低瓦斯含量特厚煤層瓦斯抽采技術研究

張 倩

（晉能控股集團同大科技研究院，山西 大同 037003）

同忻礦是年產1600 萬t 的高瓦斯特大型礦井，現主采煤層為石炭系3-5#特厚煤層。礦井采用綜放開采工藝，生產強度高，雖低瓦斯賦存，由于瞬間煤量較大，瓦斯涌出絕對量高。該煤層相對瓦斯涌出量為2.45 m3/t，絕對瓦斯涌出量為61.9 m3/min，回采工作面最大絕對瓦斯涌出量為22.53 m3/min，掘進工作面最大絕對瓦斯涌出量為2.02 m3/min。特別是綜放工作面初采期間由于頂煤大面積垮落，瞬間將采空區的瓦斯壓出，造成上隅角瓦斯瞬時超限問題時有發生。以往同忻礦主要采取加強通風系統管理和頂抽巷抽放瓦斯的方法治理回采期間瓦斯，對綜放工作面掘進以及初采期間的瓦斯治理效果不明顯，因此提出采用煤體瓦斯預抽的方法進行瓦斯抽采。按照“瓦斯治理，抽采先行”的技術理念，率先在掘進工作面利用倒車硐室開展了煤體瓦斯預抽工作，研究低瓦斯含量煤層開展煤體瓦斯預抽的可行性及效果，分析同忻井田“低瓦斯賦存，高瓦斯涌出”特點的瓦斯預抽效果[1-2]，根據硐室內扇形鉆孔抽放瓦斯流量及變化趨勢，分析瓦斯預抽的效果、扇形鉆孔抽采效果，驗證鉆孔布置的合理有效性。

1 工程概況

同忻礦二盤區8201工作面設計走向長2075 m，傾向200 m，開采煤層為石炭系3-5#層，平均煤厚19.01 m，f 值為2.1，采用綜放開采工藝。工作面巷道布置為“U+I”型，其中2201 為進風巷，5201 為回風巷，8201 為頂抽巷，詳見圖1。本項目以2201巷為試點進行瓦斯預抽試驗。2201 巷道為矩形斷面，凈斷面5.3 m×3.5 m=18.55 m2，全長2075 m，共設計10 個調車硐室，由巷口向里分別是1-10#調車硐室，在倒車硐室施工瓦斯抽采扇形鉆孔進行瓦斯超前預抽。

2 預抽方案設計與實施

2201 巷瓦斯預抽工程共分為三期進行，鉆孔施工完畢后，通過在2201 巷內鋪設的Ф313 mm 瓦斯抽放管路與盤區總回風巷內的瓦斯抽放管路進行對接，實現瓦斯超前抽放，具體如下：

2.1 第一期工程

在2201 巷1～8#調車硐室內分別施工6 個鉆孔，其中1～2#鉆孔為水平前探預抽鉆孔，3～6#鉆孔為順層瓦斯抽放孔。鉆孔孔徑為65 mm，開孔位置距巷道底板1.2 m，前20 m 為Ф73 mm 擴孔并安裝套管，采用水泥砂漿封孔，長度不低于10 m，封孔孔口段2 m 使用聚氨酯加強封孔強度。因兼顧巷道掘進期間煤壁預抽及回采期間煤層隨采隨抽，同時布置一趟Ф313 mm 瓦斯抽放管路，并且將鉆孔以及3#探水鉆孔一并連入抽放管路。具體參數詳見圖1和表1。

圖1 第一期鉆孔布置俯視圖（m）

2.2 第二期工程

從2201 巷第4#調車硐室至工作面以里，每個鉆場補充施工8 個鉆孔（面向硐室方向左右幫各施工4 個），鉆孔孔徑為83 mm，采用注漿封孔，封孔長度不低于10 m，封孔注漿工藝同一期1～6#鉆孔工程。具體參數詳見圖2 和表2。

圖2 第二期鉆孔布置俯視圖

表2 第二期鉆孔布置參數表

2.3 第三期工程

在2201 巷第9#和第10#調車硐室分別施工扇形短鉆孔，鉆孔間距為0.5 m，每處施工上下兩排扇形鉆孔，采用水泥砂漿封孔長度不低于20 m，封孔孔口段2 m 使用聚氨酯加強封孔強度。具體參數詳見圖3 和表3。

表3 第三期鉆孔布置參數表

圖3 第三期鉆孔布置俯視圖（m）

3 應用效果

從2020 年8 月至2020 年12 月對2201 巷3-5#煤層進行預抽，預抽150 d 后煤層瓦斯預抽效果可以從抽放瓦斯濃度、純瓦斯抽放量和混合瓦斯抽放量三個參數來看，如圖4。

圖4 2201 巷扇形預抽鉆孔效果分析圖

從圖4 可知，8 月、9 月、10 月和12 月平均瓦斯抽放濃度分別為22.41%、25.36%、29.16%和36%，純瓦斯抽放量分別為2.74 m3/min、3.09 m3/min、3.08 m3/min 和3.26 m3/min。可以明顯看出，隨著預抽時間的增長，抽采濃度顯現緩慢穩步增加，同時純瓦斯抽放量也逐漸增大；該預抽方法能解決純瓦斯抽放量約3 m3/min 左右。此外，綜合考慮同忻煤礦3-5#低含量特厚煤層透氣性一般，且煤層厚的特點，鉆孔整體衰減周期較長，建議在初采期間繼續抽采，直至瓦斯抽放量降低為0 時停止抽放。

通過瓦斯預抽，2201 巷掘進期間回風流瓦斯濃度從原最高近0.4%降低到0.15%以下，工作面開采前瓦斯濃度已由本煤層鉆孔預抽前的0.5%左右降至0.3%以下，初采期間也未發生瓦斯超限現象。

4 結論

（1）合理布置預抽鉆孔。在充分掌握、分析煤層瓦斯賦存特點的基礎上設計瓦斯預抽鉆孔，利用巷道內已開掘的調車硐室作為鉆場，進行瓦斯抽采扇形鉆孔施工。

（2）科學設計鉆孔參數。各鉆孔“各司其職”，有的用于截流抽采煤壁涌向工作面瓦斯，有的用于解壓煤體深部瓦斯，預抽期間瓦斯平均濃度達30%以上，抽采流量達10 m3/min 以上，抽采的純瓦斯濃度高達3 m3/min 以上。

（3）瓦斯預抽效果明顯。鉆孔預抽瓦斯有效降低了煤體瓦斯含量，保障了2201 巷的安全順利掘進，對8201 工作面初采期間煤層的瓦斯治理起到關鍵性作用，對同類條件下礦井的瓦斯預抽具有借鑒意義。