李向陽，張躍兵，谷要帥，原 崗，焦海剛

（山西亞美大寧能源有限公司，山西 晉城 048100）

0 引 言

瓦斯是煤礦安全生產(chǎn)的嚴(yán)重災(zāi)害之一，也是豐富的清潔能源，精準(zhǔn)抽采是瓦斯災(zāi)害治理的有效手段和清潔高效利用的根本保障。目前瓦斯抽采主要采用地面井瓦斯抽采，井下本煤層鉆孔、穿層鉆孔抽采[5]，但受抽采技術(shù)和裝備水平的限制，存在一些問題：①地面井瓦斯抽采施工成本高、抽采周期長；②井下普通鉆機(jī)密集短鉆孔施工效率低，穿層鉆孔有效鉆孔占比小，鉆孔軌跡不可控，易造成未知空白帶[6]；同時(shí)因多數(shù)礦井未能夠建立完善的高、低濃瓦斯分源抽采系統(tǒng)，井下抽采瓦斯系統(tǒng)濃度波動(dòng)幅度大、氣源供給穩(wěn)定性差、不能形成規(guī)模化高效利用。大寧煤礦作為瓦斯災(zāi)害礦井，自2003 年引進(jìn)澳大利亞VLD 深孔定向千米鉆機(jī)以來，充分利用定向千米鉆機(jī)“軌跡可控”的特點(diǎn)在井下瓦斯抽采等方面進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用[7]；同時(shí)建立了完善的高、低濃度瓦斯抽采系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高、低濃分級高效利用，有效降低了礦井“碳排放”。

1 礦井概況及瓦斯地質(zhì)情況

大寧煤礦位于沁水煤田東部南段，井田面積38.8 km2，批準(zhǔn)開采 3 號煤層，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力4.0 Mt/a，開采水平 +485 m,埋深 200～450 m；礦井采用斜井開拓方式，共布置8 個(gè)井筒，5 進(jìn)3 回，構(gòu)成通風(fēng)系統(tǒng)；井下布置1 個(gè)綜采工作面和4 個(gè)掘進(jìn)工作面進(jìn)行采掘作業(yè)，配備7 臺定向千米鉆機(jī)用于3號煤層瓦斯抽采鉆孔施工，敷設(shè)抽采主干、支管約65 000 m 用于瓦斯輸送；地面建設(shè)南山、山坪2 處瓦斯抽采泵站和1 個(gè)儲氣站服務(wù)于井下瓦斯抽采和地面利用。

大寧煤礦3 號煤層位于二疊系下山西組下部，煤層平均厚度約4.45 m，屬中等變質(zhì)程度的無煙煤，全區(qū)穩(wěn)定可采，煤層頂板為粉砂巖、泥巖或砂巖，底板為泥巖或粉砂巖。煤層自燃等級為Ⅲ級，為不易自燃煤層，抽放難易程度屬可以抽放-容易抽放類型。2012 年鑒定為煤與瓦斯突出礦井，2020 年測定礦井絕對瓦斯涌出量為207.71 m3/min，相對瓦斯涌出量為26.89 m3/t。

2 礦井瓦斯精準(zhǔn)抽采

大寧煤礦現(xiàn)開采水平共劃分5 個(gè)采區(qū)，采區(qū)采用盤區(qū)式布置，現(xiàn)1 采區(qū)已回采結(jié)束，2、3 采區(qū)交替回采，4、5 采區(qū)正在開拓。

2.1 三區(qū)聯(lián)動(dòng)抽采模式

大寧煤礦按照“煤層瓦斯含量16 m3/t 以上的規(guī)劃區(qū)實(shí)施先抽后建，煤層瓦斯含量8 ～16 m3/t 的準(zhǔn)備區(qū)實(shí)施先抽后掘，煤層瓦斯含量8 m3/t 以下生產(chǎn)區(qū)實(shí)施先抽后采[8]”的要求，將正在回采、開拓的采區(qū)進(jìn)行3 區(qū)劃分：2、3 采區(qū)互為準(zhǔn)備區(qū)和生產(chǎn)區(qū)，4、5 采區(qū)為規(guī)劃區(qū)。

