低透氣煤層采空區瓦斯綜合抽采技術研究及應用

文/王安忠

低透氣煤層采空區瓦斯綜合抽采技術研究及應用

文/王安忠

我國大部分礦井尤其是西南地區煤層均屬于高瓦斯低透氣性煤層，煤層滲透率低，透氣性差，瓦斯抽采率低，煤層氣資源利用不充分，導致瓦斯災害事故日益增多，嚴重威脅著礦井安全高效開采。因此，有效治理和開發利用瓦斯，實現煤與瓦斯協調開采已成為我國煤炭工業發展的必然趨勢。本文就山西煤炭進出口集團煤業管理有限公司晉東南分公司四礦，通過工程實踐對開采受鄰近層瓦斯涌出制約的低透氣煤層采空區瓦斯綜合抽采的研究及應用進行了闡述。

一、工程概況

四礦年設計生產能力280萬噸，核定年生產能力320萬噸。井田東西走向長約2.5km，南北傾向長約5.5km。戊九采區自上而下開采煤層為戊8煤層、戊9.10煤層，戊8煤層平均煤厚2.1m；戊9.10煤層大部分為合層，平均煤厚3.5m，戊8煤層與戊9.10煤層間距4～22m。戊8煤層在開采過程中受鄰近層瓦斯涌出影響，給回采帶來較大困難。

二、采空區瓦斯抽采的必要性

瓦斯抽采的效果主要取決于煤層瓦斯含量、煤層瓦斯的滲透率、煤層吸附瓦斯能力等因素。戊8煤的瓦斯含量為2.034m3/t，煤層瓦斯含量不高，但戊8煤層布置的工作面絕對瓦斯涌出量較高，最高達到了58.03m3/min。上隅角瓦斯時常超限，主要是受下鄰近層戊9.10煤層卸壓瓦斯涌出影響，戊9.10煤層瓦斯測定含量為12.6m3/t。因此，可估算工作面瓦斯中，本煤層瓦斯涌出占20%，采空區（鄰近層）瓦斯占80%。且戊8煤層Langmuir吸附常數a為24.29～27.94m3/t，b為0.940～1.733MPa-1，具有相當高的瓦斯吸附能力；戊8煤層透氣系數為0.006m2/MPa2·d，對應的鉆孔衰減系數為119.36d-1，煤層透氣系數很低，鉆孔瓦斯流量衰減的很快，也給戊8煤層瓦斯直接抽采帶來較大困難。因此，根據瓦斯的運移規律和賦存特征，采空區瓦斯抽采是解決戊8煤層開采中瓦斯制約難題和提高瓦斯抽采效果的有效途徑。

三、采空區瓦斯綜合抽采技術的應用研究

1.建立地面瓦斯抽采泵站

四礦的地面瓦斯抽采系統使用地面定向垂直糾偏技術和大直徑深孔定向反孔擴孔技術，直接從地面往井下垂直打鉆孔至-560m井下，然后下入￠500mm螺旋抽放管與井下瓦斯抽放系統相連。同時在地面抽放泵站旁建立瓦斯發電站，利用地面抽放泵站把井下瓦斯抽采出來發電。該瓦斯抽采系統安裝三臺瓦斯抽放泵，其中兩臺型號為CBF710-2BG3水環式真空泵，電機功率為710KW，吸氣量為500m3/min，單臺抽放實際最大吸氣量270m3/min；另一臺型號為2BEF60水環式真空泵，電機功率為315KW，吸氣量為258m3/min。

2.上隅角抽采瓦斯

圖1 上隅角抽采示意圖

在工作面回風巷內敷設￠500mm大直徑螺旋抽放管路。當該吸氣口進入采空區更深處時，打開下一個三通管件的組合閥門，依此類推，使吸氣口保持在最佳抽采位置，利用抽放泵形成的負壓抽采上隅角的瓦斯（見圖1）。上隅角大流量埋管抽采瓦斯后，經實測抽放濃度5%，純流量16.2m3/min以上。

