瓦斯抽采技術在唐山礦的研究應用

鄭友剛 姚志勇

（開灤唐山礦業分公司，河北省唐山市，063000）

1 概述

唐山礦業分公司是開灤（集團）有限責任公司的主力生產礦井，始建于1878年（清朝年間），1881年投產，已有130多年的歷史，現屬國有煤礦企業。2004年以來礦井產量保持在400萬t／a以上的水平。唐山礦整個井田長14.55km，寬3.5 km，井田面積37.28km2。位于開平向斜西北翼西南端，開平煤田地層屬華北型沉積。煤田中古生界地層廣泛分布，上部石炭－二疊系為含煤巖系，各系、統間多以整合或假整合接觸。含煤地層大多為第四系黃土覆蓋。含煤地層主要分布在石炭系、二疊系。截止到2010年12月，唐山礦井田范圍剩余地質儲量36016.9萬t，可采儲量12809.4萬t，其中5＃煤層1780.5萬t，8＃煤層1721.0萬t，9＃煤層6860.2萬t，12＃煤層2447.7萬t，唐山煤礦各煤層未采區域煤層氣資源儲量達9.37億m3，采空區瓦斯儲量為2773萬m3。唐山礦歷年瓦斯鑒定均批復為高瓦斯礦井，2011年瓦斯鑒定絕對涌出量達到61.83m3／min。

從20世紀70年代初開始，唐山礦著手致力于研究礦井瓦斯的抽放和利用，建有地面永久瓦斯抽采系統和復雜的井下管網系統，80年代初期開始進行瓦斯利用，主要用于居民燃氣，最多可供11000戶居民生活用氣。2010年以后建立了1座瓦斯發電站，安裝了4套500kW瓦斯發電機組，開始利用地面鉆孔和井下瓦斯抽采系統進行瓦斯發電，合理利用了礦井的瓦斯資源。

2 地面鉆孔瓦斯抽放

唐山礦在20世紀80年代中期就開始采用地面向煤層打鉆抽放瓦斯氣，在地面建立了抽采瓦斯管網系統，常年抽取瓦斯濃度穩定在80%～90%，到2001年才逐漸衰減。后又采用在地面向井下生產區域的采空區打鉆抽采卸壓瓦斯并進行利用。

T2291工作面屬于鐵路煤柱二采區，工作面走向長1062m，傾斜長138m，煤層平均厚度10m，煤層平均傾角12°，煤層平均埋深636m。北部相鄰為11水平西翼采空區，東部為鐵路煤柱一采區和12水平北翼9＃煤層采空區，東面和南面為鐵路煤柱未采區域。從煤巖層瓦斯賦存和礦井內采區間通風壓力關系看，T2291采空區內賦存有大量的卸壓瓦斯，因通風壓力關系還有其它采空區的瓦斯向該區域運移。設計的地面鉆孔位置在T2291工作面的中部，距工作面開切眼距離約350m，在傾斜方向，鉆孔與進、回風巷的距離均為69m，見圖1。

圖1 地面鉆孔位置平面示意圖

2.1 地面孔布置方式的確定

根據對導水裂隙帶高度的測定，高度約為15倍采高，導水裂隙上限高度距地表486m。依據導水即透氣的原理，抽放孔的終孔位置確定在距地表536m。從地面至深177m的鉆孔孔徑為215mm，深177m至470m的孔徑為159mm，深470m至孔底的孔深徑108mm，見圖2。

2.2 終孔位置的確定

在鉆孔按設計施工完成后，對鉆孔上段進行了封孔，而孔內依然留有積水，最大時水位升到距孔口390m處，堵塞了瓦斯向孔內的流動，造成無法抽放。分析原因主要是終孔位過高：在9＃煤層上方40m處為5＃煤層，5＃煤層有遇水膠結的特點，盡管終孔處于9＃煤層的裂隙帶內，但由于5＃煤層遇水膠結，堵塞了滲水的通路。經綜合分析，最終確定終孔位距地表595m，在5＃煤層底板下5m，靠近9＃煤層采空區冒落帶的邊緣。

2.3 封孔范圍的選擇

確定封孔范圍的依據為含水層和頂板裂隙的發育情況。鐵二區地表以下170m為地表水系范圍，按照既保證瓦斯抽放，又不破壞地表水系的原則，對170m以上范圍進行封孔處理。在距地表370m處還有A含水層，在瓦斯抽采時還要保證A含水層的水不能威脅井下安全。為全面掌握頂板裂隙的發育情況，利用數字全景鉆孔攝像探查了鉆孔內孔壁的裂隙情況。攝像資料表明，距地表－466m裂隙開始明顯發育。在綜合分析了地表水系、A含水層和攝像資料后，最終確定封孔范圍在－470m至地表。

