淺談新陸煤礦瓦斯治理技術(shù)實踐

李彥軍

（黑龍江龍煤鶴崗礦業(yè)有限責(zé)任公司新陸煤礦，黑龍江 鶴崗 154100）

0 引言

新陸煤礦為高瓦斯礦井，瓦斯絕對涌出量10.48 m3/min，相對涌出量7.8 m3/t。通風(fēng)方式為中央并列式，通風(fēng)方法為抽出式。礦井總?cè)腼L(fēng)量9 217 m3/min，總回風(fēng)量9 333 m3/min，回風(fēng)瓦斯?jié)舛?.04%，抽采瓦斯量7.05 m3/min，礦井抽采率67%。地面建有瓦斯抽采泵站一處，安裝1套2臺2BEC60型瓦斯抽采泵，額定流量300 m3/min；井下建有瓦斯抽采泵站一處，安裝1套2臺2BEA-353-0型瓦斯抽采泵，額定流量90 m3/min。四水平二分段南11層位于-650～-700 m標(biāo)高，采深為935～985 m，走向530 m，傾斜125 m，平均煤厚8 m，儲量740 000 m3，瓦斯儲量3 400 000 m3。西部為-650南11層里部區(qū)已采完；東部為未開拓區(qū)及-700 m等高線；南部為新陸煤礦邊界線未開拓區(qū)；北部為-650南11層一區(qū)。采煤方法為走向長壁式全部垮落法，采煤工藝為綜采放頂煤，回掘工藝為炮掘。煤層自然發(fā)火傾向是自燃防火煤層，煤塵爆炸指數(shù)為34.48%～38.67%，具有爆炸危險傾向性，工作面評價為無沖擊危險。

1 瓦斯治理實踐

根據(jù)瓦斯地質(zhì)資料，該區(qū)域預(yù)測為無煤與瓦斯突出危險性、預(yù)測采煤工作面瓦斯涌出量為6 m3/min，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層有f1、f2、f3正斷層，采掘工作面在斷層附近施工時，加強瓦斯防治工作。掘進期間利用移動泵對預(yù)抽鉆孔進行抽采，開采期間利用地面瓦斯抽采泵對高位、仰角、埋管等抽采，實現(xiàn)高低負(fù)壓分源抽采。

2 巖巷掘進期間瓦斯治理

1）物探與鉆探結(jié)合，探清瓦斯與地質(zhì)。由地測部門利用超前地質(zhì)探測儀K DZ1114-6A30進行物探，每80 m進行1次超前地質(zhì)探測。掘進期間每隔40 m施工1個鉆場，鉆場規(guī)格為長4 m，寬4 m，高2.8 m，每個鉆場施工5個超前地質(zhì)鉆孔，鉆孔長度60 m，超前工作面20 m。在工作面施工3個5 m探眼，對前方地質(zhì)、瓦斯、水等探測清楚。

2）測定瓦斯參數(shù)。在-650 m水平回風(fēng)石門和-700 m水平運輸石門首次揭煤前，測定該區(qū)域煤層原始瓦斯壓力Pmax=0.12 MPa、原始瓦斯含量Wmax=4.57 m3/t、堅固性系數(shù)fmin=0.3，煤的破壞類型為Ⅲ類，瓦斯放散初速度△Pmax=7.65，濕樣鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2=120，確定該區(qū)域無突出危險性。在-700運輸石門內(nèi)利用相對壓力法測定瓦斯抽采半徑，確定抽采影響半徑為r=6 m/40 d，抽采有效半徑為r=3 m/d，為預(yù)抽鉆孔布置提供有效數(shù)據(jù)支持。

3）預(yù)抽煤層瓦斯。在運輸上山距揭煤最近鉆場內(nèi)根據(jù)測定抽采半徑均勻布置8個穿層預(yù)抽鉆孔，鉆孔控制范圍為巷道輪廓線外20 m，鉆孔長度平均60 m。在灌漿道內(nèi)施工5個穿層預(yù)抽鉆孔，鉆孔終孔控制范圍切眼往外至回風(fēng)石門，鉆孔長度平均70 m。穿層鉆孔終孔穿過煤層頂板2 m，開孔孔徑113 mm，終孔孔徑94 mm，全孔下“?32篩管”，兩堵一注帶壓封孔，封孔長度15 m。抽采流量20～30 m3/min，抽采濃度3%～10%，抽采純流量0.6～3 m3/min，抽采負(fù)壓15 kPa以上，預(yù)抽瓦斯80 000 m3。（穿層鉆孔平、剖面圖如圖1、2所示）

