玉溪煤礦煤與瓦斯共采模式探討

吳錦旗，李 棟

（1.山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西 晉城 048214；2.山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

關(guān)健詞：煤與瓦斯共采；模糊綜合評(píng)價(jià)；開發(fā)模式；地面井；穿層鉆孔；順層鉆孔

0 引言

煤與瓦斯是同源共生的2種能源，瓦斯既是煤礦開采過程中的一種災(zāi)害氣體，也是一種優(yōu)質(zhì)的清潔能源。我國(guó)埋深2 000 m以淺的瓦斯地質(zhì)資源儲(chǔ)量約36.81×1 013 m3，與陸上常規(guī)天然氣資源量相當(dāng)（38×1 013 m3），其中，可采煤層氣資源總量10×1 013 m3，占煤層氣總儲(chǔ)量的27.12%[1-2]。煤與瓦斯共采已經(jīng)成為煤礦行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。目前，我國(guó)比較成熟的煤與瓦斯共采技術(shù)主要有3類：第1類是“先采氣、后采煤、采煤采氣一體化”的三區(qū)聯(lián)動(dòng)井上下聯(lián)合抽采的晉城模式[3-9]。第2類是“保護(hù)層卸壓開采”的淮南模式[1,10-18]。第3類是“以穿層鉆孔抽采為主、順層鉆孔抽采和采空區(qū)抽采為輔”的松澡模式[19]。煤與瓦斯如何協(xié)調(diào)共采，不同地質(zhì)條件、不同開采時(shí)期采用何種煤與瓦斯共采技術(shù)是目前困擾煤炭企業(yè)的主要技術(shù)問題。

1 玉溪煤礦概況

玉溪煤礦位于山西省高平市沁水縣胡底鄉(xiāng)，井田面積29.79 km2，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力2.40 Mt/a，服務(wù)年限50.7a，采用斜井開拓方式，全井田布置主斜井、副斜井、進(jìn)風(fēng)立井和回風(fēng)立井4個(gè)井筒。

玉溪煤礦為煤與瓦斯突出礦井，井田主采3號(hào)煤層，平均厚度5.85 m，頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，局部為細(xì)粒砂巖，底板為泥巖；煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，全區(qū)可采，為穩(wěn)定型可采煤層，局部柱狀圖如圖1所示。根據(jù)地勘及已揭露區(qū)域的測(cè)定結(jié)果，煤層堅(jiān)固性系數(shù)在0.45～1.09之間，煤層透氣性系數(shù)0.103 2～26.58 m2/MPa2.d，最大原始瓦斯含量25.59 m3/t，最高原始瓦斯壓力2.90 MPa。除了局部區(qū)域煤層存在軟煤分層外，整體而言，3號(hào)煤層具有煤質(zhì)硬、瓦斯含量高、瓦斯壓力大、煤層透氣性高等特點(diǎn)。

圖1 局部綜合柱狀圖

2 煤與瓦斯共采方案

2.1 保護(hù)層開采

保護(hù)層開采[20,21]是煤與瓦斯共采技術(shù)措施中最簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)有效的方式，如圖2所示。保護(hù)層開采措施的優(yōu)點(diǎn)是防突效果均勻、安全可靠性高。其缺點(diǎn)為必須是煤層群開采，且具備保護(hù)層開采的條件，全國(guó)只有30%左右的礦區(qū)具備保護(hù)層開采的條件。

圖2 保護(hù)層開采示意圖

玉溪煤礦為單一厚煤層開采，在3號(hào)煤層有效保護(hù)垂距內(nèi)不存在厚度0.5m及以上的煤層，不具備保護(hù)層開采條件。

朱濤等[32]通過室內(nèi)試驗(yàn)分析了寬級(jí)配礫質(zhì)土的壓實(shí)特性，結(jié)果表明，寬級(jí)配礫質(zhì)土擊實(shí)時(shí)干密度和含水率關(guān)系曲線呈上凸的拋物線型，具有一個(gè)最優(yōu)含水率。擊實(shí)后的最大干密度隨著礫石含量的增加先迅速增大，后又開始逐漸減小。隨著礫石含量的增加，其最優(yōu)含水率先逐漸減小，后基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 地面井抽采

