晉城礦區(qū)井上下聯(lián)合瓦斯抽采工藝及現(xiàn)場應(yīng)用

高磊

（晉能控股裝備制造集團(tuán)有限公司 寺河煤礦，山西 晉城 048200）

0 引 言

常見的礦井瓦斯抽采方法包括地面鉆井抽采、井下穿層鉆孔抽采、順層鉆孔抽采、高抽巷抽采、頂板裂隙帶鉆孔抽采、上隅角埋管抽采及采空區(qū)密閉墻埋管抽采等方法。井上下聯(lián)合瓦斯抽采是指一個(gè)礦井在采前、采中和采后的全抽采周期內(nèi)選用包括地面鉆井抽采和多種井下抽采相結(jié)合的抽采方式[1-2]。

經(jīng)過十多年的實(shí)踐，逐漸形成了以煤層群開采條件為背景的“兩淮”（兩淮指的是淮南、淮北）模式，和以單一煤層群開采為主的“晉城”模式[3]?！皟苫础蹦Ｊ揭卜Q為保護(hù)層開采技術(shù)，是充分利用首采煤層開采過程中的巖層移動(dòng)對(duì)頂?shù)装鍍?nèi)煤巖層的卸壓增透作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)鄰近煤層的卸壓抽采，該技術(shù)在國內(nèi)煤層群開采條件的礦區(qū)得到了廣泛應(yīng)用?！皶x城”模式是基于晉城西區(qū)煤層瓦斯含量高、煤體硬度大、滲透率高等特點(diǎn)，在煤炭規(guī)劃區(qū)選用地面鉆井進(jìn)行抽采，在開拓準(zhǔn)備區(qū)采用礦井上下聯(lián)合抽采，在生產(chǎn)區(qū)以井下抽采為主的“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)瓦斯開發(fā)模式，建立了立體抽采工藝與配套技術(shù)，取得了非常好的瓦斯治理效果。

本文對(duì)煤礦區(qū)井上下聯(lián)合瓦斯抽采方法進(jìn)行了介紹，以晉城西區(qū)煤層瓦斯條件為例，詳細(xì)闡述了單一煤層開采井上下聯(lián)合瓦斯抽采模式的現(xiàn)場應(yīng)用。

1 晉城礦區(qū)井上下聯(lián)合瓦斯抽采現(xiàn)狀

晉城煤業(yè)集團(tuán)是中國重要的優(yōu)質(zhì)無煙煤生產(chǎn)基地，現(xiàn)有礦井61 座，其中突出礦井5 座，高瓦斯礦井14 座，低瓦斯礦井42 座，礦井開采深度在100 ～800 m。晉城礦區(qū)位于沁水盆地的東南端，晉城—長治斷褶帶將礦區(qū)分為東、西2 個(gè)區(qū)，東區(qū)為老礦區(qū)，煤層瓦斯含量低，資源逐漸枯竭。西區(qū)為新礦區(qū)，煤層瓦斯含量高，目前主力礦井多位于西區(qū)。晉城西區(qū)包括樊莊、成莊、寺河、潘莊和大寧井田，為華北石炭—二疊紀(jì)含煤地層。含煤巖系平均厚度約142 m，含煤16 層，其中3 號(hào)煤、9 號(hào)煤和15 號(hào)煤全區(qū)基本可采。多數(shù)礦井為單一煤層開采，開采煤層為3 號(hào)煤層。

