高瓦斯礦井工作面瓦斯綜合抽采技術研究

張玉明，魏 華

（陜西彬長胡家河礦業有限公司，陜西 咸陽713600）

瓦斯屬于煤礦的重點災害之一，但同時也是十分重要的清潔能源，合理利用瓦斯可減少災害問題發生，同時還會對中國能源安全產生直接影響。預抽煤層瓦斯是減少煤礦瓦斯災害的基礎措施之一，能保障煤礦安全開采。而礦井內的瓦斯普遍是采空區內流出的，做好采空區內瓦斯抽采治理工作意義重大。

1 高瓦斯礦井瓦斯抽采技術研究必要性

瓦斯會對采煤工作的安全實施產生直接影響，采用有效的瓦斯抽采技術能保障煤礦安全開采，而瓦斯抽采始終是煤炭領域的重點研究內容。隨著開采強度持續擴大，煤炭開采深度進一步增加，礦井內部瓦斯量進一步增加，為此需要利用有效開采技術，重視高瓦斯綜合抽采技術，提高煤礦開采效率和安全性[1]。

2 水力壓裂增透相關技術分析

2.1 技術原理

水力壓裂技術屬于煤礦進行瓦斯治理的重要手段之一，煤層內鉆孔注入高壓水，不但能促進煤體內原有裂隙繼續擴張，還可以擴大煤體裂隙，促進裂隙彼此貫通，從而組建成一種互相交織裂隙網絡。在煤層內部構建互聯互通的排放通道，提高煤層滲透率，使那些呈現為吸附狀態的瓦斯能夠順利解析為自由狀態。瓦斯處于自由狀態下時能順著裂隙不斷朝外排放，提高煤層瓦斯抽采效果，減少工作面對應煤層內的瓦斯含量，提高工作面回采效果。

2.2 水力壓裂參數

水力壓裂技術參數是決定和影響煤層水力壓裂效果的主要因素，初步確定水力壓裂參數時，應準確把握工作面中的煤體強度，了解側壓系數以及地應力大小，初步掌握各種基礎地質參數，根據工作面相關圍巖地質力學參數來準確判斷水力壓裂注水時間以及注水壓力，掌握注水相關滲透半徑，初步明確水力壓裂鉆孔對應間隔。

結合理論計算以及實驗分析掌握沁水煤田某一礦區中的煤圍巖對應地質力學參數，其中水力壓裂增透鉆孔對應間距初步設計為6 m，而瓦斯抽放鉆孔對應間距為3 m，即在每2個抽放鉆孔內對其中1個鉆孔實施水力壓裂。為了實現預期抽放目標，鉆孔施工深度應高出工作面70 m，將對應抽放鉆孔深度控制在50 m以上，對工作面各個參數進行合理設計，而需適度加深工作面對應壓裂鉆孔以及抽放鉆孔深度。為了提高鉆孔對煤層覆蓋的效果，優化封孔效果，避免出現各種卡鉆鉆孔問題，需將抽放鉆孔和壓裂鉆孔開孔高度控制在1.5 m以上，相關角度大于1°，孔徑為75 mm。針對部分煤層相對較厚的工作面，可以采取有效措施不斷提升開孔和鉆孔高度。煤層內水力壓裂可以實施全長一次壓裂，而壓裂鉆孔深度應該控制在15～25 m之間。

2.3 液態二氧化碳驅替技術

液態二氧化碳驅替技術即在煤層液態CO2壓注過程中，受到“低溫凍結、置換、驅替”三種綜合效應的影響，提高煤層瓦斯抽采效率。

在低溫凍結及升溫相變增壓作用下，迫使煤體孔隙演化及原始裂隙擴張、延伸及新生裂隙產生，從而達到增透的目的。相變成氣態的CO2在壓力差與濃度梯度作用下滲流、擴散進入煤體，與對應吸附位上的CH4產生競爭吸附，最終在注入CO2的分壓及濃度差作用下，置換并驅替煤基質中吸附位上CH4氣體，使其沿著煤層瓦斯滲流通道運移擴散至瓦斯抽采鉆孔，從而提高煤層瓦斯抽采效率[2]。

CO2屬于溫室氣體，利用CO2實施煤層地質處理，能夠發揮出置換瓦斯和廢物處置的雙重效益。煤體是裂隙和孔隙發育的重要介質，相關孔裂隙為煤層瓦斯氣體提供了基礎棲息地，同時也是儲存CO2的有效空間。煤體是一種具有較強吸附能力的介質，多種原因影響下，其對不同氣體存在一定的吸附差異。而大量實驗證明，處于相同外界環境下，煤顆粒在CO2方面的吸附量遠遠超出瓦斯氣體吸附量，從而為CO2煤層瓦斯驅替奠定了良好基礎。