地面井技術(shù)[22-24]最初是作為煤層氣規(guī)模開發(fā)技術(shù)，在美國(guó)獲得了巨大成功。上世紀(jì)90年代，晉煤集團(tuán)引進(jìn)該技術(shù)率先在沁水盆地進(jìn)行試驗(yàn)，并取得成功，如圖3所示。地面井預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施的優(yōu)點(diǎn)是：①服務(wù)周期長(zhǎng)；②能實(shí)現(xiàn)一井多用，有效解決瓦斯抽采時(shí)空限制；③有助于提高井下順層鉆孔抽采效果。缺點(diǎn)為：①投資成本高，預(yù)抽降低煤層瓦斯含量相對(duì)較慢；②單井施工周期長(zhǎng)。地面井預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施適用于煤層埋藏深度適中，井田地形地貌條件良好，煤層透氣性好的地質(zhì)條件。

2.4.2 順層長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施

圖3 地面井開采示意圖

玉溪煤礦3號(hào)煤層埋藏深度400～600 m、瓦斯含量高、透氣性較好，有利于進(jìn)行地面井開采。

開采中期（5-10），實(shí)行井上下聯(lián)合抽采，加速瓦斯抽采進(jìn)程。充分發(fā)揮“地面壓裂工藝”與“井下定向長(zhǎng)鉆孔”2種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)疊加。根據(jù)晉城礦區(qū)的應(yīng)用效果，抽采效果比單純的地面抽采井，提高了4倍多；井下鉆孔控制區(qū)域和地面壓裂影響區(qū)域的預(yù)抽時(shí)間，縮短了一半以上。地面井布置按300 m×300 m井間距布置，煤層瓦斯含量每年降低1.5～2 m3/t。工作面采、掘之前，均需要進(jìn)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)，當(dāng)預(yù)測(cè)結(jié)果為無突出危險(xiǎn)性時(shí)，可以根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》、《煤礦安全規(guī)程》進(jìn)行采、掘作業(yè)。當(dāng)預(yù)測(cè)結(jié)果為有突出危險(xiǎn)性時(shí)，應(yīng)采用順層鉆孔預(yù)抽區(qū)段煤層瓦斯區(qū)域消突措施。

圖4 玉溪煤礦地面井區(qū)域防突鉆井布置示意圖

2.3 井下穿層鉆孔抽采

穿層鉆孔預(yù)抽瓦斯防突措施是在巖石巷道中向開采層施工鉆孔穿透煤層全厚進(jìn)行瓦斯預(yù)采，如圖5所示[25]。

圖5 穿層鉆孔抽采示意圖

穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施的優(yōu)點(diǎn)是：①穿層鉆孔施工靈活、方便，適應(yīng)性強(qiáng)；②安全程度高、便于效果檢驗(yàn)。缺點(diǎn)是：①巖巷掘進(jìn)、鉆孔施工進(jìn)度慢；②抽采工程施工成本高。穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施的適用于無保護(hù)層開采、突出危險(xiǎn)性高、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的地質(zhì)條件。

由于玉溪煤礦3號(hào)煤層瓦斯壓力和瓦斯含量均高，在開采初期，可考慮采用井下穿層鉆孔抽采。

2.3.1 盤區(qū)大巷抽采技術(shù)

每一個(gè)人，當(dāng)要過另一種生活時(shí)，必然也有另一種結(jié)局在等他。這是當(dāng)時(shí)的貨倉(cāng)管理員上廁所時(shí)所料想不到的。而斬殺他的指鹿為馬的趙高，亦逃不了“夷三族”的下場(chǎng)。

