綜放工作面精細化瓦斯抽采技術實踐

任重先

（山西省長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西 長治 047100）

經(jīng)坊煤業(yè)屬高瓦斯礦井。礦井絕對、相對瓦斯涌出量分別為17.38 m3/min、2.86 m3/t，采煤、掘進工作面最大絕對瓦斯涌出量分別為13.65 m3/min、1.02 m3/min。由于礦井地質(zhì)條件復雜，煤層賦存厚，穩(wěn)定性、透氣性差等因素影響，導致井下現(xiàn)場瓦斯抽采鉆孔施工困難，瓦斯抽采效果較差。因此，亟需對礦井瓦斯抽采技術實現(xiàn)精細化管理，以達到提高礦井瓦斯抽采效果，保證礦井安全生產(chǎn)的目的[1]。

1 礦井抽放瓦斯方法

1.1 鉆孔施工及封孔工藝

礦井目前主要采用回采工作面順層抽放和掘進工作面順層、穿層預抽，加之采用采空區(qū)抽放相配合。鉆孔施工設備及封孔工藝如表1所示。

表1 鉆孔設備及封孔工藝情況

1.2 瓦斯流量測定

瓦斯流量通過V 錐流量計測定壓差，計算瓦斯抽放混合流量，通過光干涉甲烷傳感器對抽放管道內(nèi)瓦斯?jié)舛冗M行測定，從而可以計算得到抽放瓦斯的純量。

1.3 瓦斯泵站運行情況

泵站低負壓20 kPa，瓦斯?jié)舛?%左右，標況純流量3.2 m3/min 左右。高負壓25 kPa，瓦斯?jié)舛?.8%左右，標況純流量約2.3 m3/min，工作面瓦斯抽采率35%，礦井抽放率25%。

1.4 瓦斯抽采優(yōu)化的必要性

（1）盡管已在回采巷道掘進期間對工作面進行過預抽，但因工作面回采期間截割速度時快時慢、煤壁片幫滾幫等情況影響，大量瓦斯會涌入工作面，易造成瓦斯超限，對工作面正?；夭勺鳂I(yè)帶來較大隱患。

（2）工作面周期來壓期間，因頂板變形垮落嚴重，會造成煤巖體的內(nèi)生裂隙進一步被壓擠，相應地瓦斯所在空間也會在短時間內(nèi)被嚴重壓擠，從而引起短時間內(nèi)大量瓦斯涌出，加之礦井采用負壓通風方式，將可能導致回風隅角等地點發(fā)生瓦斯超限，為工作面安全生產(chǎn)帶來很大隱患[2]。

（3）因工作面回風隅角位置同采場煤壁、采空區(qū)的距離都很近，容易造成風流速度過低，可能導致局部風流產(chǎn)生渦流現(xiàn)象。該現(xiàn)象不利于瓦斯抽放，嚴重時會導致回風隅角瓦斯積聚超限。

2 礦井抽放瓦斯方案改進

盡管目前礦井所采用的抽放方法能夠在一定程度上緩解瓦斯抽放問題，但因礦井所開采煤層屬于單一低透氣性高瓦斯煤層，礦井瓦斯抽放效果不理想，瓦斯超限情況時有發(fā)生。為有效應對礦井瓦斯抽放難題，根據(jù)目前實踐研究成果及煤層瓦斯賦存特點，確定采用密鉆孔、高負壓抽放并配合相鄰采空區(qū)抽放的綜合瓦斯抽放方法，具體不同類型的抽采方法如表2所示。