礦井在規(guī)劃區(qū)采用地面井超前預(yù)抽，準(zhǔn)備區(qū)采用定向千米鉆機(jī)區(qū)域遞進(jìn)模塊預(yù)抽、條帶區(qū)域預(yù)抽，生產(chǎn)區(qū)采用定向千米鉆機(jī)順層長鉆孔預(yù)抽，同時(shí)工作面采空區(qū)采用閉墻埋管抽采、頂板穿層鉆孔抽采，建立了“三區(qū)聯(lián)動(dòng)”精準(zhǔn)抽采模式。

規(guī)劃區(qū)于2015-2017 年期間委托山西蘭花煤層氣公司施工187 口地面抽采井，2018-2020 年規(guī)劃區(qū)瓦斯抽采、利用量，見表1，年度瓦斯抽采率控制在6 %～8 %之間，預(yù)計(jì)4、5 采區(qū)本煤層抽采鉆孔施工時(shí)瓦斯含量將降至14.5 m3/t 以下。

表1 2018～2020 年大寧煤礦規(guī)劃區(qū)瓦斯抽采、利用量統(tǒng)計(jì)表

2.2 定向鉆機(jī)精準(zhǔn)抽采

大寧煤礦抽放隊(duì)現(xiàn)配備7 臺定向千米鉆機(jī)，具體為：澳大利亞VLD-1000 型鉆機(jī)5 臺，西安煤科院ZDY-6000LD 型 鉆 機(jī) 1 臺 ， 重 慶 煤 科 院ZYWL-6000DA 型鉆機(jī)1 臺，均用于煤層瓦斯抽采鉆孔施工。

1）本煤層區(qū)段抽采鉆孔施工：在已掘回采巷道煤幫施工鉆場，利用千米鉆機(jī)向下區(qū)段施工本煤層長距離抽采鉆孔，用于覆蓋下區(qū)段回采工作面和回采巷道。同時(shí)根據(jù)煤層地質(zhì)條件和采掘計(jì)劃，可實(shí)施覆蓋2 個(gè)區(qū)段的本煤層長距離抽采鉆孔，抽放鉆孔竣工圖見圖1。

圖1 定向鉆機(jī)本煤層區(qū)段抽采鉆孔施工圖

2）本煤層回采區(qū)抽采鉆孔施工：對煤層賦存條件變化區(qū)域，在已掘回采巷道煤幫施工鉆場，利用千米鉆機(jī)向下區(qū)段(或本區(qū)段)方向施工本煤層長距離抽采鉆孔，用于覆蓋采面回采區(qū)域。

3）本煤層條帶定向長距離抽放鉆孔施工：對不具備采用區(qū)段抽采鉆孔施工的區(qū)域，在已掘巷道迎頭向巷道掘進(jìn)方向施工本煤層條帶定向長距離抽采鉆孔，用于覆蓋待掘巷道區(qū)域，抽放鉆孔竣工圖見圖2。

圖2 定向鉆機(jī)條帶抽采鉆孔竣工圖

通過長期的現(xiàn)場實(shí)踐，結(jié)合定向千米鉆機(jī)可進(jìn)行孔內(nèi)分支的特點(diǎn)，建立起了“一鉆場一設(shè)計(jì)、一鉆孔一設(shè)計(jì)”的管理標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了抽采鉆孔的精準(zhǔn)布置。鉆孔直徑96 mm，單孔長度一般保持在300～600 m，為礦井瓦斯精準(zhǔn)抽采提供了保障。

2.3 鉆孔施工管理創(chuàng)新

為了減少煤層巷道“卸壓圈”內(nèi)煤體松動(dòng)對瓦斯抽采鉆孔濃度的影響，大寧煤礦積極與科研單位合作，探索煤體“卸壓圈”范圍內(nèi)的最優(yōu)封孔工藝和方式，通過大量的現(xiàn)場試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析，最終確定了“兩堵一注”封孔工藝和相關(guān)參數(shù)[9]，保證了鉆孔封孔質(zhì)量，抽采鉆孔瓦斯?jié)舛仍趥鹘y(tǒng)封孔工藝的基礎(chǔ)上提升了10%～15%。

同時(shí)，為了保證井下定向千米鉆機(jī)長周期、高效率施工，大寧煤礦積極落實(shí)預(yù)防性檢修理念，形成了特有的“3+1”預(yù)防性檢修模式[10]，“3”即為每一臺定向千米鉆機(jī)配備3 名兼職檢修人員，每班負(fù)責(zé)關(guān)注鉆機(jī)的運(yùn)行情況，充分利用交接班時(shí)間對鉆機(jī)進(jìn)行預(yù)防性檢修；“1”即為每臺鉆機(jī)配備1 名專職檢修包機(jī)人員，負(fù)責(zé)制定鉆機(jī)檢修計(jì)劃，并嚴(yán)格落實(shí)，以有效延長鉆機(jī)使用周期，降低故障影響時(shí)間。通過“3+1”預(yù)防性檢修模式的推廣，極大地提升了定向千米鉆機(jī)開機(jī)率，為抽采鉆孔的高效施工奠定了基礎(chǔ)。

