高突礦井瓦斯抽采模式的研究和實(shí)踐

韓振鵬

（河南平寶煤業(yè)有限公司首山一礦 河南 平頂山 467000）

1 礦井概況

平寶公司井田位于平頂山礦區(qū)李口向斜北翼東段。 井田主體構(gòu)造為白石山背斜，井田東西走向長(zhǎng)14.5km，南北傾斜寬1.1-4.6km，面積約47km2。 礦井東部以55 勘探線(xiàn)為界，西部以落差110m 的溝李封正斷層為界， 北部和南部分別以靈武山向斜和李口向斜為邊界。 主采煤層為戊9-10 煤層和己15-17煤層。 可采儲(chǔ)量為3.08 億噸。

平寶公司于2008 年6 月被撫順煤科院鑒定為煤與瓦斯突出礦井，主采煤層具有突出危險(xiǎn)性。 其中己15-17 煤層瓦斯含量17.46m3/t，瓦斯壓力3.6MPa；戊8 煤層瓦斯含量15.07m3/t ，瓦斯壓力6.61MPa；戊9-10 煤層瓦斯含量11.42m3/t，瓦斯壓力5.91MPa。 煤與瓦斯突出事故和瓦斯超限事故在礦井生產(chǎn)中將直接制約著礦井的安全高效，并嚴(yán)重威脅著職工的生命安全。

根據(jù)礦井實(shí)際生產(chǎn)條件，制定瓦斯防治總體思路，通過(guò)以區(qū)域瓦斯治理工程超前實(shí)施→防突抽采鉆孔施工→水力沖孔煤體增透→超前聯(lián)網(wǎng)抽采→區(qū)域措施效果檢驗(yàn)→消突評(píng)價(jià)為主的瓦斯抽采模式的建立，實(shí)現(xiàn)“煤氣共采”和“不掘突出頭、不采突出面”目標(biāo)，消除煤與瓦斯突出，做到“零突出、零超限”。

2 瓦斯抽采模式研究

2.1 抽采巷布置方案

1）風(fēng)巷低抽巷：在煤層底板平行工作面風(fēng)巷，與風(fēng)巷幫對(duì)幫1m、垂距為10m，內(nèi)錯(cuò)布置，施工至切眼下口為止，巷道斷面：寬×高=4.6×3.0m。

2）機(jī)巷低抽巷：在煤層底板平行工作面機(jī)巷，與機(jī)巷中線(xiàn)對(duì)中線(xiàn)布置、垂距為10m 布置，寬×高=4.6×3.0m。

3）切眼低抽巷：在煤層底板平行工作面切眼，與切眼平距為20m、垂距為10m，內(nèi)錯(cuò)布置，寬×高=4.6×3.0m。

2.2 多方位立體抽采鉆孔布置方案

為有效防治瓦斯， 采取多方位立體抽采鉆孔布置模式：地面立井鉆孔、 穿層鉆孔和本煤層鉆孔相結(jié)合綜合防治瓦斯。

1）地面立井鉆孔

由于煤層透氣性低，抽采效果不理想，平寶公司與南陽(yáng)油田和焦作煤業(yè)集團(tuán)合作，在地面施工立井穿層鉆孔（戊一采區(qū)布置施工2 個(gè)立井鉆孔； 己二采區(qū)施工3 個(gè)立井鉆孔）分別對(duì)己15-17 煤層和戊9-10 煤層進(jìn)行高壓水力壓裂。

2）本煤層鉆孔

在采面風(fēng)機(jī)巷，沿走向每4m 布置一個(gè)順層條帶鉆孔，孔徑94mm，孔深不低于90m，若發(fā)現(xiàn)打鉆過(guò)程中有噴孔、夾鉆等現(xiàn)象時(shí)，在該孔附近補(bǔ)打一個(gè)加密鉆孔。

3）穿層鉆孔

在低位抽放巷內(nèi)， 沿巷道掘進(jìn)方向每4m 布置一組穿層鉆孔，每組設(shè)計(jì)7 個(gè)，孔徑89mm，呈扇形布置，兩幫控制到煤巷輪廓線(xiàn)外15m。

2.3 煤層增透技術(shù)方案

針對(duì)煤層的低透氣性，采取高壓水力壓裂、水力沖孔方案增加煤層的透氣性。 具體措施包括：對(duì)地面鉆孔進(jìn)行高壓水力壓裂；對(duì)穿層鉆孔進(jìn)行水力沖孔。

2.4 科學(xué)合理的區(qū)域防突效果檢驗(yàn)