圖6 盤區(qū)大巷工作面區(qū)域防突措施布置圖

2.3.2 首采、準(zhǔn)備工作面掘進(jìn)巷道抽采技術(shù)

順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯是通過在煤層巷道中施工順層鉆孔從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域消突的預(yù)抽技術(shù)，如圖8所示。順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施的優(yōu)點(diǎn)為：①順層鉆孔均為煤孔，鉆孔利用率高；②鉆孔布孔均勻，可有效避免空白帶；③抽采工程成本較低。④可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鄰近未掘區(qū)域的預(yù)抽。缺點(diǎn)為：①順層鉆孔均為煤孔，容易塌孔；②施工安全性低。順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯措施主要適用于煤層賦存穩(wěn)定、煤層透氣性好的地質(zhì)條件。

圖7 首采、準(zhǔn)備工作面順槽區(qū)域防突措施布置圖

2.4 井下順層鉆孔抽采

首采及準(zhǔn)備工作面采用穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯措施進(jìn)行東西兩翼首采面順槽、切眼的區(qū)域防突。在工作面順槽掘進(jìn)之前，在進(jìn)風(fēng)順槽和回風(fēng)順槽下方20 m，外錯(cuò)35 m各布置1條底板抽采巷，在底板抽采巷中施工鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)覆蓋一定的煤巷掘進(jìn)范圍。鉆孔施工完畢必須全部穿透煤層；考慮大傾角鉆孔施工影響，鉆孔實(shí)際施工深度在30～120 m之間。鉆孔布置方式如圖7所示。

圖8 順層鉆孔抽采示意圖

玉溪煤礦煤層硬度高、透氣性好，比較適合采用順槽鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯。

針對(duì)非首采工作面掘進(jìn)巷道，隨著首采工作面順槽的掘進(jìn)，在順槽后方具備條件時(shí)，采用定向鉆機(jī)或全方位大功率液壓鉆井施工順層鉆孔實(shí)施接替工作面及接替工作面順槽掘進(jìn)巷道的瓦斯預(yù)抽。施工的順層鉆孔采用鉆場(chǎng)扇型施工或巷道內(nèi)平行鉆孔施工，如圖9所示。

2.4.1 非首采工作面掘進(jìn)巷道抽采

步態(tài)選擇方面，選取穩(wěn)定性高的三角步態(tài)作為四足機(jī)器人在斜面上的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，并采用LF-RH-RF-LH的腿部運(yùn)動(dòng)順序以獲得最優(yōu)的穩(wěn)定裕度[6]。本文的運(yùn)動(dòng)步態(tài)時(shí)序圖如圖3所示。其中，黑色矩形表示腿部處于支撐相，白色矩形表示腿部處于擺動(dòng)相。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 運(yùn)用SPSS 24.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，計(jì)量資料以表示，數(shù)據(jù)比較采用t檢驗(yàn)，P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖9 非首采工作面區(qū)域防突措施布置示意圖

記者從廣東省海上搜救中心獲悉，11月17日，一艘汕頭籍貨輪“鴻泰16”航經(jīng)粵東惠來海域遭遇寒潮大風(fēng)貨艙進(jìn)水沉沒，船上11名船員全部成功獲救。

順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯是通過在煤層巷道中施工順層鉆孔從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域消突的預(yù)抽技術(shù)，近年來，隨著千米鉆機(jī)的開發(fā)，長(zhǎng)距離定向鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯技術(shù)得到了推廣應(yīng)用，玉溪煤礦在盤區(qū)東西瓦斯抽放巷道內(nèi)施工順層長(zhǎng)鉆孔對(duì)非首采面順槽進(jìn)行區(qū)段消突，以便縮短達(dá)標(biāo)時(shí)間，如圖10所示。

綜上所述，刀盤形狀和刀片形狀對(duì)割草機(jī)工作過程中流場(chǎng)及扭矩等有重要影響，刀尾一側(cè)以一定角度上揚(yáng)的異形刀片在節(jié)能提效上有較明顯優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際割草機(jī)節(jié)能優(yōu)化工作中可優(yōu)先考慮。

