影響本煤層瓦斯抽采效果的因素及對策

董 愷

(陜西華彬煤業股份有限公司蔣家河煤礦，陜西彬州 713500)

0 引言

瓦斯災害是煤礦中最嚴重的災害之一［1］。為了預防瓦斯窒息、燃燒、爆炸或煤與瓦斯突出等事故的發生，我國制定了“先抽后采、以風定產、監測監控”的瓦斯治理方針，把瓦斯治理作為預防煤礦事故的頭等大事來抓。從當前科技水平來看，瓦斯治理的主要方法是風排和抽放。按抽放對象來分，抽放瓦斯的方法主要有:本煤層抽放瓦斯、鄰近層抽放瓦斯、圍巖抽放瓦斯和采空區抽放瓦斯［2］。本煤層抽放瓦斯就是抽放開采煤層的瓦斯。它是礦井瓦斯治理的核心，是消除重大瓦斯事故的治本之策［3］。在本煤層瓦斯抽采的過程中，由于受瓦斯抽放管路漏氣、積水以及煤層透氣性和瓦斯抽放泵能力等因素的影響，抽采瓦斯的效果有較大的差異。

為了提高本煤層瓦斯抽采率，降低煤炭開采時本煤層瓦斯涌出量，蔣家河煤礦在近10年的瓦斯抽采實踐過程中，對這些影響因素進行了探索和改進，本煤層瓦斯抽采取得了較好的效果。

1 礦井概況

蔣家河煤礦生產規模90萬t/a，采用立井單水平開拓、中央邊界式通風、綜合機械化放頂煤法開采。4#煤層為井田內主要可采煤層，平均煤厚為5.27 m，全井田分布、結構單一，為高瓦斯礦井［4］。該礦在近10年瓦斯抽采過程中，對抽采系統及工藝進行了不斷地探索和改進，一是將瓦斯抽放設備由井下移動式變為地面固定式;二是瓦斯抽放泵能力由125 m3/min變為1 040 m3/min;三是瓦斯抽放方法由煤體預抽+上隅角插管抽放變為煤體預抽+高位鉆孔+上隅角邁步式埋管抽放;四是管路放水由單一人工放水或自動放水器放水變為人工放水與自動放水器相結合放水;五是封孔工藝由聚氨酯封孔變為聚氨酯+水泥漿+彈簧膠管封孔。通過對抽采工藝的改進，瓦斯抽采效果有了很大的提升，工作面抽采率由43%左右上升到80%以上，抽采濃度由4%左右上升到7%以上(已經實現瓦斯發電)，工作面風排瓦斯量由6．6 m3/min左右下降到3 m3/min左右。

2 影響瓦斯抽采效果的因素和改進方法

2．1 影響瓦斯抽采效果的因素

抽放管路漏氣影響:由于本煤層瓦斯抽放管路線路長、接頭多，自鉆孔開始經若干支管、干管、主管，最后連入抽放泵，再加之管路上還安裝有除渣器、放水器、測量裝置等附屬設施，造成抽放管路時有漏氣現象發生。管路漏氣主要發生在鉆孔封孔位置、不同管徑管路或相同管徑管路接頭處、管路與放水器等附屬設施連接處等。鉆孔封孔位置漏氣的主要原因:一是封口長度不夠，未超過巷道松動圈［5］(圍巖強度及地應力大小影響松動圈的厚度)。孔口段圍巖條件好、構造簡單、孔口負壓較低時，封孔長度不應低于3 m;孔口段圍巖裂隙較發育或孔口負壓較高時，封孔長度不應低于5 m;在煤壁開孔的鉆孔，封孔長度不應低于7 m［6］。二是孔口位置采用PVC管路作為抽放管，在礦山壓力的作用下容易壓裂，壓裂位置在松動圈范圍內，就會造成抽放鉆孔漏氣。鉆孔封孔位置漏氣，鉆孔內的抽放負壓下降，純瓦斯抽采量就會減少。不同管徑管路或相同管徑管路接頭處、管路與放水器等附屬設施連接處漏氣的主要原因是連接面不平整、橡膠墊厚度不夠或破損、連接螺栓未上緊、變徑接頭不配套、軟管與鐵管管徑不匹配等，這些漏氣的存在也會造成鉆孔里的抽放負壓下降，導致純瓦斯抽采量減少。

