文/王安忠

低透氣煤層采空區(qū)瓦斯綜合抽采技術(shù)研究及應(yīng)用

文/王安忠

我國大部分礦井尤其是西南地區(qū)煤層均屬于高瓦斯低透氣性煤層，煤層滲透率低，透氣性差，瓦斯抽采率低，煤層氣資源利用不充分，導(dǎo)致瓦斯災(zāi)害事故日益增多，嚴(yán)重威脅著礦井安全高效開采。因此，有效治理和開發(fā)利用瓦斯，實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯協(xié)調(diào)開采已成為我國煤炭工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。本文就山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)煤業(yè)管理有限公司晉東南分公司四礦，通過工程實(shí)踐對(duì)開采受鄰近層瓦斯涌出制約的低透氣煤層采空區(qū)瓦斯綜合抽采的研究及應(yīng)用進(jìn)行了闡述。

一、工程概況

四礦年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力280萬噸，核定年生產(chǎn)能力320萬噸。井田東西走向長約2.5km，南北傾向長約5.5km。戊九采區(qū)自上而下開采煤層為戊8煤層、戊9.10煤層，戊8煤層平均煤厚2.1m；戊9.10煤層大部分為合層，平均煤厚3.5m，戊8煤層與戊9.10煤層間距4～22m。戊8煤層在開采過程中受鄰近層瓦斯涌出影響，給回采帶來較大困難。

二、采空區(qū)瓦斯抽采的必要性

瓦斯抽采的效果主要取決于煤層瓦斯含量、煤層瓦斯的滲透率、煤層吸附瓦斯能力等因素。戊8煤的瓦斯含量為2.034m3/t，煤層瓦斯含量不高，但戊8煤層布置的工作面絕對(duì)瓦斯涌出量較高，最高達(dá)到了58.03m3/min。上隅角瓦斯時(shí)常超限，主要是受下鄰近層戊9.10煤層卸壓瓦斯涌出影響，戊9.10煤層瓦斯測定含量為12.6m3/t。因此，可估算工作面瓦斯中，本煤層瓦斯涌出占20%，采空區(qū)（鄰近層）瓦斯占80%。且戊8煤層Langmuir吸附常數(shù)a為24.29～27.94m3/t，b為0.940～1.733MPa-1，具有相當(dāng)高的瓦斯吸附能力；戊8煤層透氣系數(shù)為0.006m2/MPa2·d，對(duì)應(yīng)的鉆孔衰減系數(shù)為119.36d-1，煤層透氣系數(shù)很低，鉆孔瓦斯流量衰減的很快，也給戊8煤層瓦斯直接抽采帶來較大困難。因此，根據(jù)瓦斯的運(yùn)移規(guī)律和賦存特征，采空區(qū)瓦斯抽采是解決戊8煤層開采中瓦斯制約難題和提高瓦斯抽采效果的有效途徑。

三、采空區(qū)瓦斯綜合抽采技術(shù)的應(yīng)用研究

1.建立地面瓦斯抽采泵站

四礦的地面瓦斯抽采系統(tǒng)使用地面定向垂直糾偏技術(shù)和大直徑深孔定向反孔擴(kuò)孔技術(shù)，直接從地面往井下垂直打鉆孔至-560m井下，然后下入￠500mm螺旋抽放管與井下瓦斯抽放系統(tǒng)相連。同時(shí)在地面抽放泵站旁建立瓦斯發(fā)電站，利用地面抽放泵站把井下瓦斯抽采出來發(fā)電。該瓦斯抽采系統(tǒng)安裝三臺(tái)瓦斯抽放泵，其中兩臺(tái)型號(hào)為CBF710-2BG3水環(huán)式真空泵，電機(jī)功率為710KW，吸氣量為500m3/min，單臺(tái)抽放實(shí)際最大吸氣量270m3/min；另一臺(tái)型號(hào)為2BEF60水環(huán)式真空泵，電機(jī)功率為315KW，吸氣量為258m3/min。

2.上隅角抽采瓦斯

圖1 上隅角抽采示意圖

在工作面回風(fēng)巷內(nèi)敷設(shè)￠500mm大直徑螺旋抽放管路。當(dāng)該吸氣口進(jìn)入采空區(qū)更深處時(shí)，打開下一個(gè)三通管件的組合閥門，依此類推，使吸氣口保持在最佳抽采位置，利用抽放泵形成的負(fù)壓抽采上隅角的瓦斯（見圖1）。上隅角大流量埋管抽采瓦斯后，經(jīng)實(shí)測抽放濃度5%，純流量16.2m3/min以上。

