高突礦井瓦斯抽采模式的研究和實踐

韓振鵬

（河南平寶煤業有限公司首山一礦 河南 平頂山 467000）

1 礦井概況

平寶公司井田位于平頂山礦區李口向斜北翼東段。 井田主體構造為白石山背斜，井田東西走向長14.5km，南北傾斜寬1.1-4.6km，面積約47km2。 礦井東部以55 勘探線為界，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中將直接制約著礦井的安全高效，并嚴重威脅著職工的生命安全。

根據礦井實際生產條件，制定瓦斯防治總體思路，通過以區域瓦斯治理工程超前實施→防突抽采鉆孔施工→水力沖孔煤體增透→超前聯網抽采→區域措施效果檢驗→消突評價為主的瓦斯抽采模式的建立，實現“煤氣共采”和“不掘突出頭、不采突出面”目標，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）風巷低抽巷：在煤層底板平行工作面風巷，與風巷幫對幫1m、垂距為10m，內錯布置，施工至切眼下口為止，巷道斷面：寬×高=4.6×3.0m。

2）機巷低抽巷：在煤層底板平行工作面機巷，與機巷中線對中線布置、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，內錯布置，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，平寶公司與南陽油田和焦作煤業集團合作，在地面施工立井穿層鉆孔（戊一采區布置施工2 個立井鉆孔； 己二采區施工3 個立井鉆孔）分別對己15-17 煤層和戊9-10 煤層進行高壓水力壓裂。

2）本煤層鉆孔

在采面風機巷，沿走向每4m 布置一個順層條帶鉆孔，孔徑94mm，孔深不低于90m，若發現打鉆過程中有噴孔、夾鉆等現象時，在該孔附近補打一個加密鉆孔。

3）穿層鉆孔

在低位抽放巷內， 沿巷道掘進方向每4m 布置一組穿層鉆孔，每組設計7 個，孔徑89mm，呈扇形布置，兩幫控制到煤巷輪廓線外15m。

2.3 煤層增透技術方案

針對煤層的低透氣性，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：對地面鉆孔進行高壓水力壓裂；對穿層鉆孔進行水力沖孔。

2.4 科學合理的區域防突效果檢驗

1）根據防突規定并結合我公司井下實際情況，在巖巷沿走向每隔40m 布置一個測壓鉆孔，封孔安裝測壓表進行殘余瓦斯壓力測定，在施工測壓鉆孔時，取煤樣通過DGC 瓦斯含量快速測定儀進行測定，通過兩種方法測壓對比，確定實際煤層殘存瓦斯壓力。

2）采面區域措施效果檢驗，在煤巷每隔40m 布置一個取樣鉆孔，分別在不同煤段取煤粉和煤芯，經集團公司瓦斯研究所進行鑒定。

3 瓦斯抽采模式實踐

3.1 抽放巷抽放效果檢驗

為了檢驗抽放巷設計優化后的實際效果，分別對穿層鉆孔施工的速度及精準度、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行對比分析：

1）穿層鉆孔施工的速度以及精準度

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

（2）現巷道優化后抽放巷與煤巷幫對幫1m 時，每孔平均孔深為20.7m，平均每個鉆孔少9.3m，如需達到控制煤巷兩幫15m 的要求，每組鉆孔需施工7 個鉆孔，總孔深為145m。

圖1 巷道優化前后穿層鉆孔施工與抽放巷超前距增加量對比

通過對巷道優化前（5 月11 日～5 月20 日）與巷道優化后（10 月1 日～10 月10 日）的數據進行比較分析可以初步得出：優化前穿層鉆孔平均每天施工5 個，優化后平均每天施工12 個，效率提高2.4 倍；在鉆孔施工精確度上，通過煤巷頂板每3.2m 內見穿層鉆孔個數進行比較，優化前共進尺24m，見孔4 個，平均見孔0.17 個/m，優化后共進尺28.8m，見孔13個，平均見孔0.45 個/m，見孔率提高2.7 倍。

2）鉆孔瓦斯涌出初速度指標（q 值）和鉆屑量（S 值）

圖2 煤巷進尺與校檢指標比較圖

巷道優化前后校檢指標對比分析如圖2 所示。

3）穿層鉆孔瓦斯抽采量的對比

巷道優化前后抽放鉆孔的抽采量情況對比分析如圖3所示。

通過對巷道優化前（6 月15 日～6 月30 日）與巷道優化后（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化前抽放管路平均濃度為5.9%，優化后抽放管路平均濃度為7.9%，支管平均濃度提高1.34 倍；通過對平均單孔抽放量進行比較， 優化前平均單孔抽放量平均為0.74m3/天，優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比

3.2 水力沖孔防突措施效果檢驗

圖4 打鉆、沖孔擾動煤體表面積對比圖

為了檢驗水力沖孔技術治理瓦斯的突出效果，分別對沖孔擾動范圍、瓦斯抽采量Q、鉆孔瓦斯涌出初速度指標（q 值）和鉆屑量（S 值）進行對比分析：

1）打鉆、沖孔煤體擾動范圍對比分析

打鉆、沖孔煤體擾動范圍對比分析如圖4 所示。

2）瓦斯抽采量對比

水力沖孔瓦斯抽采量對比分析如圖5 所示。

圖5 沖孔與未沖孔鉆孔在抽采25 天內的瓦斯抽采流量變化曲線圖

由圖5 可知：實施沖孔措施的一組鉆孔中瓦斯抽采流量遠遠大于未沖孔鉆孔瓦斯流量；沖孔鉆孔在6-7 天時瓦斯能夠達到抽采流量峰值，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。

3）q、s 值對比分析

己15-17-11041 機巷掘進工作面q、s 值以及進尺情況措施前后變化曲線如圖6 所示。

圖6 11041 機巷掘進工作面q、s 值措施前后變化曲線

圖7 q 值對比曲線圖

圖8 s 值對比曲線圖

由圖6 可知，11041 機巷掘進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， 鉆孔瓦斯涌出初速度q 波動比較大， 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，此時掘進速度較慢，月進尺30～40m；但經過措施之后，11041 機巷打鉆鉆屑量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， 月進尺得到65～75m。由此可見，煤巷掘進工作面經過沖孔措施之后，煤體被擾動卸壓，擾動產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速度。

3.3 地面壓裂井抽采煤層瓦斯效果檢驗

1） 通過對SY002 號排采井的地面水力壓裂， 在己15-17-12041 采面風巷掘進過程中的效檢指標 （q 值、s 值） 進行對比，如圖7、圖8 所示。通過對比分析，經過水力壓裂的煤巷掘進效檢指標比沒有經過水力壓裂的q 值平均降低82%，s 值平均降低91%。

2）選取在SY002 號排采井附近己15-17-12041 風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， 實施壓裂措施的一組鉆孔中瓦斯抽采流量遠遠大于未在壓裂區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 天時瓦斯能夠達到抽采流量峰值，最大瓦斯抽采流量為18.22L/min；相比之下，在壓裂鉆孔影響區域200m 外的穿層鉆孔在5～7 天以后達到峰值，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。

4 結論

該技術在平寶公司己15－12030 風、機抽放巷和己15-17－11041機抽巷掘進期間得到了應用，且效果明顯，杜絕了煤與瓦斯突出、瓦斯超限事故，減少回風流瓦斯濃度，保證了工作面安全掘進和采面提前2 個月投產。 該技術的成功應用，提高了勞動效率，節約了材料，降低了職工勞動強度，經濟效益顯著，具有很好的推廣價值。

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