抽放管路積水影響:瓦斯抽放管路產生積水的原因有，①煤層或其頂、底板位于含水層或鄰近含水層;②施工抽放鉆孔時采用濕式鉆孔;③抽放管路安裝坡度不一致，存在低洼處;④管理不善或抽放管路放水不及時。由于這幾個原因，在進行瓦斯抽放時，煤層中的含水在抽放負壓的作用下，會進入瓦斯抽放支管路或主管路，增加了其管路的阻力，降低了鉆孔內的抽放負壓，減少了抽放純瓦斯量。

煤層透氣性影響:煤層透氣性是指在壓力差作用下，煤層氣在煤層中流動的難易程度，我國采用透氣性系數定量表示煤層透氣性。煤層透氣性系數是衡量煤層瓦斯流動難易程度的指標，是研究煤層瓦斯抽采、瓦斯突出危險性預測和煤層氣開發的重要技術參數［7］。根據煤層透氣性系數將煤層瓦斯抽放的難易程度劃分為3類:容易抽放、可以抽放、較難抽放［2］。煤層透氣性系數越大，本煤層瓦斯抽放效果越明顯。

抽放泵能力影響:在抽放管路沒有漏氣和積水的情況下，瓦斯抽采率或風排瓦斯量仍然達不到相關規定要求，這時就需要選擇抽放量大及抽放負壓高的抽放泵來進行瓦斯抽放。抽放泵負壓越高、流量越大，抽放的純瓦斯量就越多，反之則少。

2．2 提高本煤層瓦斯抽采效果的方法

減少或杜絕瓦斯抽放管路漏氣現象:對于抽放鉆孔封孔不嚴引起的漏氣現象，可采用聚氨酯+水泥漿封孔，或封孔位置用彈簧膠管代替PVC管路進行封孔。通過蔣家河煤礦實踐，采用這兩種方法的一種或兩種，均可以有效減少漏氣量，提高純瓦斯抽采量。聚氨酯+水泥漿封孔方法如圖1所示。圖中抽放鉆孔直徑Ф113 mm，封孔管為Ф80 mm的PVC管或Ф80 mm的彈簧膠管，排氣管為Ф15 mm的塑料管，注漿管為Ф15 mm的鋼管。在注漿泵的作用下，水泥漿通過注漿管注入封孔管周圍空間并滲入煤層裂隙，可有效防止封孔位置漏氣。對于不同管徑管路或相同管徑管路接頭處、管路與放水器等附屬設施連接處的漏氣現象，可在漏氣位置涂抹橡皮泥，可有效降低瓦斯抽放管路接頭處的漏氣現象。

圖1 聚氨酯+水泥漿封孔示意圖

人工放水與自動放水相結合:瓦斯抽放管路主要有兩種放水方式:一種是安裝自動放水器進行自動放水(圖2(a));一種是安裝人工放水箱進行人工放水(圖2(b))。如果僅采用自動負壓放水器進行放水，鉆孔內的煤泥或煤渣在抽放負壓的作用下，就會與水一同流入自動負壓放水器，由于未經沉淀，水中的煤泥或煤渣容易粘在放水器的進氣閥2和放水閥11上，使這兩個閥失去各自作用，自動放水器便不能自動放水;如果僅采用人工放水器放水，在水量較大、放水工少的情況下，管路中難免積存大量的水，影響抽放效果。蔣家河煤礦在分析這兩種放水器優缺點的基礎上，選用了人工放水與自動放水相結合的方式，大大減少了管路積水現象，提高了瓦斯抽采率。做法是:在原有人工放水箱的中部開設了一個溢水口15，并將溢水口15與自動負壓放水器進水管1相連，人工放水箱起到了沉淀、存水的作用。當水位高過溢水口后，沉淀后的清水經連通管路流入自動負壓放水器，由于煤泥及煤渣已被沉淀，自動負壓放水器失效的現象明顯減少，抽放主管路積水的現象很少發生。另外，每天8點班安排放水工對自動負壓放水器進行檢查，對人工放水箱進行放水和除渣。

圖2 人工放水與自動放水相結合放水方式示意圖

強化受采動影響范圍內的抽采:隨著工作面向前推進，前方煤巖體應力環境發生周期性變化［8］，在采煤工作面前方，依次存在著卸壓帶、集中應力區和原巖應力區3個區域［9］。卸壓帶內的煤體產生劈裂而被拉斷，裂隙通道增多，瓦斯涌出量增大，抽放量也增加［10］。因此，通過支管閥門控制其他區域鉆孔的抽放量，增大受采動影響范圍內本煤層鉆孔的抽放量，可有效提高瓦斯抽采率。