圖1 穿層鉆孔、超前鉆孔平面示意圖

4）嚴(yán)格執(zhí)行揭煤措施，安全揭煤。

3 煤巷掘進期間瓦斯治理

1）風(fēng)排瓦斯。工作面施工期間利用2×15 kW功率風(fēng)機供風(fēng)，設(shè)計風(fēng)量210 m3/min，實際風(fēng)量240 m3/min，回風(fēng)瓦斯?jié)舛?.1%，風(fēng)排瓦斯量0.2 m3/min。

2）瓦斯抽采。上下兩巷掘進期間每隔40 m施工1個預(yù)抽鉆場，鉆場規(guī)格為長4 m，寬4 m，高2.8 m，每個鉆場施工8個鉆孔，鉆孔長度平均50 m，鉆孔分上下2排布置，下排鉆孔終孔位置位于工作面頂板上方5 m，上排鉆孔終孔位置位于工作面頂板上方10 m，開孔孔徑113 mm，終孔孔徑94 mm，全孔下“Ф32 mm篩管”，兩堵一注帶壓封孔，封孔長度20 m。掘進期間施工鉆場26個/104 m，施工鉆孔208個/10 468 m。平均抽采流量15～25 m3/min，平均抽采濃度5%～12%，平均抽采純流量0.8～3 m3/min，抽采負(fù)壓15 kPa以上，預(yù)抽瓦斯280 000 m3。（超前鉆孔平、剖面圖如圖1、圖2所示）

圖2 穿層鉆孔、超前鉆孔剖面示意圖

4 開采期間瓦斯治理

采煤工作面的瓦斯來源是采空區(qū)涌出及暴露煤壁、采落碎煤的瓦斯涌出。來自工作面暴露煤壁的瓦斯混入風(fēng)流后是無法分離的，成為不可控制并必須由風(fēng)流帶走的瓦斯，來自采空區(qū)的瓦斯是可以控制其流動方向的。工作面瓦斯治理的重點是采空區(qū)瓦斯的治理。因此，開采期間主要利用風(fēng)排排出暴露煤體瓦斯和高位鉆場鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯。

1）風(fēng)排瓦斯。采煤工作面設(shè)計風(fēng)量480 m3/min，實際回風(fēng)風(fēng)量500 m3/min，回風(fēng)瓦斯?jié)舛?.1%～0.2%，風(fēng)排瓦斯0.5～1 m3/min。

2）初采期間瓦斯抽采。初采時，由于沒有形成一定的采空負(fù)壓區(qū)，高位抽采很難解決工作面和上隅角瓦斯問題，由抽采管路出三通接設(shè)一趟?280 mm抽采管路至切眼上隅角，管路尖頭、豎立并透氣，在工作面開采后上隅角碼煤袋子墻，形成負(fù)壓區(qū)，結(jié)合已經(jīng)施工完成的灌漿道穿層鉆孔聯(lián)合抽采。

3）開采期間瓦斯抽采。主要采取高位鉆場鉆孔和埋管抽采（抽采平、剖面示意圖見圖3）。

圖3 高位、穿層鉆孔、埋管抽采平、剖面示意圖

沿風(fēng)道走向每隔50 m施工高位鉆場1個，沿煤層坡度施工至頂板，掘送巖石平鉆場，鉆場規(guī)格長6 m，寬4 m，高2.8 m。每個高位鉆場布置12個高位鉆孔，鉆孔平面走向位置超過現(xiàn)工作面15 m，傾向位置為上隅角向下30 m范圍。鉆孔分上下2排布置，上排鉆孔終孔垂直距煤層頂板5～10 m，下排鉆孔終孔垂直距煤層頂板10～20 m。鉆機型號為ZDY-2300（300 m），鉆桿94 mm×800 mm，開孔孔徑133 mm，終孔孔徑94 mm，孔深50～130 m，封孔15 m。利用2排管路進行對抽，根據(jù)高位抽采實踐效果，繪制瓦斯抽采效果曲線，總結(jié)分析得出在工作面采至距離高位鉆場10～20 m處時，抽采濃度和流量逐漸衰減，將進行下一個高位鉆場鉆孔抽采。每隔30 m埋設(shè)一趟Φ280 mm抽采管路，安裝控制閥門。施工高位鉆場147 m布置10條，施工高位鉆孔15 460 m布置120個，抽采瓦斯2 680 000 m3。