圖2 地面鉆孔結構設計圖

2.4 鉆孔套管及封孔

鉆孔套管的方式如圖2所示，整個鉆孔下全程套管，地表以下到177m范圍使用?168mm套管，地表下到470m用?127mm的套管（地表到177m采用雙重管），470m到孔底放置?89mm花管，花管長145m，與上部?127mm套管搭接20m，花管形式為三花眼，為達到抽放效果，又避免井下的水害事故，地表至470m范圍?127mm套管管壁與孔壁、地表至177m管壁與管壁之間均使用水泥漿注孔。

2.5 抽放方式

因地面鉆孔位置距離地面老瓦斯抽放管路較近，在地面新鋪設一條?159mm的管路與岳56管線連接，利用地面固定瓦斯抽放泵房系統進行抽放利用。管路采用填埋方式，管線上分別設置閥門、伸縮節、泄水器和排空管，管路布置按《城鎮燃氣設計規范》和《煤氣管道安裝施工技術操作規程》執行。

2.6 抽放效果及效益

2008年1月工程全部完畢，進行正式抽放，瓦斯抽放濃度為50%，流量約為5m3／min，且非常穩定。2008年1月至5月抽放量統計如表1。

表1 2008年1－5月291鉆孔瓦斯抽放量統計表

唐山礦瓦斯涌出有45%來源于井下封閉的采空區，回采工作面瓦斯約有75%來源于采空區。利用地面孔抽放采空區瓦斯，減少了采空區瓦斯向巷道內涌出，通過調壓使回采工作面采空區瓦斯向已封閉采空區運移，對杜絕瓦斯超限造成的事故起到了關鍵作用。

3 瓦斯高位抽放鉆孔的應用

高位孔抽放理論依據是回采后礦山壓力在工作面周圍將形成一個采動壓力場，采動壓力場和影響范圍在垂直方向分為三個帶：冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。在水平方向形成三個區：煤壁支撐影響區、離層區和重新壓實區。在采動壓力場中形成的裂隙發育空間成為瓦斯聚集和流動的通道。利用高負壓加速裂隙帶瓦斯的流動，可以抽出裂隙帶高濃度瓦斯。

3.1 工作面概況

T2195工作面位于唐山礦十三水平，屬8＃、9＃煤層合區，工作面走向長度852m，傾斜長118 m，煤層厚7～12m，工作面中部為一向斜構造。采用綜合機械化放頂煤開采工藝。北部為北翼9＃煤層采空區，上部48m為5＃煤層采空區，工作面采用“U＋L”通風方式，有效風量為16.5m3／s，通風及抽放系統見圖3。

2002年5月，T2195工作面推進到35m時，瓦斯涌出量開始逐漸增大，有時回風流瓦斯濃度達到1.2%，下隅角瓦斯濃度達到3%，最大瓦斯涌出量達19.8m3／min，多次因瓦斯超限造成停電影響生產，同時給通防安全管理帶來較大困難和不安全隱患。

圖3 T2195工作面通風及抽放系統示意圖

3.2 瓦斯來源分析

通過連續一周現場調查發現，其瓦斯來源主要為兩個部分：一是地質構造影響，鐵二區斜穿T2195工作面有一大向斜構造，隨工作面的推采逐漸接近向斜軸部，頂板巖層瓦斯賦存量大；二是來自北翼采空區、上部5＃煤層采空區和T2195采空區的瓦斯，當工作面周期來壓時，采空區頂板大面積冒落，釋放巖層瓦斯，瓦斯涌出比往常增大。

3.3 主要治理措施

當工作面出現瓦斯異常涌出后，采取了以下措施：

（1）增大工作面有效風量，提高工作面通風能力；

（2）調整工作面的通風壓力分布，改變采空區瓦斯運移方向；

（3）在工作面上方的采空區密閉留管抽放，在工作面上隅角預埋管進行抽放，此時抽放的混合瓦斯流量7.2m3／min，濃度為3%～5%。

3.4 鄰近巷道高位鉆孔抽放試驗

由于該工作面用通風方法解決瓦斯超限無安全保障，故決定在該工作面嘗試用高位鉆孔抽放。從T2194輔助回風巷沿煤層頂板向T2195施工長度為212m的高位抽放鉆孔對T2195采空區和未采區進行抽放瓦斯試驗。

3.4.1 高位鉆孔的參數確定

因T2195工作面煤層的平均厚度10m，回采后冒落帶高度約為采高的3倍（即30m），裂隙帶高度為采高的3～6倍，故判定頂板上方30～60m為裂隙帶。鉆孔設計參數為：仰角為12～15°，孔深為70m，孔徑為108mm，水泥沙漿封孔，封孔長度5m。高位孔剖面示意圖見圖4。

