低透氣性煤層瓦斯抽采技術研究與應用

李君年

(山西省長治經坊煤業有限公司,山西 長治 047100)

煤層瓦斯是引發礦井瓦斯突出甚至爆炸事故的元兇，給井下現場正常安全生產帶來了重大風險隱患。對其進行治理是煤礦安全生產的重要組成部分，而對瓦斯進行抽采是實現瓦斯治理的根本途徑。隨著煤炭開采技術的長足進步和煤礦機電裝備水平的逐步提高，各礦所開采煤層的深度也隨之增大，而煤層埋藏深度相對較深時，其自身的透氣性也會越小，相應地，瓦斯抽采率也會較低、抽采效果較差。因此，需要結合礦井實際情況，對低透氣性煤層條件下的瓦斯抽采方法進行研究，以達到改善瓦斯抽采效果，從而確保礦井安全生產的目的。

1 礦井開采情況

經坊煤業位于山西省長治市上黨區，隸屬于山煤集團，井田面積30.72 km2，產能300萬t/a。礦井通風采用中央分列方式，通風方法通過抽出式通風，四個井筒當中的主、副斜井、進風立井承擔著進風工作，而回風立井承擔著回風工作。礦井絕對、相對瓦斯涌出量的最大值分別是48.13 m3/min、7.62 m3/t，為高瓦斯礦井。目前正在進行3號煤層的開采作業，其自身為有爆炸性的不易自燃煤層。

根據現場地質構造、地表村莊及開拓布置等情況，將3號煤層劃分為9共個采區，一采區、二采區、三采區、四采區已結束開采活動，目前對五采區、七采區的3號煤層進行開采，五采區、七采區各布置一個工作面進行回采，六采區和八采區正進行采區大巷掘進，五采區、六采區設計產量均為120萬t/a，為接替關系；七采區、八采區設計產量均為180萬t/a，為接替關系，九采區由于地表是未搬遷村莊和鐵路，暫不考慮進行開采。

回采工作面均為綜放開采的方式，各布置兩條巷道進行“U”型通風，其中運輸巷道承擔著進風工作，而回風巷道承擔著回風工作。

2 礦井瓦斯情況

2.1 3號煤層瓦斯含量

經坊煤業3號煤層的埋藏深度自南向北逐漸增大，埋藏最深點位于井田的西北角；煤層埋藏越深，其自身的瓦斯含量也越大，瓦斯含量最大地點位于礦井西北角。按照以往井田范圍內所布置3號煤層各測點的埋深與瓦斯含量數據，對兩者關系進行回歸計算擬合，得出以下近似線性關系計算公式：

W=0.013 4H+0.095 8

(1)

式中:W表示3號煤層的瓦斯含量，m3/t；H表示3號煤層的埋藏深度，m。而3號煤層埋深最大值為466 m，由此計算得出其相應的瓦斯含量最大值為6.34 m3/t。

2.2 3號煤層透氣性及衰減系數

煤層瓦斯預抽可行性，也就是煤層最初透氣性狀況下對其瓦斯預抽是否具有可行性，現行有兩大衡量標準：透氣性系數λ和鉆孔瓦斯流量衰減系數α。表1為根據煤層瓦斯預抽可行性判斷標準。

經坊煤業3號煤層的透氣性系數、鉆孔瓦斯流量衰減系數的范圍分別是0.163～0.297 m2/MPa2·d、0.008 9～0.036 6 d-1。對照表1可以得出，盡管可將其劃歸為可以抽采煤層，但是其自身的透氣性較差。

3 瓦斯抽采方案

3.1 瓦斯抽采范圍

按照《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》針對煤層瓦斯抽采的一系列要求，經坊煤業南翼3號煤層回采、掘進工作面絕對瓦斯涌出量的最大值分別為3.93 m3/min、1.35 m3/min，均小于抽采最低要求，并且南翼3號煤層實際生產中回采、掘進工作面絕對瓦斯涌出量的最大值分別為0.15 m3/min、0.09 m3/min，利用通風系統能夠對回采、掘進工作面的涌出瓦斯進行風排，因此不需要在南翼3號煤層回采、掘進工作面中布置瓦斯抽采系統。

北翼的七采區和八采區工作面瓦斯涌出量都大于5 m3/min，并且八采區工作面是全礦井工作面中瓦斯涌出量最大的，而七采區即將回采完畢，因此，礦井抽采以瓦斯涌出量最大的八采區為研究對象，整個瓦斯抽采系統可服務于3號煤層。

