高河煤礦瓦斯綜合抽采技術(shù)應(yīng)用

崔 磊

（山西高河能源有限公司，山西 長治 047100）

1 3#煤層瓦斯參數(shù)

（1）瓦斯壓力：0.14～0.62MPa；

（2）瓦斯含量：5.804～7.707m3/t；

（3）瓦斯透氣性系數(shù)：0.0001597～0.2621m2/MPa2·d，屬于較難抽采瓦斯；

（4）3號煤層底板標高在334.35～579.25m之間，目前采掘區(qū)域標高在420～500m之間，埋深420～500m。

（5）煤塵具有爆炸性，自燃傾向性等級為Ⅲ類，屬不易自燃煤層。

2 抽采系統(tǒng)概況

2.1 瓦斯泵站建設(shè)情況

（1）中央風井地面泵站裝備8臺2BEC72型水環(huán)式真空泵，具備高低負壓分源抽采系統(tǒng)，電機功率560kW，額定抽放量為450m3/min·臺，其中6臺真空泵對工作面進行預(yù)抽，3用3備，2臺真空泵對采空區(qū)進行抽采，1用1備。

（2）鮑村風井地面泵站裝備8臺2BEC87型水環(huán)式真空泵，具備高低負壓分源抽采系統(tǒng)，電機功率1120kW，額定抽放量為900m3/min·臺，其中4臺真空泵對工作面進行預(yù)抽，2用2備，4臺真空泵對采空區(qū)進行抽采，2用2備。

（3）井下東翼、南翼、北翼三座移動瓦斯泵站各安裝4臺2BEC60型水環(huán)式真空泵，電機功率355kW，額定抽放量為290m3/min，分別接抽東、南、北翼瓦斯抽采系統(tǒng)。

瓦斯抽采率占礦井瓦斯涌出量近五分之三。

2.2 管路敷設(shè)及安全裝置情況

（1）地面泵站：敷設(shè)兩趟管路，一趟Φ820mm高負壓抽采管路，一趟Φ630mm低負壓抽采管路。

（2）井筒：敷設(shè)三趟Φ630mm管路，其中二趟為預(yù)抽管路，一趟為采空區(qū)抽采管路。

（3）總回風大巷：敷設(shè)一趟Φ820mm高負壓抽采管路，一趟Φ710mm低負壓抽采管路。

（4）南翼回風大巷：敷設(shè)一趟Φ710mm高負壓抽采管路，一趟Φ500mm低負壓抽采管路。

（5）北翼回風大巷：敷設(shè)一趟Φ820mm、Φ710mm分段布置的高負壓抽采管路，一趟Φ820mm、Φ500mm分段布置的低負壓抽采管路。

（6）東翼回風大巷：布置兩趟Φ500mm的瓦斯抽采管路，分別接抽高低負壓系統(tǒng)。

（7）工作面各順槽敷設(shè)一趟Φ355mm高負壓抽采管路，高抽巷敷設(shè)兩趟Φ500mm低負壓抽采管路。

瓦斯抽采管路連接監(jiān)控系統(tǒng)，實施監(jiān)測管內(nèi)瓦斯接抽情況；管路在低洼點及固定距離段安裝除渣裝置及自動放水器，及時排出管內(nèi)積水及雜質(zhì)，保證瓦斯抽采量；同時每過一段距離安裝接地極，及時導走管路內(nèi)壁電流，確保管路安裝安全運行。

3 瓦斯治理措施

3.1 地面井抽采

高河井田在回采工作面上方施工地面鉆井，通過壓裂、排采方式對井下煤層瓦斯進行接抽治理。

地面抽采井孔深平均500m，使用Ф215.9mm三牙輪鉆頭進行鉆至井深，使用外徑139.7mm、內(nèi)徑124.26mm、壁厚7.72mm、鋼級N80產(chǎn)層套管，注入水泥進行固井。

使用活性水+石英砂進行壓裂，液體經(jīng)過加壓，通過射孔的縫隙前進，在煤層中造成更多更長的裂縫（200m左右），裂縫呈立體存在。石英砂起到支撐裂縫不閉合作用。

通過地面抽采設(shè)備及裝置（目前采用油田常見的抽油體系—井下抽油泵、油管、抽油機（“磕頭機”）、配電設(shè)施等），甲烷氣體從孔隙表面解吸出來，擴散到達裂隙中，最后滲流到井筒附近產(chǎn)出。再由氣水分離器分離出氣體，即可得到煤層氣。