為解決晉煤集團(tuán)礦井瓦斯問題，1992～1997年，原晉城礦務(wù)局與中煤能源公司合作在沁水盆地南部晉城礦區(qū)潘莊井田開展瓦斯勘探和試驗(yàn)工作，施工了一個(gè)7 口井組成的井組。經(jīng)壓裂、排采，瓦斯單井產(chǎn)量最高峰值達(dá)12 000 m3/d，后期穩(wěn)定在1 000 ～3 000 m3/d。為全面啟動(dòng)地面瓦斯抽采工作，晉煤集團(tuán)在2003 年8 月成立了藍(lán)焰煤層氣公司，從事地面瓦斯抽采工作，其目標(biāo)是通過地面瓦斯抽采降低煤層含氣量、解決煤礦瓦斯安全問題。為了執(zhí)行“采煤采氣一體化”、“先采氣后采煤”的理念，經(jīng)過多年的實(shí)踐和研究，晉煤集團(tuán)提出了煤礦區(qū)煤層氣三區(qū)聯(lián)動(dòng)立體抽采模式，進(jìn)一步突出了煤炭開采和瓦斯開發(fā)統(tǒng)籌規(guī)劃，瓦斯地面抽采與井下抽采在時(shí)間和空間上必須與煤礦生產(chǎn)相結(jié)合，通過抽采為煤炭開采創(chuàng)造出安全開采的條件，真正做到“以采氣保采煤，以采煤促采氣”。截止2017 年底，藍(lán)焰煤層氣公司在井田范圍內(nèi)施工了5 087 口地面鉆井。2017 年，晉煤集團(tuán)抽采瓦斯28.53 億m3，其中地面井抽采14.33 億m3，井下抽采14.19 億m3。晉煤集團(tuán)非常重視瓦斯的利用工作，2017 年地面井抽采的14.33 億m3瓦斯中，民用2.93 億m3，其他用7.97 億m3；井下鉆孔抽采的14.19 億m3瓦斯中，民用1.77 億m3，發(fā)電4.62 億m3，其他用1.1 億m3。

2 煤層瓦斯賦存特征

晉城煤田3 號(hào)煤厚度在4.0 ～7.0 m，一般在4.5 ～6.5 m，總體上呈東部厚度稍大，西部稍薄的變化趨勢。現(xiàn)場測定含氣量最低值為17.07 m3/t，最高值為28.66 m3/t，一般在18 m3/t 以上。晉煤集團(tuán)幾個(gè)主力礦井瓦斯含量高，其中寺河礦最大實(shí)測瓦斯含量達(dá)25.8 m3/t，成莊礦最大實(shí)測瓦斯含量15.6 m3/t，長平礦最大實(shí)測瓦斯含量20 m3/t。井下實(shí)測煤層瓦斯壓力最高達(dá)到3.83 MPa。西部區(qū)域，如寺河、岳城等礦具有較好的可抽采性，煤層透氣性系數(shù)為0.44 ～4.25 874 mD；北部區(qū)域，如長平、趙莊等礦屬于軟硬復(fù)合型低透氣性煤層，抽采難度較大。

3 三區(qū)聯(lián)動(dòng)立體瓦斯抽采

3.1 三區(qū)聯(lián)動(dòng)立體抽采時(shí)空關(guān)系

基于煤炭開發(fā)時(shí)空接替規(guī)律，將煤礦區(qū)劃分為煤炭生產(chǎn)規(guī)劃區(qū)、煤炭開拓準(zhǔn)備區(qū)與煤炭生產(chǎn)區(qū)3個(gè)區(qū)間。生產(chǎn)區(qū)即煤炭生產(chǎn)礦井現(xiàn)有生產(chǎn)區(qū)域，準(zhǔn)備區(qū)是正在施工開拓、準(zhǔn)備大巷的區(qū)域，一般3 ～8 a 即將進(jìn)行回采，而規(guī)劃區(qū)的煤炭資源一般在8～10 a 甚至更長時(shí)間以后方進(jìn)行采煤作業(yè)。

三區(qū)聯(lián)動(dòng)立體瓦斯抽采模式在空間上體現(xiàn)為井上下聯(lián)合，即地面與井下瓦斯抽采相聯(lián)合，與煤礦開采銜接完全一致。在時(shí)間上體現(xiàn)為煤礦規(guī)劃區(qū)實(shí)施地面井預(yù)抽、煤礦準(zhǔn)備區(qū)實(shí)施井上下聯(lián)合抽采、煤礦生產(chǎn)區(qū)實(shí)施井下瓦斯抽采。在方式上體現(xiàn)多種抽采方式相聯(lián)合，即地面井抽采、千米定向長鉆孔抽采、普通順層鉆孔抽采、裂隙帶鉆孔抽采、埋管抽采等方法相聯(lián)合。

