王寶群 王志輝

(1. 新疆焦煤(集團(tuán))有限責(zé)任公司,新疆烏魯木齊 830025;2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶 400037)

艾維爾溝礦區(qū)二一三〇煤礦瓦斯防治技術(shù)探討

王寶群1王志輝2

(1. 新疆焦煤(集團(tuán))有限責(zé)任公司,新疆烏魯木齊 830025;2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶 400037)

艾維爾溝礦區(qū)二一三〇煤礦為多煤層開采礦井。隨著礦井改擴(kuò)建工程的施工,礦井開采深度增加,瓦斯及防突問題日益嚴(yán)重。日益嚴(yán)重的瓦斯問題不但嚴(yán)重影響了礦井生產(chǎn)安全,也對(duì)礦井的采掘接續(xù)產(chǎn)生了極大的影響,造成了采掘接續(xù)的緊張。近年來礦井瓦斯防治的投入大大增加,但煤炭產(chǎn)量卻增加不大,甚至出現(xiàn)減少的現(xiàn)象。因此,探索、尋求一種切實(shí)有效的瓦斯治理技術(shù)成為艾維爾溝礦區(qū)面對(duì)的重要問題。

保護(hù)層 瓦斯抽采 帶壓封孔 地面井卸壓抽采

1 礦井概況

1.1 煤層情況

二一三〇煤礦井田地層含煤共9層,自上而下編號(hào)為1、2-1、2-2、2下1、2下2、3、4、5、6號(hào),其中2下1、2下2為不可采煤層,其他煤層為可采煤層。煤層總厚度22.78m,可采煤層總厚度21.76m。如(圖1)所示。

1.2 煤層瓦斯情況

2011年4月2日13時(shí)8分,二一三〇煤礦改擴(kuò)建主斜井掘進(jìn)工作面發(fā)生煤巖與甲烷二氧化碳突出事故,突出煤巖量約為800多噸。礦井1號(hào)煤層非常松軟,在+1940m水平測(cè)得的最大瓦斯壓力為1.9MPa,經(jīng)鑒定具有突出危險(xiǎn)性。3號(hào)煤層測(cè)得的最大瓦斯壓力為0.92MPa。4號(hào)煤層在+1950m水平測(cè)得的最大瓦斯壓力為0.85MPa。5號(hào)煤層在+2047m水平的25221工作面,開采期間瓦斯涌出量較大,瓦斯超限頻繁,且在工作面端頭出現(xiàn)偏幫垮煤現(xiàn)象,測(cè)得的最大瓦斯壓力為0.75MPa。6號(hào)煤層測(cè)得最大瓦斯壓力為0.6MPa。在采掘過程中,1、5、4號(hào)煤層都出現(xiàn)過鉆孔噴孔現(xiàn)象。

1.3 現(xiàn)有的瓦斯治理措施

目前礦井使用兩套地面瓦斯抽采系統(tǒng),抽采泵型號(hào)分別為2BEC-50(2臺(tái))和2BEC-72(4臺(tái))型水環(huán)式真空泵,瓦斯抽采濃度10%～20%。礦井抽采系統(tǒng)較為完善。

礦井瓦斯抽采方式以本煤層順層鉆孔預(yù)抽為主,并結(jié)合井下采空區(qū)抽采。礦區(qū)因瓦斯抽采工作剛剛起步,抽采瓦斯量較少或者抽采瓦斯?jié)舛绕?尚未達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)利用的程度,抽出的瓦斯暫未利用。

表1 2014年～2016年2130煤礦抽采抽采鉆孔及施工費(fèi)用預(yù)算

表2 同一工作面地面井卸壓抽采與井下抽采投入對(duì)比表

2 礦井瓦斯防治面臨的問題

礦井的瓦斯問題是近兩年來隨著開采深度的增加日益顯現(xiàn)出來的,雖熱礦井引入了井下瓦斯抽采技術(shù),并建立了相對(duì)完善的抽采系統(tǒng),但仍然存在著許多的問題?？偣驳恼f來,礦井主要存在以下幾點(diǎn)問題。

2.1 井下瓦斯抽采技術(shù)的應(yīng)用存在單一性

目前礦井主要以順層本煤層抽采為主,在煤巷掘進(jìn)過程中采用先抽后掘的瓦斯治理措施,形成回采面后再施工回采的大面積順層鉆孔預(yù)抽。從安全角度考慮,在突出煤層或危險(xiǎn)程度較高的煤層中施工順層鉆孔,特別是煤巷的順層條帶預(yù)抽具有很大安全隱患,易誘導(dǎo)突出的發(fā)生。同時(shí)由于煤層厚度的變化,回采面的順層鉆孔易留下空白帶,加大了瓦斯事故的發(fā)生。例如在25221工作面由于煤層厚度從6m變?yōu)?2m,造成局部煤層變厚區(qū)域順層無法控制下部煤層,回采過程中瓦斯超限頻繁,瓦斯抽采并不達(dá)標(biāo)。單一的順層鉆孔無法解決礦井的瓦斯問題。