表2 礦井抽放方法選擇統(tǒng)計

3 開采層瓦斯抽放優(yōu)化

3.1 順層鉆孔設計優(yōu)化

順層鉆孔布置參數(shù)與瓦斯抽放效果密切相關。目前礦井所開采煤層埋深范圍為450～550 m，由于礦壓較大，導致抽放鉆孔變形和堵孔等現(xiàn)象時有發(fā)生，加之煤層屬于單一低透氣性高瓦斯煤層，因此瓦斯抽放效果不佳。設計將順槽鉆孔間距由2.5～3 m 優(yōu)化為1.5 m，孔徑由65 mm 加大為75 mm。工作面長度為200 m，運輸巷抽放鉆孔與巷道夾角為90°，鉆孔傾角為煤層傾角+2°，長度為110 m；回風巷抽放鉆孔與巷道夾角為90°，鉆孔傾角同煤層傾角一致，長度為110 m，以防止出現(xiàn)瓦斯抽放盲區(qū)。

3.2 鉆孔施工工藝優(yōu)化

（1）鉆孔提前進入煤層頂?shù)装逶蚍治黾邦A防措施

在施工順層鉆孔時，由于開孔位置選擇不合適，鉆孔傾角同煤層傾角之間有所差異以及煤層內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造變化原因，可能導致鉆孔未能按照設計要求提前打設到頂?shù)装?，致使鉆孔直接報廢。相應的對策措施包括以下四個方面： ①在安裝鉆機時就先選好鉆孔開孔位置，并且要求開孔位置處于煤層中部，不能離頂?shù)装逄?。②打設鉆孔前提前將鉆孔傾角調(diào)整到位，并且盡量將鉆孔傾角同煤層傾角保持一致。③若鉆孔提前打設到頂?shù)装?，需要先摸清該巖層層位情況，再調(diào)整鉆孔角度重新補打鉆孔。④若煤層內(nèi)有斷層等地質(zhì)構(gòu)造變化時，要及時補打探孔，以摸清煤層變化情況，探明地質(zhì)構(gòu)造情況后再補孔鉆進，不得因避開地質(zhì)構(gòu)造而留下瓦斯抽放盲區(qū)。

（2）鉆孔噴孔、卡鉆原因分析

由于礦井所開采煤層較松軟，在軟煤當中打設鉆孔時，要采用“低壓慢速、邊進邊退、掏孔鉆進”的工藝進行施工。由于礦井采用ZY 系列全自動液壓鉆機施工順槽預抽鉆孔，其液壓系統(tǒng)推力主要包括泵壓、起撥壓力和給進壓力。鉆機正常鉆進時，其給進壓力應當能夠保持平穩(wěn)。若壓力表顯示壓力突然增大，預示著鉆頭遇到硬核、孔內(nèi)堵塞或鉆具損壞等情況，必須停止鉆進，采用加大壓風排渣或者退鉆旋轉(zhuǎn)排渣后再鉆進的措施。從現(xiàn)場施工情況來看，若單根鉆桿鉆進時間＜3 min 時，鉆孔噴孔現(xiàn)象較為嚴重； 若鉆進時間控制在3～7 min內(nèi)，鉆孔噴孔現(xiàn)象顯著減少；若鉆進時間＞8 min，噴孔現(xiàn)象發(fā)生的次數(shù)更少。綜合上述情況，在軟煤中打設鉆孔時，其鉆進速度應當控制在＞7 min/根。

4 采空區(qū)瓦斯抽放優(yōu)化

4.1 采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植?/h3>

通過在工作面采空區(qū)預埋束管監(jiān)測其瓦斯?jié)舛鹊姆植记闆r： 采空區(qū)在距離工作面20 m 范圍內(nèi)，盡管瓦斯?jié)舛茸兓^大，但整體較低；在與工作面距離為20～50 m 的范圍內(nèi)，瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)逐漸增大的規(guī)律，瓦斯?jié)舛仍龃筇荻鹊钠骄禐?.5%/m。采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家?guī)律見式（1）[3]：

式中：r 為采空區(qū)某一位置瓦斯?jié)舛?，m3/t；x 為采空區(qū)某一位置距工作面的距離，m。

4.2 采空區(qū)瓦斯抽放方法

將規(guī)格為Φ100 mm 焊管預先敷設于工作面回風巷中，間隔一定距離布置抽放器，并用木垛保護好各抽放器。在工作面回采過程中，當抽放器進到采空區(qū)內(nèi)時，抽放效果最好。