3.2 各階段抽采方法及指標(biāo)

每個(gè)階段的瓦斯抽采目的不同，抽采指標(biāo)不同，其抽采方法亦不相同。每個(gè)采掘工作面煤體經(jīng)過三個(gè)階段的接替抽采，可將高瓦斯突出煤層轉(zhuǎn)化為低瓦斯無突出煤層，實(shí)現(xiàn)煤層瓦斯抽采達(dá)標(biāo)，保證工作面的安全作業(yè)，如圖1、圖2 所示。

圖1 三區(qū)聯(lián)動(dòng)各階段瓦斯抽采方式Fig.1 Gas extraction methods in each stage of three-zone linkage

圖2 三區(qū)聯(lián)動(dòng)各階段瓦斯抽采指標(biāo)Fig.2 Gas extraction index of each stage of three-zone linkage

在煤炭生產(chǎn)規(guī)劃區(qū)，有充足的抽采時(shí)間，實(shí)施“先抽后建”，將瓦斯含量降至16 m3/t 以下。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，地面井預(yù)抽每年可使影響區(qū)內(nèi)的煤層瓦斯含量降低1 ～1.5 m3/t。

煤炭開拓準(zhǔn)備區(qū)采用井上下聯(lián)合抽采技術(shù)，從井下巷道內(nèi)采用千米定向鉆機(jī)施工定向順層長鉆孔，貫通已有的地面抽采井壓裂裂縫及其影響帶，形成壓裂裂縫與順層長鉆孔相結(jié)合的立體抽采網(wǎng)絡(luò)，將瓦斯含量降至8 m3/t 以下，為采掘巷道的施工提供安全保障。

在煤炭生產(chǎn)區(qū)，工作面開采前實(shí)施“先抽后采”。工作面回采期間，采取垂直采動(dòng)井抽采、采動(dòng)L 型井抽采、頂板裂隙千米定向鉆孔抽采、高位鉆場裂隙帶抽采、閉墻埋管抽采、煤柱鉆孔抽采等措施，確保工作面回采期間通風(fēng)安全可靠，實(shí)現(xiàn)工作面安全高效開采?；夭晒ぷ髅骈_采結(jié)束后，封閉工作面采空區(qū)，利用閉墻埋管、井下穿層鉆孔、施工地面鉆井等方式，對(duì)老采空區(qū)及上方裂隙帶內(nèi)的瓦斯進(jìn)行瓦斯抽采，其目的是進(jìn)一步減小采空區(qū)瓦斯涌出，提高礦井瓦斯抽采量和利用量。

4 單一煤層開采井上下聯(lián)合瓦斯抽采實(shí)踐

4.1 試驗(yàn)工作面概況

以晉城礦區(qū)寺河礦為例開展實(shí)踐，試驗(yàn)工作面W2303 工作面地面標(biāo)高606—768 m，工作面標(biāo)高251—288 m，工作面走向長1 257 m，傾向?qū)挾?76 ～295 m，煤層平均厚度6.3 m，平均傾角5°。偽頂為0.4 m 的炭質(zhì)泥巖，直接頂為2.15 m 的粉砂巖，老頂為6.5 m 的細(xì)粒砂巖。直接底為2.66 m 的細(xì)粒砂巖，老底為4.8 m 的粉砂質(zhì)泥巖。根據(jù)實(shí)測結(jié)果，西二盤區(qū)3 號(hào)煤層瓦斯壓力為1.15 ～1.83 MPa，瓦斯含量19.33 ～21.8 m3/t。工作面煤層無爆炸性、無自燃傾向性。