3.2 瓦斯抽采方法選擇

針對3號煤層回采工作面瓦斯涌出情況，其來源包括開采層回采過程及其采空區遺煤、鄰近層和老采空區等部位。據此，根據瓦斯涌出來源，為取得良好的瓦斯抽放效果，本次采用開采層、現采空區和老采空區的綜合抽采方案，具體不同類型的抽采方法見表2。

表2 抽采方法選擇

4 瓦斯抽采設計

經坊煤業建立地面泵站，安裝4臺抽采泵，布置高、低負壓兩個抽采系統，其中高負壓承擔開采層的瓦斯抽采工作，低負壓承擔現、老采空區的瓦斯抽采工作。整個抽采泵站布置于回風立井工業廣場，利用回風立井作為瓦斯抽采管道井使用。

4.1 開采層抽采設計

1) 鉆孔施工方法：工作面回風巷道當中順著煤層施工抽采鉆孔，而運輸巷道當中則向上傾斜施工抽采鉆孔，其傾斜角度根據煤層傾角變化進行及時調整，終孔必須落于煤層范圍內，工作面兩條巷道中的抽采鉆孔開孔均距離底板1.5 m之上，在完成抽采鉆孔施工作業之后，及時與抽采管路進行連接并開始抽采作業。

2) 抽采鉆孔布置：經坊煤業南翼八采區3-803綜放工作面的走向長度為1 100 m。回風巷道、運輸巷道中,首先布置抽采鉆孔與切眼的距離分別為3 m、4.5 m，之后分別沿著兩條巷道依次布置，分別施工366個、353個抽采鉆孔。圖1為開采層抽采示意。

圖1 開采層抽采鉆孔布置

3) 鉆孔封孔方法：采用囊袋式帶壓注漿封孔方法。

4.2 現采空區抽采設計

1) 鉆孔施工方法：在工作面回風巷道當中布置高位鉆孔鉆場對裂隙帶瓦斯進行抽采，每個鉆場的寬、深、高分別為5 m、4.5 m和3 m，其中第一個同切眼之間的距離為70 m，之后以35 m的間距沿著回風巷道依次布置。

2) 抽采鉆孔布置：各個鉆場的高位鉆孔均采用雙排布置形式，每排各5個高位鉆孔，共10個高位鉆孔。圖2為現采空區抽采示意。

圖2 現采空區抽采鉆孔布置

3) 鉆孔封孔工藝：采用規格為D113 mm鉆頭進行抽采鉆孔施工，鉆孔長度保持在80～93 m的范圍之內，鉆孔封孔長度12 m。打設抽采鉆孔完畢之后，將規格為D90 mm的雙抗軟管插入抽采鉆孔之內，再及時通過“兩堵一注”封孔工藝對抽采鉆孔實施封孔。為保證抽采鉆孔的施工質量和密封性，根據現場抽采鉆孔施工情況，可適當增加鐵套管固孔。

4.3 老采空區抽采設計

針對老采空區的瓦斯涌出問題，將密閉墻布置于老采空區兩條巷道的巷道口，并將抽采管路插入密閉墻內實施全封閉插管抽采。圖3為老采空區抽采示意。

圖3 老采空區抽采示意

5 水壓預裂增透手段

對開采層抽采鉆孔實施水壓預裂手段，該設備主要裝置有注水泵、水箱、壓力表、專用封孔器等。其中，注水泵的額定壓力為31.5 MPa，配備BRW31.5/31.5型乳化液泵站。并將壓力表、流量計和溢流閥等相關配件安裝于注水泵和管路當中，用以監控注水壓力、水量、時間等參數信息，以保障水壓預裂效果。水壓預裂設備如圖4所示。

圖4 水壓預裂設備示意

注水壓力：初始注水壓力為15 MPa，再根據現場鉆孔注水流量變化逐漸增加注水壓力到30 MPa，直到水壓不再升高，流量保持穩定增加為止。

封孔參數：在注水鉆孔內下直徑63 mm的孔口管，采用馬麗散封堵孔口管與鉆孔孔壁之間的縫隙，孔口管深15 m，再通過專用封口器封孔，封孔深度12 m。

6 結 語

經坊煤業現場采用低透氣性煤層瓦斯抽采技術，并配合水壓預裂增透手段后，能夠降低工作面瓦斯涌出，緩解通風系統負擔過重情況，給礦井的抽采銜接及巷道維護創造了良好條件。在回風立井工業廣場建成瓦斯抽采系統之后，按照設計抽采能力計算，礦井瓦斯抽采量為23.84 m3/min，抽采率為49.5%，純瓦斯抽采量為1 253萬m3/a。從根本上治理了工作面瓦斯超限，避免了瓦斯事故，實現了礦井安全高效生產。