5 瓦斯抽放管路優(yōu)化

5.1 提高抽放管路安裝質(zhì)量

工作面運輸巷隨著煤層傾角而產(chǎn)生較大起伏變化，若抽放管路安裝過低，則無法安裝放水裝置，將會造成抽放管路積水難以及時排出，從而影響到瓦斯抽放效果。相應的對策措施包括以下三個方面：①對抽放管路進行整體檢查，對于坡度不平地段采用墊高或降低的方式調(diào)整，盡量將抽放管路保持平直。②當抽放管路遇到死彎時優(yōu)化為扇形，以達到降低管路阻力的目的。③適當增高抽放管路吊掛高度，將瓦斯抽放管理安裝在距離底板≥500 mm 的位置，以方便調(diào)整管路坡度[4]。

5.2 管路漏風處理

針抽放管路漏風影響瓦斯抽放效果問題，相應的對策措施包括以下兩個方面： ①新安裝抽放管路要進行正壓漏氣試驗，并根據(jù)試驗結(jié)果及時處理漏風位置。②在回采巷道內(nèi)抽放管路支管中安裝閘閥，在工作面推進過程中回收抽放管路時，要首先關閉就近的閘閥，再進行回撤作業(yè)，避免出現(xiàn)空氣進入抽放管路影響瓦斯抽放效果[5]。

5.3 完善抽放管路附屬設施

將1～3 個的CF 型全自動負壓放水器布置于抽放管路最低位置處，自動排空抽放管路中積水，增大瓦斯抽氣量的目的。CF 型全自動負壓放水器的適用負壓范圍為-80～0 kPa，最大放水能力2.16 t/d，最小安裝尺寸485 mm×350 mm×415 mm，重量22 kg。自動放水器安裝如圖1所示。

圖1 自動放水器安裝

6 瓦斯抽放效果分析

6.1 技術效果

（1）通過優(yōu)化鉆孔參數(shù)設計，采面瓦斯抽放率由20%提高到35%，預抽時間由9 個月縮短到6個月，保證工作面正?；夭摄暯印?/p>

（2）通過對鉆孔施工工藝的改進，對鉆探操作人員的現(xiàn)場培訓，提高了鉆孔成孔率，鉆孔深度由60 m 左右增長到110 m 左右。

（3）通過優(yōu)化瓦斯抽放管路鋪設及加強日常管理措施，顯著提高抽放管路氣密性，新投用的順層鉆孔瓦斯?jié)舛扔梢郧暗?0%左右提高到60%左右。

（4）通過對回采工作面相鄰近采空區(qū)通道密閉漏氣處理，工作面進風、回風隅角設置風障，并采用均壓通風控制技術，工作面回風流中的瓦斯?jié)舛扔?%左右下降到0.5%左右，采空區(qū)抽放瓦斯?jié)舛扔?0%左右提高到25%左右。

6.2 技術效益

通過實施精細化瓦斯抽采管理技術，提高了礦井瓦斯抽采濃度，增加了瓦斯抽采量，礦井地面瓦斯抽采濃度由以前的13%提高到18%以上，平均瓦斯抽采量由以前的7.5 m3/min 提高到約9.6 m3/min，達到了消除瓦斯隱患，保障安全生產(chǎn)的目的。

7 結(jié)語

經(jīng)坊煤業(yè)通過實施精細化瓦斯抽采管理技術，加強瓦斯抽采管理，實現(xiàn)了礦井瓦斯抽放濃度大幅提升，礦井瓦斯抽放濃度在18%以上，平均瓦斯抽放量提升到9.6 m3/min，達到了消除瓦斯隱患，保障安全生產(chǎn)的目的，實踐成果對其他類似條件高瓦斯礦井瓦斯抽采管理具有積極的借鑒作用。