采用液態CO2致裂技術增加煤層透氣性:液態CO2致裂增透［11］原理是在溫度小于31℃且壓力超過7．35 MPa時，CO2呈現液態，溫度大于31℃時則逐漸氣化。通過發揮該特性，在致裂裝置的充裝管內加注液態CO2，利用煤礦專用發爆器迅速激發加熱設備，在40 ms內充裝管內液態CO2快速氣化，自身體積迅速膨脹，形成大量高壓CO2氣體，超過泄能片極限壓力時，泄能片于0．1～0．5 s內爆裂，高壓氣態CO2由泄能頭四周的泄氣孔飛速沖出，與空氣介質碰撞，產生強大的應力波，沖擊試驗煤體，從而將試驗煤體炸裂，達到煤體增透的目的。煤層透氣性增加，純瓦斯抽采量增大。

3 效果驗證

3．1 減少管路漏氣、積水現象后的效果

2018年5月3日8點班上班后，安排工作人員對ZF205工作面回風巷Ф400 mm主抽放管路、Ф152 mm鉆場總支管路、Ф80 mm鉆孔抽放管路的漏氣、積水情況進行了檢查，其中6號高位鉆場Ф152 mm管路有積水，3號低位鉆場Ф152 mm管路與Ф400 mm主抽放管路連接處漏氣，4號低位鉆場5號、11號鉆孔口漏氣，隨后安排人員對這5處問題進行了處理，同時安排抽放工對這5處管路問題處理前、后的孔板壓差、流量、濃度和負壓進行了測量，測量結果見表1。由表1可以看出，減少管路漏氣、積水現象，可以提高瓦斯抽采率。

3．2 強化采動影響區抽采的效果

2016年5月14日零點班，在ZF203工作面運輸巷，對距工作面260 m范圍內的4個(23號鉆場距工作面剩余20 m，抽放管路已回收)鉆場(每個鉆場半扇形布置16個抽放鉆孔)的Ф152總支管內的瓦斯濃度進行了測量，5個鉆場與工作面的位置關系如圖3所示，測量結果見表2。

表1 管路漏氣積水處理前后抽放參數對比表

圖3 鉆場與工作面的位置關系圖

表2 鉆場Ф152總支管內的瓦斯濃度

由表2可以看出，工作面前方煤體受采動影響后瓦斯抽采濃度增加范圍達170 m，這個范圍內的鉆場(22號、21號、20號這3個鉆場未進入受采動影響范圍時，抽放濃度3%左右)Ф152總支管內的瓦斯濃度明顯高于未受采動影響鉆場(19號)Ф152總支管內的瓦斯濃度，因此，強化受采動影響范圍內本煤層鉆孔瓦斯抽放，可提高瓦斯抽采率。

3．3 液態CO2增透效果

2016年11月，蔣家河煤礦在ZF204工作面運輸順槽距離開切眼200 m處進行液態CO2增透試驗。試驗共施工7個鉆孔，3個致裂孔，4個控制孔(用于觀測瓦斯濃度、流量等)，3個致裂孔間距為50 m，每兩個致裂孔中間布置一個控制孔。所有孔的孔徑均為113 mm，致裂孔孔深50 m，控制孔孔深120 m。致裂孔和控制孔交替布置，鉆孔布置如圖4所示，布置參數見表3。

經過16天的液態CO2致裂試驗與數據觀測，對各個鉆孔的瓦斯濃度以及流量進行致裂前和致裂后的對比分析，致裂后各個鉆孔瓦斯濃度和流量都得到了不同程度的提高，其中2號控制孔瓦斯濃度提高最大，從5．2%提高到75%，提高了近15倍，經過10天后衰減到16%左右，效果最為明顯。其余控制孔瓦斯濃度都有不同程度提高，平均抽采濃度由原來的3．7%提高到 14．28%，平均提高近 3．5倍。根據與致裂孔不同間距的控制孔濃度變化來看，瓦斯抽采半徑由原來的3 m增大到7 m。各個控制孔的瓦斯流量平均提高了3～5倍，致裂效果非常明顯。因此，采用液態CO2等手段對煤體進行致裂，可提高瓦斯抽采率。

圖4 致裂孔和控制孔孔口位置布置圖

表3 試驗鉆孔布置參數

4 結論

(1)在本煤層瓦斯抽采的過程中，瓦斯抽放管路漏氣、積水以及煤層透氣性和瓦斯抽放泵能力等因素對其抽采效果有不同程度的影響。

(2)采區減少管路漏氣、積水現象，強化受采動影響范圍內本煤層鉆孔抽放，進行水力壓裂、預裂爆破、液態CO2致裂等方法，增加煤層透氣性，增大抽放泵能力;這些綜合措施的運用可提高本煤層瓦斯抽采率。