4）過高位期間瓦斯抽采。主要采取高位鉆場封永久密閉、高位鉆場埋管、高位鉆孔、仰角鉆孔相結(jié)合綜合瓦斯治理方法。首先在上山6 m處施工第1道板閉、噴碹，再碼3 m長袋子墻，碼嚴(yán)碼實后緊貼墻壁施工第2道板閉、噴碹；在高位鉆場和上山高頂往外接設(shè)一排抽采埋管；在高位鉆場高頂處留設(shè)一排Φ103 mm進風(fēng)孔（觀測孔）；在2道板閉袋子墻間留2個Φ51 mm注灰孔注灰。封閉后對抽采埋管進行抽采，將進風(fēng)孔打開，防止高位鉆場和上山內(nèi)瓦斯積聚（高位鉆場封閉示意圖如圖4所示）。

圖4 高位鉆場封閉示意圖

工作面采至與高位鉆場距離20 m時，在風(fēng)道距離高位鉆場10～20 m處施工一組仰角鉆孔，每組施工4～6個鉆孔，鉆孔終孔位置位于穿過工作面采空區(qū)內(nèi)，鉆孔由高位鉆場及上山頂部經(jīng)過，采過高位鉆場及上山時，鉆孔能夠有效抽采巷道內(nèi)瓦斯。（仰角鉆孔平、剖面示意圖如圖5所示）

圖5 仰角鉆孔平、剖面示意圖

封閉后，閉內(nèi)形成負(fù)壓區(qū)，可提高瓦斯抽采效果，與原風(fēng)排過高位時，平均抽采純流量提高0.8 m3/min，抽采量增加300 000 m3。高位鉆場封永久密閉后，減少巷道維護、抽采鉆孔、管路維護工程量。工作面開采到高位鉆場后，由于上山封閉巷道外留有3 m距離，工作面正常超前維護，可不用破閉、風(fēng)排瓦斯過高位。與風(fēng)排瓦斯過高位鉆場技術(shù)相比，節(jié)約了礦井風(fēng)量。封永久密閉后，減少上山煤巷內(nèi)供氧，減少因采動影響或鉆孔封孔不嚴(yán)等因素造成采空區(qū)供氧，對防火工作有利。

5）過斷層構(gòu)造期間瓦斯抽采。工作面瓦斯涌出異常時，除正常高位、埋管抽采外，還可增大回風(fēng)風(fēng)量，利用灌漿道采空區(qū)鉆孔抽采，施工仰角鉆孔抽采，調(diào)整瓦斯抽采負(fù)壓、流量等參數(shù)，提高抽采效果。

6）瓦斯治理效果。上排鉆孔平均抽采流量25～30 m3/min，抽采濃度11%～15%，抽采純流量3～4.5 m3/min，下排鉆孔平均抽采流量25～30 m3/min，抽采濃度4%～7%，抽采純流量1～2 m3/min。高位抽采混合流量50～60 m3/min，平均濃度10%，抽采純瓦斯量平均5～6 m3/min；回風(fēng)瓦斯保持0.1%～0.2%，工作面絕對瓦斯涌出量5.5～7 m3/min，工作面瓦斯抽采率一直在70%以上，瓦斯抽采達(dá)標(biāo)。

4 結(jié)論

1）松軟厚煤層綜采放頂煤頂板走向高位大孔徑長鉆孔抽采效果明顯，超過仰角、順層等其他邊采邊抽鉆孔抽采效果，降低瓦斯治理成本。由于煤層松軟，施工仰角、順層鉆孔容易出現(xiàn)塌孔、夾鉆現(xiàn)象，鉆孔角度較大，長鉆孔很難施工到位，封孔容易發(fā)生漏氣造成抽采負(fù)壓小，易造成發(fā)火隱患，且鉆場布置數(shù)量較多。而高位鉆場抽采在頂板巖石鉆場中施工鉆孔至采煤工作面采空區(qū)內(nèi)，從而減少采空區(qū)內(nèi)瓦斯向工作面及上隅角涌出的瓦斯量，鉆孔為全巖，不塌孔，鉆孔施工深度長，孔徑大，封孔嚴(yán)密，鉆場布置數(shù)量少，高位鉆孔抽采流量、負(fù)壓、濃度都遠(yuǎn)超于仰角、順層等鉆孔抽采效果。

