低透氣性厚煤層高瓦斯回采工作面瓦斯綜合治理技術研究

韓思華，劉樹輪

（1.冀中能源邯鄲礦業集團 太行礦業有限公司，河北 邯鄲 056300；2.冀中能源邯鄲礦業集團，河北 邯鄲 056008）

1 項目來源

我國所開采的高瓦斯和突出礦井95%以上的煤層屬于低透氣性的煤層，透氣性系數較低，瓦斯抽采難度非常大，抽采率較低，采空區瓦斯涌出在礦井瓦斯來源中占有很大的比例，因為在煤層開采時，除開采煤層外，鄰近的煤層也會有大量的瓦斯向采空區涌出，不僅工作面在開采過程當中會有瓦斯涌出，而且工作面采完，進行密閉時還會有瓦斯涌出。隨著我國煤層開采深度的增加，地應力不斷增大，煤層滲透率隨之減小，從而制約了煤層瓦斯的抽放率和抽放效果，并在很大程度上影響了礦井的正常接續。解決低滲透煤層的瓦斯抽放問題，已成為確保安全生產、提高礦井生產效率的關鍵環節。鑒于這種情況，假如只依靠通風的辦法解決，不但增加了通風的負擔，而且費用較高。通過國內外的一些實踐表明，對采空區和本煤層瓦斯進行抽采，是行之有效的。

龍泉煤礦開采煤層平均厚度為6.47 m，工作面最大絕對瓦斯涌出量為19.35 m3/min。龍泉煤礦4號煤層瓦斯解析量較大，透氣性系數為0.692 2 ~1.286 3 m2/(MPa·d)，屬于低透氣性高瓦斯厚煤層。目前，隨著礦井開采規模和開采深度的變化，礦井瓦斯含量在瓦斯梯度和壓力梯度作用下逐步增高，4 號煤層瓦斯含量為4.09 m3/t，煤層瓦斯含量梯度為1.94 m3/t·100 m。隨著礦井瓦斯含量的升高，礦井瓦斯治理任務在今后會更加艱巨，瓦斯治理工作已經是礦井能否安全生產的基礎。針對礦井低透氣性、厚煤層、高瓦斯困難條件，結合礦井回采工作面瓦斯主要來源及采用單U 通風方式采空區瓦斯治理難度大等問題，礦井“一通三防”技術人員制定了本煤層預抽、中高位裂隙帶抽采、采空區抽采等瓦斯綜合治理技術方法研究試驗，研究分析頂底板巖層移動規律與影響瓦斯運移規律，摸索出切實有效瓦斯抽采方法及關鍵技術，實現本煤層瓦斯的攔截、預抽，解決工作面瓦斯治理難題。

2 主要研究內容

根據工作面瓦斯來源，從本煤層、鄰近層卸壓、采空區抽采解決工作面瓦斯，同時就龍泉礦井煤層透氣性差的問題、中高位鉆孔層位的確定、本煤層鉆孔封孔等相關問題進行分析，確定工作面瓦斯治理技術。

2.1 本煤層預抽鉆孔的研究

2.1.1 本煤層鉆孔施工

龍泉煤礦根據煤層內瓦斯含量，合理確定本煤層鉆孔間距、長度及預抽時間，回采工作面采用兩側巷道垂直煤壁布置順層鉆孔，兩側鉆孔搭接15 m，鉆孔間距為3 m，鉆孔方位角為垂直于煤壁，鉆孔開孔位置為距離頂板2.3 m。鉆孔開孔采用姿態儀測量鉆孔傾角和方位角，鉆孔施工完成后采用軌跡儀器對鉆孔進行測量軌跡，保證鉆孔按照設計施工。本煤層鉆孔示意如圖1 所示。

圖1 本煤層鉆孔示意Fig.1 Drilling sketch of the coal seam

2.1.2 本煤層鉆孔增透技術

礦井4 號煤層采用施工高壓水力割縫（壓裂）增透技術，在保障安全的前提下對已完成小直徑鉆孔的煤層段進行高壓水力割縫擴大其直徑，排出大量煤體，促進煤體層內卸壓，形成大量裂隙；然后對割縫鉆孔封孔后進行水力壓裂，利用割縫裂隙和控制鉆孔控制水力壓裂的方向，割縫鉆孔和控制鉆孔之間煤體被壓開形成貫穿裂隙并通過高壓水攜帶出煤屑，鉆孔控制范圍內煤體卸壓，有效的增加煤層透氣性，預計鉆孔間距從3 m 增加至10 m，割縫（壓裂） 鉆孔和控制鉆孔均接入抽放系統，提高瓦斯抽采效果和降低預抽時間，預計鉆孔抽采半徑增加至15 m 左右，鉆孔抽采時間為180 d。