3.尾巷抽采瓦斯

工作面距回風(fēng)巷平距外錯(cuò)6m，施工一條瓦斯排放巷（俗稱尾巷），每隔20～30m做一個(gè)回風(fēng)聯(lián)絡(luò)川，尾巷內(nèi)預(yù)先敷設(shè)一趟￠300～400mm螺旋抽放管，每一個(gè)回風(fēng)聯(lián)絡(luò)川以里（采空區(qū)方向）預(yù)留一個(gè)吸氣口，回風(fēng)聯(lián)絡(luò)川推過1～3m時(shí)，打開吸氣口，同時(shí)對(duì)尾巷進(jìn)行封閉，即可阻止尾巷高濃度瓦斯外涌，采用預(yù)留抽放管路抽取高濃度瓦斯（見圖2）。尾巷抽采瓦斯后，經(jīng)實(shí)測抽放濃度可達(dá)8%～18%，混合流量180m3/min以上，純流量21m3/min以上。

4.大直徑長距離高位鉆孔抽采瓦斯

高位鉆孔是在回風(fēng)巷向煤層頂板施工的鉆孔,以工作面采動(dòng)形成的頂板裂隙作為通道來抽放采空區(qū)的瓦斯。煤層開采后，其采空區(qū)在垂直方向上形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶；在水平方向上形成支撐影響區(qū)、離層區(qū)和重新壓實(shí)區(qū)。支撐影響區(qū)因采動(dòng)影響使垂直裂隙增加和原始裂隙張開，為瓦斯流動(dòng)提供了垂直通道；離層區(qū)為瓦斯流動(dòng)提供了水平通道；重新壓實(shí)區(qū)圍巖破碎造成了透氣性增加（詳見圖3）。

戊8煤層開采后在其上方形成裂隙帶，其巖性為厚6.4m砂質(zhì)泥巖，有利于鉆孔施工、成孔。冒落帶內(nèi)瓦斯形成積聚層，離層區(qū)內(nèi)出現(xiàn)層間離層且?guī)r塊間相互擠壓，成為高濃度瓦斯流入高位鉆孔的通道，裂隙帶內(nèi)布孔不僅可抽出煤壁支撐區(qū)瓦斯，更重要的是還可抽出鄰近煤層戊9.10煤層涌入到采空區(qū)的卸壓瓦斯和冒落帶，重新壓實(shí)區(qū)內(nèi)殘煤釋放的瓦斯。

針對(duì)煤層賦存特點(diǎn)，四礦將鉆場設(shè)在回風(fēng)巷下側(cè)，鉆場間距120～160m，鉆場先按30°向上施工4m，然后再變平施工高位鉆場，使鉆孔開孔在砂質(zhì)泥巖里，鉆場規(guī)格為6m×4m×3m。每個(gè)鉆場布置4～5個(gè)鉆孔，終孔孔徑193mm，扇形均勻布置，鉆孔深度為140～170m。采用大直徑長距離高位鉆孔抽采瓦斯后，通過實(shí)測計(jì)算，單孔抽放瓦斯?jié)舛?%～80%，混合流量為0～19.24m3/min，純流量0～5.87m3/min。高位鉆場抽放瓦斯?jié)舛?%～12%，混合流量47.7～68.7m3/min，純流量2.86～6.85m3/min。

四、采空區(qū)瓦斯綜合抽采應(yīng)用的效果

以建立地面瓦斯抽采泵站、上隅角抽采、尾巷抽采和大直徑長距離高位鉆孔抽采為一體的采空區(qū)瓦斯綜合抽采技術(shù)取得了以下良好效果：

1．工作面瓦斯綜合抽采率達(dá)57%以上，即工作面近2/3瓦斯量經(jīng)瓦斯抽采系統(tǒng)抽放到地面進(jìn)行發(fā)電，為瓦斯發(fā)電提供了充足、穩(wěn)定的氣源，做到了煤與瓦斯共采，實(shí)現(xiàn)了循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

2．減少了工作面風(fēng)排瓦斯，杜絕了上隅角瓦斯超限，上隅角瓦斯?jié)舛缺３衷?.2%～0.6%之間。

五、結(jié)論

1.針對(duì)鄰近煤層卸壓瓦斯大量涌出導(dǎo)致上隅角瓦斯超限的問題，通過對(duì)采空區(qū)瓦斯綜合抽采技術(shù)和裝備的研究與試驗(yàn)，較好解決了工作面上隅角瓦斯超限問題，有效防止了鄰近煤層卸壓瓦斯在回采工作面危險(xiǎn)區(qū)域的積聚，礦井瓦斯抽采效果得到了顯著提高。

2.開采受鄰近煤層瓦斯涌出影響制約的低透氣煤層，采空區(qū)是瓦斯治理的關(guān)鍵區(qū)域。要想解決采空區(qū)瓦斯制約生產(chǎn)問題，必須建立大功率、大流量、大管徑瓦斯抽采系統(tǒng)。建立地面瓦斯抽采系統(tǒng)為實(shí)施瓦斯綜合抽采技術(shù)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，從而為實(shí)現(xiàn)瓦斯綜合利用提供了保障。

（作者單位：山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)煤業(yè)管理有限公司晉東南分公司）

（責(zé)任編輯：周瓊）

圖2 尾巷抽采示意圖

圖3 回采工作面上覆巖層沿工作面推進(jìn)方向的分區(qū)