽采設(shè)計(jì)

根據(jù)3號(hào)煤層瓦斯涌出量預(yù)測(cè)報(bào)告，老采空區(qū)瓦斯涌出量較大，為了防止老采空區(qū)瓦斯擴(kuò)散到采掘工作面，因此要進(jìn)行瓦斯抽采。在老采空區(qū)封閉墻上插入抽采支管進(jìn)行抽采，具體抽采方法見圖3。

4 瓦斯抽采量預(yù)計(jì)

4.1 本煤層鉆孔預(yù)抽瓦斯量

1）根據(jù)2013年《山西省長(zhǎng)治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司3號(hào)煤層瓦斯基本參數(shù)測(cè)定》報(bào)告：煤層瓦斯壓力標(biāo)高+540～+560 m為0.09～0.12 MPa，煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.018 d-1，百米鉆孔初始瓦斯涌出量為0.034 m3/min·100 m。鉆孔在不同時(shí)間t內(nèi)可抽采的瓦斯總量（Qt）和鉆孔抽采有效系數(shù)（K）按下式計(jì)算：

式中：K為鉆孔抽采有效系數(shù)，%；t為抽采時(shí)間，d；α為鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)，d-1；q0為百米鉆孔初始瓦斯涌出量，m3/min·100 m；Qj為鉆孔極限瓦斯涌出量，Qj=1 440×q0/α，m3；Qt為百米鉆孔在t時(shí)間內(nèi)可抽瓦斯總量，m3。

計(jì)算結(jié)果如下表：

表5 不同抽采時(shí)間鉆孔抽采瓦斯量及抽采有效系數(shù)

由上述計(jì)算結(jié)果可知，預(yù)抽時(shí)間為6個(gè)月時(shí)，抽采有效系數(shù)達(dá)到最大。抽采影響范圍由下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：M為煤層平均厚度，m；L為鉆孔有效長(zhǎng)度，m；γ為煤的平均容量；D為鉆孔抽采影響范圍（直徑），m；X為煤層瓦斯含量；η為鉆孔抽采影響范圍內(nèi)的瓦斯抽采率，%。

代入相關(guān)參數(shù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果如下表：

表6 不同鉆孔抽采影響范圍內(nèi)的瓦斯抽采率

考慮到我國(guó)開采層預(yù)抽瓦斯目前的實(shí)際水平，本著既要減少鉆孔工程量又要保證抽采效果的原則，確定3號(hào)煤層鉆孔預(yù)抽時(shí)間為6個(gè)月，鉆孔間距為3 m。

2）單孔瓦斯抽采量。回采工作面單孔每分鐘平均抽采量：

3）鉆孔數(shù)量與間距。3號(hào)煤層回采面工作面推進(jìn)有效長(zhǎng)度1 132 m，設(shè)計(jì)施工雙側(cè)鉆孔，設(shè)計(jì)鉆孔間距3 m，共施工754個(gè)鉆孔，孔深110 m。

4）回采、準(zhǔn)備工作面最大瓦斯預(yù)抽量。煤層準(zhǔn)備工作面最大瓦斯預(yù)抽量為：754×0.011=8.36 m3/min。

根據(jù)《煤礦瓦斯抽放規(guī)范》規(guī)定，回采工作面在采動(dòng)卸壓條件下邊采邊抽的抽采量按照回采面預(yù)抽的50%計(jì)算：3號(hào)煤層回采工作面邊采邊抽：8.36×50%=4.18 m3/min。

4.2 高位鉆孔瓦斯抽采量

經(jīng)坊煤業(yè)七采區(qū)正在回采，并且已利用井下移動(dòng)抽采系統(tǒng)，采用高位鉆孔方法進(jìn)行現(xiàn)采空區(qū)瓦斯抽采，泵站運(yùn)行負(fù)壓為25 kPa，主管抽采濃度在5%～12%，根據(jù)已有抽采流量和純量數(shù)據(jù)，確定3號(hào)煤層回采面現(xiàn)采空區(qū)的瓦斯抽采量為3.3m3/min。

4.3 采空區(qū)瓦斯抽采量

根據(jù)《關(guān)于山西省長(zhǎng)治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司3號(hào)煤層3.0 Mt/a瓦斯涌出量預(yù)測(cè)的批復(fù)》，礦井采空區(qū)瓦斯涌出量為16.94 m3/min，為防止老采空區(qū)瓦斯涌出，需采用全封閉采空區(qū)方法抽采老采空區(qū)瓦斯。

根據(jù)《煤礦瓦斯抽放規(guī)范》規(guī)定及其它條件類似礦井的經(jīng)驗(yàn)，老采空區(qū)瓦斯抽采取4 m3/min，則3號(hào)煤層抽采2個(gè)老采空區(qū)抽采量為2×4=8 m3/min。

5 現(xiàn)場(chǎng)瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)

經(jīng)坊煤業(yè)3-807工作面通過(guò)實(shí)施上述瓦斯抽采方案實(shí)施，抽采期間，本煤層鉆孔瓦斯抽采量平均為6.48 m3/min，高位鉆孔抽采量平均為3.2 m3/min，每個(gè)老采空區(qū)鉆孔抽采量平均為3.8 m3/min。隨著工作面的推進(jìn)監(jiān)測(cè)工作面瓦斯?jié)舛?，在工作面回采過(guò)程中，瓦斯?jié)舛然痉€(wěn)定在0.4%～0.7%之間，有效防止了瓦斯聚集問(wèn)題。

6 結(jié)論

針對(duì)3號(hào)煤層瓦斯含量較大的問(wèn)題，進(jìn)行瓦斯抽采技術(shù)研究，并進(jìn)行了應(yīng)用，得到了如下結(jié)論：

1）通過(guò)理論分析和工程經(jīng)驗(yàn)確定3號(hào)煤層采用本工作面預(yù)抽及邊采邊抽、現(xiàn)有采空區(qū)高位鉆孔抽采、老采空區(qū)全封閉插管抽采等3中抽采方式。

2）通過(guò)理論計(jì)算確定了3種抽采方式的預(yù)計(jì)抽采量分別為：本工作面最大預(yù)抽8.36 m3/min、邊采邊抽4.18 m3/min、采空區(qū)高位鉆孔抽采3.3 m3/min、老采空區(qū)抽采4 m3/min。

3）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)井下應(yīng)用瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)，瓦斯?jié)舛缺３衷?.4%～0.7%，有效防止了瓦斯聚集，可以保證工作面的安全生產(chǎn)。