地面壓裂井對煤層壓裂的作用在一定程度上使煤層的透氣性有所增加，能夠使煤層中吸附瓦斯通過壓裂增透等技術(shù)手段轉(zhuǎn)化為游離瓦斯，在后期掘進、回采過程中這部分游離瓦斯通過破煤等工藝進行釋放，有效降低或解決煤層中的瓦斯問題。

3.2 井下瓦斯治理措施

3.2.1 回采工作面瓦斯治理模式

（1）本煤層順層平行鉆孔預(yù)抽

高河礦井的煤層底板等高線介于360～545m范圍，埋深450m，堅固性系數(shù)為0.508～0.614，符合2016年《煤礦安全規(guī)程》中巷道施工順煤層預(yù)抽煤巷條帶瓦斯治理措施，所以本礦井瓦斯治理措施主要為順煤層預(yù)抽鉆孔。

工作面幫部布置雙排鉆孔，上排孔孔間距3.4m，開孔高度2.5m，下排孔孔間距3.4m，開孔高度2m，方向向工作面偏5°，鉆孔深度160～175m，保證兩側(cè)鉆孔相互交叉10～15m。如圖1所示。

圖1 工作面本煤層預(yù)抽鉆孔

（2）鄰近工作面泄壓預(yù)抽

在已掘進巷道幫部布置雙排鉆孔，向鄰近工作面施工鉆孔，根據(jù)鄰近工作面長度、煤層走向、煤層頂?shù)装甯叨龋_定施工瓦斯抽采鉆孔長度、方位角、傾角。

（3）裂隙帶采空區(qū)抽采

在回采工作面兩側(cè)巷道施工鉆孔穿過煤層進入頂板巖層，接抽頂板裂隙帶瓦斯。如圖2所示。

圖2 工作面頂板裂隙帶鉆孔

（4）高抽巷采空區(qū)抽采

高抽巷布置在距工作面進風順槽水平距離45m，垂直距離煤層頂板30～35m，巷道斷面2.8m×3.0m。末端掘進至工作面切眼上方，水平距離切眼3m，垂直距離切眼頂板8m。埋設(shè)兩趟Φ500mm瓦斯抽采管，與盤區(qū)回風巷內(nèi)低負壓抽采主管連接進行抽放。

（5）沿空留巷埋管接抽

在回采工作面進風順槽沿空留巷柔膜支護包內(nèi)埋設(shè)Φ500mm瓦斯抽采管，每10m埋設(shè)一組，與巷道內(nèi)采空區(qū)管路并網(wǎng)接抽，解決后溜機尾、上隅角處瓦斯問題。

（6）CO2氣相壓裂增透

在高瓦斯區(qū)域?qū)σ咽┕ゎA(yù)抽鉆孔分段進行CO2氣相壓裂，使鉆孔周圍煤體裂隙加大，減弱瓦斯吸附能力，更容易進行瓦斯抽采。

氣相壓裂技術(shù)是利用CO2在31℃以下、7.2MPa壓力時以液態(tài)存在，而超過31℃，液體CO2瞬間膨脹為氣體，體積極速膨脹對周圍物體進行爆破。在壓裂管內(nèi)用專用高壓泵充裝液態(tài)CO2，使用時通過化學加熱，使液態(tài)CO2在20～40ms內(nèi)迅速轉(zhuǎn)化為氣態(tài), 其體積瞬間膨脹600多倍, 壓力劇增至設(shè)定壓力，將爆破片沖破, 高能CO2氣體瞬間從壓裂管噴氣孔內(nèi)爆發(fā), 對煤體作用, 從而達到物理爆破增透的目的。

氣相壓裂瞬間能使煤層產(chǎn)生大量裂隙，煤體內(nèi)被填充或壓實的裂隙被重新打開，產(chǎn)生大量人工微裂隙，開啟原有閉合裂隙，從而提高煤層透氣性、滲透率，促使大量吸附狀態(tài)的瓦斯轉(zhuǎn)化為游離狀態(tài)，并為游離狀態(tài)的瓦斯提供釋放通道，提高瓦斯抽采效率，降低煤層瓦斯含量和瓦斯壓力，有效降低或解決煤層中的瓦斯問題。