1）根據(jù)防突規(guī)定并結(jié)合我公司井下實(shí)際情況，在巖巷沿走向每隔40m 布置一個(gè)測(cè)壓鉆孔，封孔安裝測(cè)壓表進(jìn)行殘余瓦斯壓力測(cè)定，在施工測(cè)壓鉆孔時(shí)，取煤樣通過(guò)DGC 瓦斯含量快速測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定，通過(guò)兩種方法測(cè)壓對(duì)比，確定實(shí)際煤層殘存瓦斯壓力。

2）采面區(qū)域措施效果檢驗(yàn)，在煤巷每隔40m 布置一個(gè)取樣鉆孔，分別在不同煤段取煤粉和煤芯，經(jīng)集團(tuán)公司瓦斯研究所進(jìn)行鑒定。

3 瓦斯抽采模式實(shí)踐

3.1 抽放巷抽放效果檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)抽放巷設(shè)計(jì)優(yōu)化后的實(shí)際效果，分別對(duì)穿層鉆孔施工的速度及精準(zhǔn)度、鉆孔瓦斯涌出初速度（q 值）和鉆屑量（S 值）、抽放巷瓦斯抽采量進(jìn)行對(duì)比分析：

1）穿層鉆孔施工的速度以及精準(zhǔn)度

（1）原巷道布置抽放巷與煤巷中對(duì)中距離為30m 時(shí)，每孔的平均孔深為30m，如需達(dá)到控制煤巷兩幫15m 的要求每組鉆孔需施工6 個(gè)孔，總孔深為180m。

（2）現(xiàn)巷道優(yōu)化后抽放巷與煤巷幫對(duì)幫1m 時(shí)，每孔平均孔深為20.7m，平均每個(gè)鉆孔少9.3m，如需達(dá)到控制煤巷兩幫15m 的要求，每組鉆孔需施工7 個(gè)鉆孔，總孔深為145m。

圖1 巷道優(yōu)化前后穿層鉆孔施工與抽放巷超前距增加量對(duì)比

通過(guò)對(duì)巷道優(yōu)化前（5 月11 日～5 月20 日）與巷道優(yōu)化后（10 月1 日～10 月10 日）的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析可以初步得出：優(yōu)化前穿層鉆孔平均每天施工5 個(gè)，優(yōu)化后平均每天施工12 個(gè)，效率提高2.4 倍；在鉆孔施工精確度上，通過(guò)煤巷頂板每3.2m 內(nèi)見(jiàn)穿層鉆孔個(gè)數(shù)進(jìn)行比較，優(yōu)化前共進(jìn)尺24m，見(jiàn)孔4 個(gè)，平均見(jiàn)孔0.17 個(gè)/m，優(yōu)化后共進(jìn)尺28.8m，見(jiàn)孔13個(gè)，平均見(jiàn)孔0.45 個(gè)/m，見(jiàn)孔率提高2.7 倍。

2）鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)（q 值）和鉆屑量（S 值）

圖2 煤巷進(jìn)尺與校檢指標(biāo)比較圖

巷道優(yōu)化前后校檢指標(biāo)對(duì)比分析如圖2 所示。

3）穿層鉆孔瓦斯抽采量的對(duì)比

巷道優(yōu)化前后抽放鉆孔的抽采量情況對(duì)比分析如圖3所示。

通過(guò)對(duì)巷道優(yōu)化前（6 月15 日～6 月30 日）與巷道優(yōu)化后（10 月1 日～10 月16 日） 巷道抽放量以及抽放濃度的比較可以得出優(yōu)化前抽放管路平均濃度為5.9%，優(yōu)化后抽放管路平均濃度為7.9%，支管平均濃度提高1.34 倍；通過(guò)對(duì)平均單孔抽放量進(jìn)行比較， 優(yōu)化前平均單孔抽放量平均為0.74m3/天，優(yōu)化后平均單孔抽放量平均為1.32m3/天，平均單孔抽放量增加1.78 倍。

圖3 巷道變更前后抽放濃度的對(duì)比

3.2 水力沖孔防突措施效果檢驗(yàn)

圖4 打鉆、沖孔擾動(dòng)煤體表面積對(duì)比圖

為了檢驗(yàn)水力沖孔技術(shù)治理瓦斯的突出效果，分別對(duì)沖孔擾動(dòng)范圍、瓦斯抽采量Q、鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)（q 值）和鉆屑量（S 值）進(jìn)行對(duì)比分析：