3.尾巷抽采瓦斯

工作面距回風巷平距外錯6m，施工一條瓦斯排放巷（俗稱尾巷），每隔20～30m做一個回風聯絡川，尾巷內預先敷設一趟￠300～400mm螺旋抽放管，每一個回風聯絡川以里（采空區方向）預留一個吸氣口，回風聯絡川推過1～3m時，打開吸氣口，同時對尾巷進行封閉，即可阻止尾巷高濃度瓦斯外涌，采用預留抽放管路抽取高濃度瓦斯（見圖2）。尾巷抽采瓦斯后，經實測抽放濃度可達8%～18%，混合流量180m3/min以上，純流量21m3/min以上。

4.大直徑長距離高位鉆孔抽采瓦斯

高位鉆孔是在回風巷向煤層頂板施工的鉆孔,以工作面采動形成的頂板裂隙作為通道來抽放采空區的瓦斯。煤層開采后，其采空區在垂直方向上形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶；在水平方向上形成支撐影響區、離層區和重新壓實區。支撐影響區因采動影響使垂直裂隙增加和原始裂隙張開，為瓦斯流動提供了垂直通道；離層區為瓦斯流動提供了水平通道；重新壓實區圍巖破碎造成了透氣性增加（詳見圖3）。

戊8煤層開采后在其上方形成裂隙帶，其巖性為厚6.4m砂質泥巖，有利于鉆孔施工、成孔。冒落帶內瓦斯形成積聚層，離層區內出現層間離層且巖塊間相互擠壓，成為高濃度瓦斯流入高位鉆孔的通道，裂隙帶內布孔不僅可抽出煤壁支撐區瓦斯，更重要的是還可抽出鄰近煤層戊9.10煤層涌入到采空區的卸壓瓦斯和冒落帶，重新壓實區內殘煤釋放的瓦斯。

針對煤層賦存特點，四礦將鉆場設在回風巷下側，鉆場間距120～160m，鉆場先按30°向上施工4m，然后再變平施工高位鉆場，使鉆孔開孔在砂質泥巖里，鉆場規格為6m×4m×3m。每個鉆場布置4～5個鉆孔，終孔孔徑193mm，扇形均勻布置，鉆孔深度為140～170m。采用大直徑長距離高位鉆孔抽采瓦斯后，通過實測計算，單孔抽放瓦斯濃度0%～80%，混合流量為0～19.24m3/min，純流量0～5.87m3/min。高位鉆場抽放瓦斯濃度6%～12%，混合流量47.7～68.7m3/min，純流量2.86～6.85m3/min。

四、采空區瓦斯綜合抽采應用的效果

以建立地面瓦斯抽采泵站、上隅角抽采、尾巷抽采和大直徑長距離高位鉆孔抽采為一體的采空區瓦斯綜合抽采技術取得了以下良好效果：

1．工作面瓦斯綜合抽采率達57%以上，即工作面近2/3瓦斯量經瓦斯抽采系統抽放到地面進行發電，為瓦斯發電提供了充足、穩定的氣源，做到了煤與瓦斯共采，實現了循環經濟。

2．減少了工作面風排瓦斯，杜絕了上隅角瓦斯超限，上隅角瓦斯濃度保持在0.2%～0.6%之間。

五、結論

1.針對鄰近煤層卸壓瓦斯大量涌出導致上隅角瓦斯超限的問題，通過對采空區瓦斯綜合抽采技術和裝備的研究與試驗，較好解決了工作面上隅角瓦斯超限問題，有效防止了鄰近煤層卸壓瓦斯在回采工作面危險區域的積聚，礦井瓦斯抽采效果得到了顯著提高。

2.開采受鄰近煤層瓦斯涌出影響制約的低透氣煤層，采空區是瓦斯治理的關鍵區域。要想解決采空區瓦斯制約生產問題，必須建立大功率、大流量、大管徑瓦斯抽采系統。建立地面瓦斯抽采系統為實施瓦斯綜合抽采技術奠定堅實的基礎，從而為實現瓦斯綜合利用提供了保障。

（作者單位：山西煤炭進出口集團煤業管理有限公司晉東南分公司）

（責任編輯：周瓊）

圖2 尾巷抽采示意圖

圖3 回采工作面上覆巖層沿工作面推進方向的分區