2）高位鉆孔抽采，上排抽采鉆孔（終孔距煤層頂板10～20 m）抽采效果比下排（終孔距煤層頂板5～10 m）鉆孔效果好。隨著工作面推進，采空區(qū)內(nèi)頂板會隨之跨落，從而形成三帶，自煤層由下向上一次產(chǎn)生跨落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，高位上排鉆孔最佳抽采效果在距工作面80～30 m，終孔位于裂隙帶內(nèi)；下排鉆孔最佳抽采效果在距工作面120～80 m，終孔位于采空區(qū)冒落帶內(nèi)。因瓦斯密度比空氣小，采空區(qū)內(nèi)瓦斯向上漂移，移至頂板裂隙中時，將其中的空氣排擠出，從而裂隙帶中瓦斯?jié)舛容^大、純度高等特點，因此上排鉆孔抽采瓦斯效果較好。

3）施工穿層、超前預(yù)抽鉆孔，使用圓弧形三棱鉆桿施工提高成孔率。由于受煤層松軟、地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯壓力等因素影響，普通圓鉆桿排煤粉比較困難，積壓在孔內(nèi)，造成塌孔、夾鉆、卡鉆現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致鉆桿彎曲、斷裂，拔不出來，鉆孔打不深、打不直。圓弧形三棱鉆桿利用三角形穩(wěn)定和弧形鉆桿摩擦力小的原理，利用高壓風(fēng)排渣，通道比較暢通，施工速度較快，采用了“圓弧形凸棱”設(shè)計，抗扭曲和拆彎曲能力強、鉆桿直線性好，不易出現(xiàn)斷桿、脫絲等現(xiàn)象，安裝方便，減輕勞動強度，成孔率較高。

4）“兩堵一注”帶壓封孔技術(shù)，提高瓦斯抽采效果?！皟啥乱蛔ⅰ睅鹤{方法的優(yōu)點是實現(xiàn)了鉆孔壁注漿，漿液固結(jié)后支護鉆孔，注漿壓力足夠大，漿液在膨脹力的作用下進入鉆孔壁裂隙進行封堵，凝固后的注漿材料膨脹力可以使鉆孔封孔段周圍形成高應(yīng)力區(qū)，減少漏氣通道，提高封孔段的密閉性。通過實踐,結(jié)果表明“兩堵一注”帶壓封孔技術(shù)減少了鉆孔的漏氣量,平均提高瓦斯抽采濃度3%,平均每孔提高抽采流量0.025 m3/min。穿層、超前預(yù)抽鉆孔通過全孔下篩管技術(shù)實踐后，使孔內(nèi)有足夠的瓦斯流通通道，瓦斯抽采濃度和抽采純量均能明顯增高。

5）綜采放頂煤工作面過高位期間采取高位鉆場封永久密閉、高位鉆場埋管、高位鉆孔、仰角鉆孔相結(jié)合綜合瓦斯治理方法，不僅提高了瓦斯抽采效果，而且減少了破閉風(fēng)排瓦斯、巷道維護等工程施工和日常管理環(huán)節(jié)，杜絕了工作面發(fā)火隱患，保證采煤工作面順利采過高位鉆場安全生產(chǎn)。

6）通過長期對氣壓變化和瓦斯抽采參數(shù)、瓦斯涌出量的觀察和測量，總結(jié)分析地面大氣壓力變化與井下工作面瓦斯涌出量變化之間關(guān)系和規(guī)律，為工作面瓦斯防治工作提供有效數(shù)據(jù)支持。

7）“兩堵一注”帶壓封孔、高位鉆孔抽采、高位鉆場封閉等工程不僅保證瓦斯治理到位，為防火工作便利條件，達(dá)到耦合災(zāi)害治理效果，節(jié)約災(zāi)害治理成本。灌漿道施工穿層鉆孔可用作瓦斯抽采鉆孔，在采過20 m后可以注水、灌漿、注氮；揭煤前施工穿層鉆孔，揭煤后可用作注水孔循環(huán)注水；抽采埋管還可以兼作注氮、注水、灌漿等管路，達(dá)到防火效果，實現(xiàn)一巷多用、一孔多用、一管多用。