圖10 非首采工作面掘進(jìn)巷道區(qū)域防突方案布置示意圖

2.5 順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯

礦井東西兩翼首采工作面分別為首采、準(zhǔn)備工作面，以首采工作面為例，工作面長(zhǎng)200 m，平均采高5.85 m，采用順層鉆孔作為區(qū)域防突措施，即在首采工作面進(jìn)風(fēng)順槽和回風(fēng)順槽布置順層鉆孔，鉆孔要覆蓋回采工作面全部區(qū)域及煤層全厚，不留空白帶，遇到地質(zhì)構(gòu)造帶，應(yīng)適當(dāng)增加鉆孔密度。如圖11所示。

盤區(qū)巷道掘進(jìn)前，根據(jù)盤區(qū)巷道與中央大巷的相對(duì)關(guān)系，設(shè)計(jì)利用煤層底板下20 m位置已施工完成的中央大巷布置鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)內(nèi)施工穿透煤層全厚的穿層鉆孔。實(shí)際抽采中，投產(chǎn)前可縮短鉆孔間距通過增加鉆孔密度以縮短抽放時(shí)間，投產(chǎn)后有充足抽采時(shí)間時(shí)可適當(dāng)擴(kuò)大鉆孔間距以減少鉆孔工程量。鉆孔布置方式如圖6所示。

圖11 順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域防突方案布置示意圖

3 開采中、后期煤與瓦斯共采模式

受“兩權(quán)分立”影響，玉溪井田范圍內(nèi)采氣權(quán)歸中國(guó)石油天然氣股份有限公司，并由其分公司負(fù)責(zé)地面煤層氣開發(fā)，截止目前玉溪井田范圍內(nèi)由中石油施工地面井共計(jì)122口，包括直井、叢式井、水平分支井、斜井均有分布，如圖4所示。

唐山地處環(huán)渤海灣中心地帶，西部和南部分別與北京和天津兩大直轄市毗鄰，聯(lián)接華北、東北兩大地區(qū)，唐山是從清末洋務(wù)運(yùn)動(dòng)走來的具有百年歷史的沿海工業(yè)重鎮(zhèn)。

開采后期（10年以后），全面實(shí)施地面井抽采，有計(jì)劃地推進(jìn)高突礦井向瓦斯礦井轉(zhuǎn)化。實(shí)現(xiàn)地面井在“消除突出、獲取地質(zhì)勘探資料、采前抽、采動(dòng)抽、采后抽”中的“一井五用”。按照300 m×300 m的井間距布置，能夠?qū)崿F(xiàn)煤與瓦斯突出區(qū)域全面消突。

4 結(jié)論

通過分析玉溪煤礦煤層賦存情況，采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)幾種方案進(jìn)行對(duì)比，得出如下結(jié)論：

1）在玉溪煤礦開采前期（5年以內(nèi)）采用井下穿層鉆孔結(jié)合順層鉆孔的煤與瓦斯共采模式。

程式化社會(huì)技能訓(xùn)練模式方便、易操作，重復(fù)性好，對(duì)不同訓(xùn)練者來說，也較統(tǒng)一規(guī)范，有較強(qiáng)的可操作性。對(duì)精神分裂癥住院綜合征患者開展系統(tǒng)、規(guī)范的程式化社會(huì)技能訓(xùn)練，能有效改善患者的臨床癥狀，減少?gòu)?fù)發(fā)，提高患者的社會(huì)功能，對(duì)促進(jìn)患者的康復(fù)及早日回歸社會(huì)起到了積極有效的作用。

2）開采中期（5-10年）采用地面井與井下順層鉆孔抽采相結(jié)合的煤與瓦斯共采模式。

3）開采后期（10年以后）全面實(shí)施地面井抽采，有計(jì)劃地推進(jìn)高突礦井向瓦斯礦井轉(zhuǎn)化。