2.2 井下瓦斯抽采效果較差

礦井煤層透氣性較差,瓦斯抽采效果并不明顯,瓦斯抽采濃度在10%～20%,日瓦斯抽采純量約10000m3。較差的瓦斯抽采效果造成了工作面瓦斯抽采時(shí)間長(zhǎng),對(duì)本來接續(xù)就較為緊張的局面更加的嚴(yán)重。初步分析認(rèn)為造成瓦斯抽采效果較差的原因,一是抽采管理長(zhǎng),彎頭多,抽采負(fù)壓損失大;二是封孔效果差,漏氣嚴(yán)重。

2.3 現(xiàn)有瓦斯防治技術(shù)投入大,見效慢

礦井采用的井下瓦斯抽采技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)比較成熟的技術(shù)措施。但對(duì)二一三〇礦井而言井下瓦斯抽采技術(shù)工程量巨大,投入成本高。(表1)為最近3年礦井抽采鉆孔工程量及施工預(yù)算。

除了鉆孔施工的費(fèi)用與人員投入,消突巷道的施工也需要大量的資金與人員投入。而這些工程的開展以及后續(xù)的瓦斯抽采,這些都需要大量的時(shí)間安排,成為礦井生產(chǎn)接續(xù)的巨大障礙,極有可能造成礦井無煤可采的局面。

圖1 煤層剖面圖

2.4 礦井瓦斯防治手段單一

礦井井下瓦斯抽采主要依靠鉆孔預(yù)抽,抽采效果差,抽采時(shí)間長(zhǎng)。礦井應(yīng)從分利用保護(hù)層開采、卸壓開采、煤層增透等技術(shù)措施,提高瓦斯抽采效果,減少瓦斯抽采時(shí)間。同時(shí)積極引進(jìn)其他瓦斯技術(shù)措施,從瓦斯防治工程量、成本投入、人員投入等方面綜合分析探討,確立適合礦井生產(chǎn)實(shí)際的綜合瓦斯防治技術(shù)體系。

3 礦井瓦斯防治的總體思路

影響礦井瓦斯賦存的因素是多方面的,因此礦井瓦斯防治是一項(xiàng)綜合的、復(fù)雜的工作,必須建立一個(gè)具有可操控性、合理性、有效性、經(jīng)濟(jì)行的治理體系。通過研究分析國(guó)內(nèi)外瓦斯治理經(jīng)驗(yàn),結(jié)合本礦井的生產(chǎn)實(shí)踐,得出二一三〇煤礦瓦斯防治思路如下。

3.1 提高瓦斯抽采鉆孔施工工藝,調(diào)整鉆孔布置方式

井下瓦斯抽采技術(shù)可靠性高,但必須結(jié)合礦井實(shí)際情況不斷調(diào)整,研究分析適合不同煤層、不同工作面情況下的鉆孔施工工藝、封孔工藝、鉆孔布孔方式。

(1)鉆孔施工工藝。礦井目前采用順層條帶預(yù)抽與回采面順層鉆孔大面積預(yù)抽的瓦斯治理措施。這種技術(shù)措施的應(yīng)用導(dǎo)致必須在回風(fēng)巷或運(yùn)輸巷施工完畢后才能進(jìn)行回采面大面積預(yù)抽,浪費(fèi)了抽采時(shí)間,延長(zhǎng)了回采面準(zhǔn)備時(shí)間。可引進(jìn)井下千米鉆機(jī),在工作面石門或工作面回風(fēng)上山中施工包括上下順槽條帶及工作面的長(zhǎng)鉆孔進(jìn)行瓦斯預(yù)抽?？蓸O大的增大鉆孔抽采率,減少搬家次數(shù)及工作面準(zhǔn)備時(shí)間。

在煤層較軟的煤層中施工鉆孔時(shí),可引進(jìn)軟煤層施工技術(shù)及設(shè)備,試驗(yàn)風(fēng)力排查等施工技術(shù),減少垮孔、堵孔現(xiàn)象,提高成孔率。

(2)封孔工藝。礦井主要采用水泥砂漿封孔,封孔效果不佳,多有漏氣現(xiàn)象發(fā)生?？赏茝V天固等有機(jī)材料進(jìn)行帶壓封孔。這種封孔方式在艾維爾溝礦區(qū)的一八九〇煤礦16122工作面進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)表明效果明顯,鉆場(chǎng)抽采負(fù)壓由10千帕提高到了23千帕,抽采濃度由7%提高到了平均18%,最大達(dá)到28%。