4.2 工作面瓦斯抽采方法

（1） 地面鉆井瓦斯抽采。

在礦井巷道開拓開采之前，施工地面鉆井抽采3 號(hào)煤層瓦斯，降低煤層瓦斯含量。工作面內(nèi)共布置了5 個(gè)地面直井預(yù)抽鉆孔，鉆井間距在正常區(qū)域?yàn)?00 m×300 m，在地質(zhì)構(gòu)造帶間距為150 m×150 m。由于受到地面施工現(xiàn)場條件限制，鉆井間距無法嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)執(zhí)行，地面鉆井施工位置如圖3 所示。

圖3 工作面地面鉆井布置示意Fig.3 Ground drilling layout of working face

YH-086、YH-024 和YH-085 號(hào)3 個(gè)鉆井抽采量高，抽采量700.8 ～1 138.8 萬m3，YH-083 和YH-084 號(hào)2 個(gè)鉆井抽采量較低，抽采量僅為263萬m3，分析原因是這2 個(gè)鉆井受到附近斷層影響、瓦斯提前大量釋放所致。地面井瓦斯抽采總量為3 232.6 萬m3。根據(jù)反算，通過地面鉆井抽采，工作面內(nèi)瓦斯含量可下降7 ～8 m3/t，可確保將煤層瓦斯含量降至16 m3/t 以下的抽采目的。

表1 地面鉆井瓦斯抽采數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of surface drilling gas extraction data

（2） 千米定向鉆機(jī)扇形水平羽狀鉆孔。

從W23031 巷和W23022 巷的千米鉆場中施工了約70 個(gè)水平羽狀鉆孔，施工工程量約21.6 萬m，鉆孔覆蓋回采工作面煤體及另一側(cè)巷道條帶煤體，瓦斯抽采時(shí)間為1.5 ～2 a，如圖4 所示。

圖4 工作面順層鉆孔布置Fig.4 Bedding drilling layout of working face

圖5 頂板走向高位千米鉆孔布置Fig.5 Roof strike high kilometer drilling layout

圖6 采空區(qū)橫川閉墻插管抽采示意Fig.6 Gob Hengchuan closed wall intubation extraction schematic

圖7 工作面瓦斯涌出量Fig.7 Gas emission in working face

（3） 普通順層鉆孔瓦斯抽采。

采用千米定向鉆機(jī)施工扇形水平羽狀鉆孔后，在鉆場一側(cè)形成了三角形的抽采空白帶，該區(qū)域無鉆孔覆蓋，為此還需要施工大量普通順層鉆孔進(jìn)行補(bǔ)充抽采。在W23031 巷和W23033 巷掘進(jìn)過程中便開始補(bǔ)充施工普通順層鉆孔。

W23031 巷從工作面切眼口開始由東向西依次施工，鉆孔傾角4°～7°，相鄰鉆孔設(shè)計(jì)傾角不同，確保鉆孔覆蓋全煤厚，設(shè)計(jì)鉆孔長度最深150 m，間距3 ～6 m，該巷道共施工372 個(gè)。W23033巷順層鉆孔重點(diǎn)在8 ～11 號(hào)、18 ～19 號(hào)橫川施工，鉆孔由西向東依次施工，傾角-2°～-4°，相鄰鉆孔傾角不同，保證鉆孔覆蓋全煤厚，設(shè)計(jì)鉆孔長度最深200 m，間距3 m，共施工299 個(gè)。鉆孔工程總量約11.8 萬m，如圖8 所示。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，該工作面噸煤鉆孔率達(dá)0.102 7 m。

圖8 工作面瓦斯抽采量Fig.8 Gas extraction in working face

4.3 回采工作面預(yù)抽瓦斯效果

該工作面采取了井上下聯(lián)合瓦斯抽采方法，包括地面鉆井抽采、千米鉆機(jī)井下羽狀鉆孔抽采和普通順層鉆孔抽采。地面鉆井抽采8 ～9 a，井下順層鉆孔抽采1.5 ～2 a，取得了良好的瓦斯抽采效果。