3.2.2 掘進工作面瓦斯治理模式

（1）邊掘邊抽

掘進工作面掘進過程中有下列情況之一的，實施邊掘邊抽。

① 工作面瓦斯涌出量≥3m3/min；

② 百米巷道最高瓦斯涌出量大于0.5m3/min；

③ 治理瓦斯實際供風量大于1000m3/min。

主要是保護巷道掘進，在巷道兩側(cè)設(shè)置邁步式鉆場，在鉆場內(nèi)施工扇形抽采鉆孔掩護巷道掘進，按照巷道同側(cè)80m間距、異側(cè)9m間距布置邊掘邊抽鉆場，每個邊掘邊抽鉆場內(nèi)布置6個抽采孔，覆蓋巷道輪廓線兩側(cè)26m范圍，最深鉆孔150m。如圖3所示。

圖3 邊掘邊抽鉆孔

（2）千米鉆機深孔掘前預(yù)抽

在高瓦斯區(qū)域，在礦井生產(chǎn)規(guī)劃內(nèi)需要掘進的巷道，使用千米鉆機在兩回風大巷向順槽巷道前方及兩側(cè)打煤層定向長鉆孔，預(yù)先抽采巷道及兩側(cè)煤體內(nèi)的瓦斯，鉆孔深度為350～500m，提前解決掘進工作面瓦斯問題。

（3）普通鉆孔掘前預(yù)抽

執(zhí)行煤巷工作面迎頭長鉆孔條帶預(yù)抽消突措施，在巷道迎頭施工雙排12個鉆孔，孔深150m，保證20m預(yù)抽超前距。如圖4所示。

圖4 掘進工作面迎頭預(yù)抽鉆孔布置圖

（4）區(qū)域模塊預(yù)抽

在本巷道對鄰近巷道超前施工鉆孔，接抽鄰近巷道掘進前瓦斯，超前治理掘進面瓦斯。

利用超前巷道向滯后巷道施工短距離鉆孔，提前對滯后巷道進行瓦斯抽采，利用主動泄壓抽采可有效降低滯后巷道的瓦斯含量和百米瓦斯涌出量。實施條件：兩巷道迎頭相距200m，保證施工鉆孔區(qū)段超前150m以上，鉆孔間距1.7m，孔深46m，垂直煤壁打設(shè)。

4 高效抽采創(chuàng)新方法

（1）通過閥門管控方式提高瓦斯抽采效果，從單個鉆孔并網(wǎng)管處連接閥門經(jīng)每組鉆孔連接的匯流管連接閥門到瓦斯管路連接區(qū)域鉆孔閥門進行開啟角度調(diào)整進行管控，對于接抽濃度較小、抽采純量較少的鉆孔開閥門角度調(diào)小，對于瓦斯?jié)舛取⒊椴杉兞肯鄬^高鉆孔閥門開啟至最大。

（2）在高瓦斯區(qū)域進行二氧化碳預(yù)裂，使煤體松軟，瓦斯易抽放。由于高瓦斯區(qū)域有的巷道瓦斯吸附性較強，需施工完成鉆孔后，間隔固定距離進行二氧化碳氣相壓裂，確保鉆孔瓦斯抽采效果最好。

二氧化碳氣相壓裂增透后煤層瓦斯預(yù)抽效率較非壓裂區(qū)提升約2.5～2.9倍，可實現(xiàn)工作面快速抽采。

（3）優(yōu)化抽采系統(tǒng)，減少負壓損失。針對瓦斯接抽已超服務(wù)距離、超出服務(wù)期限、接抽效果不理想的區(qū)段，及時回撤鉆孔并網(wǎng)及瓦斯抽采管路，縮短抽采距離，優(yōu)化接抽范圍，優(yōu)化瓦斯高低分布區(qū)域的接抽方式，確保瓦斯高效抽采。

5 結(jié)語

高河礦井瓦斯治理任務(wù)重，以瓦斯抽采為主，構(gòu)建地面排采井瓦斯抽采和井下區(qū)域瓦斯抽采相結(jié)合的治理模式，建立以遠距離模塊預(yù)抽鉆孔為主，短距離模塊鉆孔補充的一系列超前瓦斯治理措施，優(yōu)先布置超前抽采巷道，方便布置模塊預(yù)抽鉆孔。通過運用地面與井下多種瓦斯抽采技術(shù)，瓦斯治理取得顯著效果，實現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)。