(3)鉆孔布孔方式。瓦斯抽采鉆孔的布置方式是多樣的,可以是單一模式,也可以多種模式相互組合。鉆孔的布置方式需要綜合考慮煤層賦存狀況、工作面地質(zhì)情況等影響因素,確定合適的布置方式。二一三〇煤礦單一的順層長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽方式不但在施工時(shí)存在安全隱患,還會(huì)在煤層變化區(qū)域留有空白帶;同時(shí)由于鉆孔較長(zhǎng),在軟煤層中易出現(xiàn)垮孔、堵孔現(xiàn)象,影響抽采效果。礦井應(yīng)多采用穿層鉆孔進(jìn)行瓦斯預(yù)抽,并考察確定穿層鉆孔的孔間距;也可采用穿層與順層鉆孔交叉布置方式,最終可確保抽采無空白地,并能提高鉆孔抽采率。

3.2 優(yōu)化瓦斯抽采系統(tǒng),提高瓦斯抽采效果

抽采系統(tǒng)是一個(gè)組成系統(tǒng),任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都可能導(dǎo)致抽采系統(tǒng)運(yùn)行障礙,影響抽采監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和抽采效果。抽采系統(tǒng)必須有可靠的監(jiān)測(cè)裝備與技術(shù)手段,還需要專業(yè)的維護(hù)人員定期進(jìn)行維護(hù),抽采系統(tǒng)的瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也必須進(jìn)行對(duì)比分析才能確定是否握真實(shí)可靠。

(1)抽采系統(tǒng)檢測(cè)監(jiān)控設(shè)備。礦井抽采系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控除了自動(dòng)監(jiān)控外,還需設(shè)計(jì)人工監(jiān)控裝置。系統(tǒng)主管路至少設(shè)置2～3個(gè)測(cè)嘴,支管路每隔100m設(shè)置一個(gè)測(cè)嘴,鉆場(chǎng)中每隔單孔設(shè)置一個(gè)測(cè)嘴,測(cè)嘴主要用以人工測(cè)定負(fù)壓、流量、瓦斯?jié)舛取?/p>

(2)系統(tǒng)維護(hù)。抽采系統(tǒng)必須有專業(yè)人員進(jìn)行維護(hù),原則上每隔星期進(jìn)行一次抽采系統(tǒng)瓦斯參數(shù)的人工測(cè)定,測(cè)定記錄主要包括:測(cè)定人員、測(cè)定地點(diǎn)、測(cè)定類別(負(fù)壓、濃度、流量等)。測(cè)定人員需要有一定的專業(yè)知識(shí)和專用設(shè)備,測(cè)定數(shù)據(jù)繪表成冊(cè)并提交防突辦進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與對(duì)比。

(3)數(shù)據(jù)分析與對(duì)比。抽采系統(tǒng)的井下自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置受干擾較大,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性具有一定的有效期,需要人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)分析結(jié)果確定自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備是否運(yùn)行良好,如果有異常則需要對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝備進(jìn)行修理、較真。同時(shí),通過主、支管路及鉆場(chǎng)單孔的人工監(jiān)測(cè),還可預(yù)判抽采管路是否有異常。

3.3 積極開展保護(hù)層卸壓開采技術(shù)研究

對(duì)于二一三〇煤礦多煤層礦井來說,保護(hù)層卸壓開采是礦井防突、瓦斯防治的首選目標(biāo)。能夠有效、充分的利用保護(hù)層卸壓技術(shù)需要做到以下幾點(diǎn)。

(1)首次層及煤層開采順序的確定。多煤層開采中,首次煤層的確定是決定礦井煤層開采順序的前提。礦井合理的首采層及煤層開采順序,將會(huì)為礦井節(jié)省大量的人力、物力、財(cái)力,同時(shí)也是確保卸壓效果的重要保障。首采層的確定及煤層開采順序的選擇因素很多,主要涉及到煤層厚度、層間距、保護(hù)(卸壓)層利用率、抽采巷布置、鉆孔施工工藝、抽采效果等。這些因素是礦井開展煤層群瓦斯治理技術(shù)的關(guān)鍵所在。