根據(jù)瓦斯抽采量核算，煤層瓦斯含量由21.8 m3/t 下降至7.52 m3/t。根據(jù)現(xiàn)場殘余瓦斯含量測定，測定值為6.42 ～7.39 m3/t，平均6.96 m3/t。均小于《抽采指標(biāo)》 《防突細(xì)則》和《抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》給定的參考臨界值8 m3/t；該工作面不可解吸量為3.52 m3/t，則可解吸瓦斯量為2.90 ～3.87 m3/t，均低于4 m3/t，且滿足《抽采指標(biāo)》第二十七條規(guī)定。因此可以判定，經(jīng)過長時(shí)間的區(qū)域預(yù)抽后，W2303 工作面瓦斯預(yù)抽效果達(dá)標(biāo)。

5 工作面開采期間瓦斯抽采及涌出情況

5.1 工作面開采期間瓦斯抽采方案

W2303 工作面開采過程中，采取頂板走向高位千米鉆孔抽采、采空區(qū)橫川閉墻插管抽采等措施。千米高位鉆孔從西二北進(jìn)15 號(hào)橫川鉆場、W23033/34 巷5 號(hào)、11 號(hào)、15 號(hào)橫川鉆場開口施工，抽采裂隙帶瓦斯，共施工4 組高位千米鉆孔，每組設(shè)計(jì)4 ～5 個(gè)鉆孔，鉆孔長度400 ～500 m，鉆孔層位控制在煤層頂板35 ～55 m，鉆孔布置如圖5所示。

采空區(qū)橫川閉墻插管抽采也是抽采采空區(qū)瓦斯的重要方法之一，在W23034/33 巷橫川封閉后預(yù)埋φ400 mm 管路用于抽采瓦斯，采空區(qū)埋管如圖6 所示。另外，為了解決初采期間的瓦斯問題，在W2303 尾巷內(nèi)向采空區(qū)方向施工了低位、中位、高位和穿透鉆孔。

5.2 工作面回采期間瓦斯涌出及產(chǎn)量情況

通過上述措施的瓦斯抽采，取得了良好的瓦斯抽采效果，確保了工作面的安全生產(chǎn)。正常生產(chǎn)時(shí)工作面供風(fēng)量7 600 m3/min，工作面回采初期回風(fēng)瓦斯?jié)舛容^高，為0.3%～0.5%，風(fēng)排瓦斯量為20 ～35 m3/min，后期工作面進(jìn)入正常后回風(fēng)瓦斯?jié)舛然痉€(wěn)定在0.1% ～0.25%，風(fēng)排瓦斯量為20 ～35 m3/min。回采期間工作面抽采瓦斯量變化加大，為10 ～30 m3/min，其中頂板走向高位千米鉆孔抽采量開采初期受到裂隙發(fā)育不充分等因素影響較低，抽采量為5 ～10 m3/min，后期抽采量逐漸加大，穩(wěn)定在10 ～20 m3/min。密閉插管瓦斯抽采明顯低于高位千米鉆孔瓦斯抽采，抽采量穩(wěn)定在5 ～10 m3/min。

通過風(fēng)排和抽采相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了該工作面的安全高效開采，工作面正常日產(chǎn)量為8 000 ～12 000 t，最大日產(chǎn)量達(dá)14 000 t，獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。

6 結(jié) 論

（1） 晉城井上下聯(lián)合抽采模式體現(xiàn)在采前、采中和采空區(qū)抽采，采前主要采用地面井、采中主要是地面井卸壓抽采和鉆孔聯(lián)合抽采，而采后主要是鉆孔抽采。

（2） 通過采用措施的瓦斯抽采，取得了良好的瓦斯抽采效果，確保了工作面的安全生產(chǎn)?；夭善陂g工作面抽采瓦斯量變化加大，10 ～30 m3/min。密閉插管瓦斯抽采明顯低于高位千米鉆孔瓦斯抽采，抽采量穩(wěn)定在5 ～10 m3/min。