圖4 高位鉆孔布置剖面圖

3.4.2 抽放效果

高位孔投入抽放后，測試鉆孔內瓦斯濃度在39%～63%，鉆孔內的瓦斯流量在0.35～0.42 m3／min，純瓦斯流量可達到3.25m3／min，效果非常明顯，治理前、后各地點瓦斯濃度對比情況見表2。

表2 工作面治理前、后各測點瓦斯濃度變化對比表

采取高位鉆孔抽放瓦斯措施后，從根本上扭轉了瓦斯治理的被動局面，煤炭日產量由3300t提高到5800～6500t，基本消除了工作面風流瓦斯超限隱患。

4 區域調壓抽采采空區瓦斯

唐山礦有130多年的開采史，采空區已經連成一片，在采空區內還留有大量殘余瓦斯，采空區的瓦斯涌出量對于礦井瓦斯涌出影響所占比重日益顯著。如果通風管理不善，會造成采空區瓦斯流向采掘工作面，給煤礦的安全生產造成威脅，制約生產能力的正常發揮。除生產區域進行瓦斯抽采外，在采空區瓦斯利用方面也做了大量工作。

圖5 唐山礦西翼通風系統示意圖

4.1 生產區域與采空區調壓

為確保鐵一區的正常回采，通過通風壓力調整，把生產區域鐵一區采空區瓦斯向11水平西翼老采空區運移，西翼系統各采區已經回采結束，保留有系統巷道，在西翼副巷內各密閉預留管路實施瓦斯抽放。在11水平西翼系統建立通風調壓室，大巷六橫管外建立三道永久調節風門，降低西翼系統的通風壓力，在副巷建立兩道調節風門，西翼通風系統見圖5。受地面大氣壓力波動影響，有時發生西翼副巷瓦斯超限、1240總回風巷瓦斯濃度超過0.75%，在通防管理上有較大隱患。

4.2 礦井自動調壓裝置

為解決大氣壓力變化對西翼調壓系統安全的影響，研制了礦井自動調壓裝置，控制系統設在礦調度室監測中心。KJ65監測系統由監控儀、瓦斯傳感器、壓力傳感器和傳輸線路組成。傳輸線路一端連接在電機上，另一端與KJ65監測系統相連。在調壓風門設壓力傳感器，各密閉口設瓦斯傳感器，監測西翼系統副巷內瓦斯和壓力變化。如果氣壓波動影響采空區瓦斯大量涌出，通過監控系統在調度室遠程操作自動調壓裝置，采用活動扇葉偏轉角度來決定風門調節口的面積大小，提高系統通風壓力，減少西翼采空區瓦斯涌出，防止副巷內風流瓦斯超限，提高礦井的安全可控程度。

4.3 調壓效果

通過對西翼自動調壓裝置幾個月的運行觀察，開啟兩檔（共有6檔）就能夠將總回風巷瓦斯濃度由0.70%降低到0.48%，調壓效果非常明顯。以前人員組織到井下完成調壓需要3h，現在縮短到只需要2min，縮短了調壓時間，及時消除了井下瓦斯超限隱患。西翼系統11水平調壓室各密閉內抽放的瓦斯濃度平均達到55%，直接供給居民生活用氣。

地面大氣壓力變化是不以人的意志為轉移的，對礦井內通風系統比較脆弱區域的采空區內瓦斯涌出影響也不可避免。但可以通過調節相關系統的通風壓力，削弱大氣壓力對瓦斯涌出的影響程度，進而實現礦井的安全生產。

5 結論

（1）在地面打鉆抽采井下煤層瓦斯和采空區瓦斯是一種非常理想的抽采方式，通常抽放瓦斯濃度很高，流量穩定，但需要有合適的條件。礦井煤層埋藏淺的煤礦比較適宜地面抽采。

（2）老礦井采空區內賦存著大量的瓦斯，利用調壓控制采空區瓦斯流向，然后實施抽采有利于生產礦井瓦斯治理，對于安全生產起到很好的保證作用。

（3）高位孔抽放瓦斯是成熟的瓦斯抽放工藝，經過在生產中不斷實踐，取得了明顯效果。高位孔的封孔質量、疊加距離均影響瓦斯抽放效果。應針對不同煤層頂板巖性特征，摸索出適合的鉆孔參數。

［1］ 張鐵崗.礦井瓦斯綜合治理技術［M］.北京：煤炭工業出版社，2001

［2］ 周士寧.煤層瓦斯賦存與流動理論［M］.北京：煤炭工業出版社，2001

［3］ 郝天軒，姚春雨.黃陵礦區二礦高位裂隙鉆孔瓦斯抽采有效性分析［J］.中國煤炭，2010（3）