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。通風方式為中央并列式，通風方法為抽出式。礦井總?cè)腼L量9 217 m3/min，總回風量9 333 m3/min，回風瓦斯?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)域預測為無煤與瓦斯突出危險性、預測采煤工作面瓦斯涌出量為6 m3/min，地質(zhì)構(gòu)造復雜，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，為預抽鉆孔布置提供有效數(shù)據(jù)支持。

3）預抽煤層瓦斯。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個穿層預抽鉆孔，鉆孔終孔控制范圍切眼往外至回風石門，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，抽采負壓15 kPa以上，預抽瓦斯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）風排瓦斯。工作面施工期間利用2×15 kW功率風機供風，設(shè)計風量210 m3/min，實際風量240 m3/min，回風瓦斯?jié)舛?.1%，風排瓦斯量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，抽采負壓15 kPa以上，預抽瓦斯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流后是無法分離的，成為不可控制并必須由風流帶走的瓦斯，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）風排瓦斯。采煤工作面設(shè)計風量480 m3/min，實際回風風量500 m3/min，回風瓦斯?jié)舛?.1%～0.2%，風排瓦斯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)形成負壓區(qū)，可提高瓦斯抽采效果，與原風排過高位時，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、風排瓦斯過高位。與風排瓦斯過高位鉆場技術(shù)相比，節(jié)約了礦井風量。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，還可增大回風風量，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，瓦斯抽采達標。

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，封孔嚴密，鉆場布置數(shù)量少，高位鉆孔抽采流量、負壓、濃度都遠超于仰角、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，達到耦合災害治理效果，節(jié)約災害治理成本。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，達到防火效果，實現(xiàn)一巷多用、一孔多用、一管多用。