2.1.3 本煤層鉆孔封孔工藝研究

當前龍泉煤礦鉆孔采用三堵二注封孔方式進行封孔，即采用囊袋封孔配套專用注漿材料進行封孔，封孔管采用承受1 MPa 壓力的φ63 mm 聚氯乙烯煤礦瓦斯抽采封孔管路。對鉆孔水力割縫前需要對鉆孔進行封孔，即采用封孔器（封孔器的耐壓強度應在30 MPa 或者在預估壓裂壓力的1.5 倍以上，封孔長度10 m 以上，凝固時間4 h 以上） 或水泥砂漿封孔。水泥砂漿封孔方法：水泥砂漿封孔長度應在10 m 以上，封孔后需等待3 d 以上，直至水泥砂漿完全凝固后才可以準備壓裂試驗。變相增加封孔段長度提高封孔質量。

2.2 千米定向鉆機中高位攔截鉆孔和裂隙帶鉆孔抽采技術研究

2.2.1 千米定向鉆機中高位鉆孔設計研究

龍泉煤礦工作面設計為中位鉆孔截流、高位鉆孔抽采頂板裂隙帶瓦斯，中位鉆孔采用普通鉆機施工，鉆孔施工過程中鉆桿會存在跑偏，使終孔位置不能達到預期位置。為合理優化設計，根據該區域煤層情況，距工作面切眼500 m 鉆場內施工φ150 mm 大孔徑千米定向中高位鉆孔，并根據15~50 m不同層位布置分支鉆孔，用于抽采工作面冒落帶和頂板裂隙區域瓦斯，治理工作面采空區和上隅角瓦斯。千米定向鉆機中高位鉆孔示意如圖2 所示，千米定向鉆機成孔效果圖如圖3 所示。

圖2 千米定向鉆機中高位鉆孔示意Fig.2 Kilometer directional drilling rig in high drilling schematic

圖3 千米定向鉆機成孔效果圖Fig.3 Kilometer directional drilling hole effect diagram

圖4 半封閉插管抽采上隅角示意Fig.4 Semi-closed intubation extraction upper corner

（1） 冒落帶高度計算。

煤層頂板（冒落帶） 由若干層性質各異的巖層和煤層組成，采空區形成后，頂板面積懸露到一定極限時，直接頂板巖層初次垮落（冒落），初次垮落時工作面煤壁（或放頂線） 至開切眼的距離基本頂平均初次來壓步距為41.53 m。隨著工作面向前推進，直接頂循環跨落形成冒落帶。冒落帶縱、橫剖面一般呈拱形或正梯形，從煤壁處作冒落拱的切線稱為冒落線，冒落線向采空區傾斜，其與煤層傾向線的夾角稱為冒落角，過拱形最高點直線與煤層傾斜面平行的直線稱為冒落高度線，冒落高度線與煤層頂板間的垂距即冒落帶高度。巖層冒落角與巖石性質有關。一般情況巖石越硬，冒落角度越大，一般情況下冒落角可取45°～75°。龍泉礦4 號煤層的堅固性系數f=1 ~ 2，冒落角取50°～55°。

冒落帶高度與采高和頂板巖石碎脹性能有關，一般是采高3～4 m，巖石的碎脹系數越大，冒落帶高度越低。4 號煤層頂板為灰白色中粒砂巖，石英為主，含長石及暗色礦物，分選磨園差，泥質膠結。底部為泥巖，含植物葉片化石。中粒砂巖抗壓強度為52.93 ~ 104.77 MPa；砂質泥巖類抗壓強度一般為24.82 ~ 70.54 MPa，根據采準巷道頂板分類標準，4 號煤層頂板屬于不穩定至中等穩定性頂板。

其冒落帶最大高度按式（1） 計算。

冒落帶內根據冒落巖石的密實程度和漏風狀態，冒落帶內巖塊之間孔隙，連通性強，瓦斯容易積聚。

（2） 裂隙帶高度計算。

從煤層頂板起至裂隙帶上部的高度，即裂隙帶高度，一般是采高的5~8 倍，過裂隙帶最高處，且與煤層頂板平行的直線稱為裂隙帶高度線。

裂隙帶內是溝通采空區冒落帶和變形帶的裂隙通道。為瓦斯富集和涌出的創造通道，所以裂隙帶離層區的中下部是布置鄰層瓦斯抽放鉆孔，截斷瓦斯向工作面涌出的最佳位置。

（3） 彎曲下沉帶高度計算。

彎曲帶又稱整體移動帶或彎曲下沉帶，是指裂縫帶頂部到地表的巖層。根據前述分析，龍泉煤礦4 號煤層厚度取6.47 m，煤層傾角取5°，冒落線傾角取55°，卸壓角取79°，經計算冒落帶高度為6.7~11 m，裂隙帶高度為32.35~51.74 m。