1）打鉆、沖孔煤體擾動(dòng)范圍對(duì)比分析

打鉆、沖孔煤體擾動(dòng)范圍對(duì)比分析如圖4 所示。

2）瓦斯抽采量對(duì)比

水力沖孔瓦斯抽采量對(duì)比分析如圖5 所示。

圖5 沖孔與未沖孔鉆孔在抽采25 天內(nèi)的瓦斯抽采流量變化曲線(xiàn)圖

由圖5 可知：實(shí)施沖孔措施的一組鉆孔中瓦斯抽采流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未沖孔鉆孔瓦斯流量；沖孔鉆孔在6-7 天時(shí)瓦斯能夠達(dá)到抽采流量峰值，最大瓦斯抽采流量為50.74L/min；相比之下未沖孔的鉆孔在9 天以后才能達(dá)到峰值，且峰值最大為17.7L/min；受沖孔措施影響的鉆孔瓦斯抽采流量有明顯的增加，有效的提高了抽采效率，保證了工作面的順利快速掘進(jìn)。

3）q、s 值對(duì)比分析

己15-17-11041 機(jī)巷掘進(jìn)工作面q、s 值以及進(jìn)尺情況措施前后變化曲線(xiàn)如圖6 所示。

圖6 11041 機(jī)巷掘進(jìn)工作面q、s 值措施前后變化曲線(xiàn)

圖7 q 值對(duì)比曲線(xiàn)圖

圖8 s 值對(duì)比曲線(xiàn)圖

由圖6 可知，11041 機(jī)巷掘進(jìn)工作面在未上水力沖孔防突措施之前， 其煤層打鉆鉆屑量Smax主要在3.5kg/m 上下波動(dòng)， 鉆孔瓦斯涌出初速度q 波動(dòng)比較大， 主要集中在1.5-3.6L/min 之間，兩者均具有一定的突出威脅性，此時(shí)掘進(jìn)速度較慢，月進(jìn)尺30～40m；但經(jīng)過(guò)措施之后，11041 機(jī)巷打鉆鉆屑量Smax維系在3.0kg/m 左右， 鉆孔瓦斯涌出初速度q 降至1.0L/min， 兩工作面的突出威脅性大大降低了， 月進(jìn)尺得到65～75m。由此可見(jiàn)，煤巷掘進(jìn)工作面經(jīng)過(guò)沖孔措施之后，煤體被擾動(dòng)卸壓，擾動(dòng)產(chǎn)生的裂隙增加了煤層透氣性，加快了煤體中瓦斯的釋放速率，有效的提高了煤巷的掘進(jìn)速度。

3.3 地面壓裂井抽采煤層瓦斯效果檢驗(yàn)

1） 通過(guò)對(duì)SY002 號(hào)排采井的地面水力壓裂， 在己15-17-12041 采面風(fēng)巷掘進(jìn)過(guò)程中的效檢指標(biāo) （q 值、s 值） 進(jìn)行對(duì)比，如圖7、圖8 所示。通過(guò)對(duì)比分析，經(jīng)過(guò)水力壓裂的煤巷掘進(jìn)效檢指標(biāo)比沒(méi)有經(jīng)過(guò)水力壓裂的q 值平均降低82%，s 值平均降低91%。

2）選取在SY002 號(hào)排采井附近己15-17-12041 風(fēng)巷抽放巷穿層鉆孔抽采效果，圖9、圖10 分別為壓裂半徑100m、200m影響范圍外的穿層鉆孔流量。

圖9 ZY002 壓裂孔的半徑為100m 影響范圍內(nèi)的穿層鉆孔流量

圖10 ZY002 壓裂孔的半徑為200m 影響范圍外的穿層鉆孔流量

由圖9、10 可知， 實(shí)施壓裂措施的一組鉆孔中瓦斯抽采流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未在壓裂區(qū)域的穿層鉆孔瓦斯流量；壓裂孔附近100m 施工穿層鉆孔在8～10 天時(shí)瓦斯能夠達(dá)到抽采流量峰值，最大瓦斯抽采流量為18.22L/min；相比之下，在壓裂鉆孔影響區(qū)域200m 外的穿層鉆孔在5～7 天以后達(dá)到峰值，且峰值最大為10.8L/min；受地面壓裂鉆孔影響的井下穿層鉆孔瓦斯抽采流量有明顯的增加，有效的提高了瓦斯抽采量和抽采效率，保證了工作面的順利快速掘進(jìn)。

4 結(jié)論

該技術(shù)在平寶公司己15－12030 風(fēng)、機(jī)抽放巷和己15-17－11041機(jī)抽巷掘進(jìn)期間得到了應(yīng)用，且效果明顯，杜絕了煤與瓦斯突出、瓦斯超限事故，減少回風(fēng)流瓦斯?jié)舛龋ＷC了工作面安全掘進(jìn)和采面提前2 個(gè)月投產(chǎn)。 該技術(shù)的成功應(yīng)用，提高了勞動(dòng)效率，節(jié)約了材料，降低了職工勞動(dòng)強(qiáng)度，經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有很好的推廣價(jià)值。

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