(2)抽采巷道布置。在突出煤層采掘活動(dòng)前,不管是否卸壓,都需要進(jìn)行瓦斯抽采。抽采巷道是瓦斯抽采的重要利用方式。合理的布置抽采巷道,是減少工程量,提高抽采巷道利用率的重要前提。抽采巷道的布置要充分考慮煤層間距,保護(hù)卸壓間距,巷道布置標(biāo)高。抽采巷道布置原則:一是最大程度的能夠針對(duì)多個(gè)煤層進(jìn)行抽采;最大程度的減少抽采鉆孔工程量,減少下向孔數(shù)量。

(3)抽采鉆孔布置。抽采鉆孔是井下瓦斯抽采、消突的重要手段。抽采效果與抽采鉆孔的施工效果具有很大的關(guān)系。一般說來,穿層抽采鉆孔程度不要超過120m,過程的抽采鉆孔在施工過程中定位效果較差,不能準(zhǔn)確的施工至設(shè)計(jì)要求。抽采鉆孔盡量布置也應(yīng)盡可能布置上向鉆孔,下向鉆孔的孔內(nèi)積水將會(huì)嚴(yán)重影響抽采效果,延長(zhǎng)抽采時(shí)間。

3.4 開展瓦斯抽采新方法、新技術(shù)研究

井下瓦斯抽采是一項(xiàng)成熟的瓦斯治理技術(shù)手段,但多年的經(jīng)驗(yàn)表明井下瓦斯抽采還存在不少的缺陷。主要缺陷表現(xiàn)在:一是鉆孔施工工程量大,施工人員多;二是抽采巷道工程量大,施工工期長(zhǎng);三是抽采時(shí)間長(zhǎng),影響采掘接續(xù);四是井下抽采系統(tǒng)維護(hù)困難。

鑒于以上原因,礦井需要積極的引進(jìn)像地面抽采等新的瓦斯抽采技術(shù)與設(shè)備,減少人工與成本的投入,提高瓦斯治理效果。

4 瓦斯抽采新技術(shù)的探討

地面鉆井卸壓瓦斯抽采是目前國(guó)內(nèi)新興的瓦斯技術(shù),在山西、淮南等地取得了很好的效果。地面鉆井卸壓抽采是利用煤層回采前,在采掘準(zhǔn)備區(qū)預(yù)先施工地面直井穿越煤層(群);煤層回采過程中,充分利用煤層回采工作面的采動(dòng)卸壓增流效應(yīng)和采場(chǎng)裂隙帶的導(dǎo)流作用,對(duì)煤層回采工作面前方及后方一定范圍內(nèi)的瓦斯進(jìn)行有效的抽采,從而降低工作面的瓦斯超限風(fēng)險(xiǎn)。二一三〇煤礦為多煤層開采,礦井在開采4號(hào)及下方煤層時(shí),1、2、3號(hào)煤層可收到卸壓保護(hù)作用,符合地面井卸壓抽采要求。

4.1 地面鉆井卸壓抽采的優(yōu)點(diǎn)

成功經(jīng)驗(yàn)表明,地面鉆井卸壓瓦斯抽采瓦斯?jié)舛纫话阍?0～90%,抽采瓦斯純量為6000～10000m3/d。其高效抽采階段的卸壓期一般會(huì)維持3～4月,4個(gè)月之后將進(jìn)入抽采衰減穩(wěn)定期。

地面鉆井卸壓抽采還可以節(jié)省大量的井下施工時(shí)間、瓦斯抽出時(shí)間,減少瓦斯治理工程的投入與人員安排。(表2)為同一工作面地面井卸壓抽采與井下抽采各項(xiàng)投入的對(duì)比。

4.2 地面鉆井卸壓抽采的缺點(diǎn)

地面卸壓抽采對(duì)地面施工環(huán)境要求較高,地面鉆井施工具有一定的失敗率。根據(jù)井田煤層及頂?shù)装鍘r性的不同,地面鉆井的固井模式也不相同,還需在施工過程中不斷的考察分析,最終確定符合實(shí)際要求的鉆井方式。

5 結(jié)語

二一三〇煤礦瓦斯防治是礦井面臨的首要問題,分析認(rèn)為礦井在現(xiàn)有的技術(shù)條件下,可優(yōu)化井下瓦斯抽采技術(shù)及各項(xiàng)施工工藝,提高瓦斯抽采效果。積極開展保護(hù)層卸壓開采技術(shù)研究,制定符合礦井生產(chǎn)需要的長(zhǎng)期瓦斯防治規(guī)劃。引進(jìn)地面鉆井卸壓瓦斯抽采技術(shù),節(jié)省瓦斯防治中的工程量與資金投入,減少生產(chǎn)接續(xù)準(zhǔn)備時(shí)間。通過各項(xiàng)措施的優(yōu)化與引進(jìn),最終應(yīng)建立起井上下聯(lián)合抽采的瓦斯綜合防治技術(shù)體系。