2.2.2 千米定向鉆機設備功能技術

結合鉆孔施工特點，通過鉆孔相關技術參數對鉆孔進行設計， 根據鉆孔設計要求，ZDY-12000LD 型煤礦用履帶式全液壓定向鉆機，適用于巖石堅固性系數f≤10 的各種煤層和巖層。鉆機具有獨立行走，360 度轉彎等特點，鉆機對巷道或鉆場的要求：高度大于3 m，寬度大于4.5 m，斷面大于12 m2。相關配套設備有孔底馬達、礦用隨鉆測量裝置、定向鉆桿、擴孔鉆桿等。

2.3 半封閉插管抽采技術研究

2.3.1 半封閉插管抽采上隅角瓦斯抽采原理

半封閉插管抽采上隅角瓦斯方法的主要原理是在采煤工作面的回風側，同時靠近回風巷上幫和采空區邊緣的三角地帶形成負壓區域，使該區域內瓦斯形成紊流狀態與空氣充分混合，由抽放管路抽走。

2.3.2 半封閉插管抽采上隅角施工工藝

在4306 工作面上隅角與最后一個綜采支架回風口和4306 回風上隅角采空區處各安設1 趟直徑600 mm 的骨架風筒，與回風巷φ508 mm 低負壓抽采管路相連接，抽采回風隅角內瓦斯。抽采形成了負壓區，減少了采空區向回風隅角涌出瓦斯。工作面上隅角插管抽采混量保持在125 m3/min。工作面回風隅角插管抽采的方式解決工作面上隅角瓦斯積聚、降低采面回風流中的瓦斯濃度問題。龍泉礦在工作面上隅角采用“低負壓、大流量” 管路，改變上隅角瓦斯流場，充分抽排渦流區域瓦斯。

3 實際應用情況及效果

低透氣性厚煤層高瓦斯回采工作面瓦斯綜合治理技術在龍泉能源進行了實際應用，該技術應用效果顯著，通過增加水力壓裂技術，鉆孔影響半徑增大，使鉆孔間距增加，減少鉆孔數量，優化抽采設計建設抽采成本。減少了鉆孔施工工程量，鉆孔間距由3 m 變為10 m，每100 m 巷道本煤層（鉆孔長度140 m） 可以節省成本55.6 萬元，同時使鉆孔抽采濃度和抽采率增加50%。該技術使煤層的卸壓范圍增大，明顯增大煤層的透氣性，提高了工作面回采前的瓦斯抽放率，從而縮短工作面的投產時間、減輕瓦斯對工作面安全生產的威脅，保證工作面的安全高效生產。

通過采用千米定向鉆孔替代普通鉆孔，提高了鉆孔施工效率，減少普通鉆場及鉆孔施工數量，每一個500 m 鉆場可節省成本108 萬，同時提高了鉆孔抽采濃度，增加了鉆孔抽采量，減少上隅角瓦斯涌出。

該項目的實施工作面風排瓦斯量減少，上隅角瓦斯超限得到控制，消除了安全生產威脅，瓦斯超限斷電導致的頻繁機械故障減少，工作面勻速推進，穩定高產，合適的風量和穩定的推進度利于防火、防塵，回采超前動壓影響保持在正常范圍，兩巷斷面變形維護量大大減少。

4 結 語

龍泉煤礦通過增加水力壓裂技術、優化本煤層鉆孔施工、千米鉆機定向中位鉆孔替代普通中位鉆孔等瓦斯綜合治理技術，可以使煤層的卸壓范圍增大，能明顯增大煤層的透氣性，提高工作面回采前的瓦斯抽放率，從而縮短了工作面的投產時間、減輕了瓦斯對工作面安全生產的威脅，保證工作面的安全高效生產。龍泉煤礦實施該項目后工作面抽采純量由以前的5.6 m3/min 提高到22 m3/min；工作面瓦斯抽采率由20%上升至60%。該技術有效解決了工作面低滲透煤層的瓦斯抽放問題，為確保安全生產、提高礦井生產效率提供了重要安全保障。此外，隨著下組煤的順利開采，開展低滲透煤層瓦斯抽放研究具有重要的社會價值和經濟效益。