3 煤層瓦斯抽采工藝技術

可以在煤層工作面的兩個順槽當中合理設置瓦斯抽放鉆孔，隨著工作面持續深入推進，提前對工作面前方現有瓦斯進行預抽處理，幫助減少瓦斯含量，確保在某種低瓦斯區域內實施工作面回采，提高工作面回采安全性。聯系前面所述內容，分析水力壓裂的鉆孔設置方案，工作面特定煤層內的瓦斯抽放鉆孔具體可以采取壓裂抽放以及抽放鉆孔相融合的一體化鉆孔措施。合理布置上排抽放鉆孔，并在下排設置壓裂抽放鉆孔，使上下兩排之間呈現為某種三花設置形式。其中上排鉆孔間距應該控制在6 m左右，對應開孔高度超出2 m，下排對應鉆孔間距維持在6 m左右，整體開孔高度大于1.5 m，鉆孔仰視角至少應該大于1°。鉆孔過程中的各種操作參數可以根據工作面煤層對應的傾斜度、煤層厚度參數來確定。

4 采空區中的瓦斯抽采技術

在工作面開采作業時，容易出現頂板上覆巖層移動問題，導致大面積離層裂隙出現，因為瓦斯氣體密度相對較小，導致瓦斯氣體順著工作面頂板上方裂隙流出，從而在工作面后層采空區頂板裂隙帶部位集聚，采空區內流入大量瓦斯，使工作面中的瓦斯含量超出基礎限制，在不斷強化工作面煤層瓦斯預抽的基礎上，還需要做好采空區洼地治理工作。

4.1 中、高位抽采鉆孔

在工作面順槽相關保護煤柱外圍合理設置瓦斯抽放鉆場，在鉆場內部可以借助千米鉆機朝工作面采空區相關裂隙帶提前做好高位鉆孔工作。其中高位鉆孔數量大于3個，對應鉆孔深度在300 m左右，而鉆孔終點孔位可以分布于工作面順槽以內的40 m、60 m、80 m這3種位置，分布于裂隙帶上層，和煤層頂板相距6～8倍的采高，相關位置參數需要進一步根據頂板裂隙帶高度以及工作面參數進行有效確定。中位鉆孔數量應該至少大于6個，對應鉆孔深度為260 m，而鉆孔終點位置主要分布于工作面順槽以內的75 m、85 m、65 m、55 m、45 m以及35 m這6種位置，分布于裂隙帶下方，和煤層頂板之間相距3倍采高，相關位置參數應該進一步根據頂板裂隙帶高度以及工作面參數進行合理設置。

4.2 鉆孔穿透抽采

在工作面的順槽對應保護煤柱外部2個橫穿之間進行穿透鉆孔，對應鉆孔間距維持在5～10 m之間，而鉆孔開的孔高度也應該限制在1 m以下，鉆孔的終孔應該設置于保護煤柱內側的巷道頂板相距0.5 m位置，促進鉆孔全面貫穿煤柱。同時在鉆孔空口中合理下放套管，全面封孔，在結束控制閥門以及測點安裝工作后，連接到瓦斯抽放鉆孔對應的核心管路當中，工作面前方的鉆孔閥門在整個操作中始終處于關閉狀態，工作面回采操作中，還可以借助支架尾梁穿透鉆孔中啟動閥門，促進裝置正式投入運行，合理調控閥門。

4.3 防滅火措施

不斷強化通風系統管理，根據工作面的實際需求風量進行準確計算，除此之外，還可以綜合考慮初采過程中高抽巷的抽采作用限制。在初采抽放過程中，工作切眼配風為每秒2 280 m3。為了提高通風系統運行規范性，保障通風斷面合理性，需要每天定期實施風量測定，提高系統運行穩定性。回采前，可以在與切眼相距30 m左右的位置，對上隅角傳輸管路實施合理改造，額外設置三通，在工作面上隅角設置瓦斯抽采管路，從而針對上隅角瓦斯進行全面抽采。相關抽采系統屬于高流量低負壓。而初采及初放過程中，大量瓦斯被全面卸壓釋放，應使整個管道傳輸通路保持暢通，及時清理其中的各種雜物，及時清除涌出的瓦斯，促進系統整體抽采效率全面提升。

在工作面內回采前，應在施工煤層中合理實施鉆孔抽采，進一步減少工作面巷道中的瓦斯涌入數量，初采過程中，盡量將抽采管對應拆除工作延后，將抽采管對應超前工作面的煤壁限制在5 m以下，強化該煤層內的卸壓瓦斯抽采工作。

5 結語

綜上所述，瓦斯抽采可以進一步幫助高瓦斯工作面維持相對穩定、安全的生產狀態，為了進一步減少高瓦斯工作面前方的瓦斯含量，應該合理控制采空區內進入工作面的瓦斯量，避免產生瓦斯超標現象。需針高瓦斯礦井工作面瓦斯綜合抽采技術進行深入研究，掌握科學有效的瓦斯抽采技能，提高瓦斯抽采效率。