面對瓦斯抽采鉆孔高技能人員流失嚴(yán)重, 大寧煤礦不斷完善量化考核標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)施各項(xiàng)激勵(lì)制度，推進(jìn)市場化工資核算方式[11]，使高技能人員獲得更多的回報(bào)；同時(shí)2020 年至今，在高質(zhì)量黨建的引領(lǐng)下，高質(zhì)量精神文明建設(shè)快速落地，抽放隊(duì)員工獲得感、榮譽(yù)感迅速增強(qiáng)，勞動(dòng)積極性極大提高，礦井抽采鉆孔進(jìn)尺穩(wěn)步提高（見圖3）。

圖3 2016-2020 年大寧煤礦千米鉆機(jī)臺效統(tǒng)計(jì)

3 礦井瓦斯高效利用

3.1 高、低濃度分源抽采系統(tǒng)

大寧煤礦建設(shè)有南山、山坪2 處地面瓦斯抽采泵站，共裝備各型號水環(huán)式真空泵19 臺，構(gòu)建了高、低負(fù)壓，高、低濃度瓦斯抽采系統(tǒng)。

表2 各抽采瓦斯系統(tǒng)配備的抽采設(shè)備一覽表

南山泵站高負(fù)壓低濃系統(tǒng)（一）：抽采10%以上低濃度瓦斯，抽采對象為控制的采面瓦斯預(yù)抽、邊采邊抽；南山泵站高負(fù)壓高濃系統(tǒng)（二）：抽采30%及以上高濃度瓦斯，抽采對象為采面瓦斯預(yù)抽、邊掘邊抽；南山泵站低負(fù)壓低濃系統(tǒng)（一）：抽采10%以下低濃度瓦斯，抽采對象為1、2、3 采區(qū)老采空區(qū)；山坪泵站低負(fù)壓低濃系統(tǒng)（二）：抽采5%以下低濃度瓦斯，抽采對象為生產(chǎn)期間采空區(qū)；山坪泵站低負(fù)壓低濃系統(tǒng)（三）：抽采5%以下低濃度瓦斯，抽采對象為生產(chǎn)期間頂板高位孔。日均瓦斯抽采純量達(dá)20 萬m3。

圖4 大寧煤礦抽采系統(tǒng)示意圖

表3 2018-2020 年礦井瓦斯抽采、風(fēng)排量統(tǒng)計(jì)表

3.2 瓦斯梯級高效利用

為了配合高、低濃度分源瓦斯抽采，大寧煤礦建設(shè)有容積為24 000 m3的儲氣站，以實(shí)現(xiàn)瓦斯梯級高效利用和氣體的穩(wěn)定安全供給。

南山瓦斯泵站30 %及以上的高濃瓦斯氣體用于礦井自用、大寧遠(yuǎn)孚鈣鎂有限公司冶金、山西國新中昊盛能源有限公司銷售，利用率100 %；10 %以上低濃瓦斯氣體，部分銷售于山西國新中昊盛能源有限公司，利用率約31%，瓦斯綜合利用率達(dá)41.2%。

表4 大寧煤礦2021 年1-6 月份瓦斯利用量統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)束語

1）根據(jù)礦井采區(qū)劃分和生產(chǎn)規(guī)劃，合理劃分規(guī)劃區(qū)、準(zhǔn)備區(qū)和生產(chǎn)區(qū)，采用地面井超前預(yù)抽，定向千米鉆機(jī)本煤層預(yù)抽，采空區(qū)閉墻埋管大流量抽采等，構(gòu)建起了“三區(qū)聯(lián)動(dòng)抽采模式”。

2）通過定向千米鉆機(jī)“設(shè)計(jì)、施工、設(shè)備維護(hù)、勞動(dòng)組織”四并重管理，保證了千米鉆機(jī)長周期、高效率、高質(zhì)量的施工，完成了對煤層瓦斯的精準(zhǔn)、高效抽采，實(shí)現(xiàn)了對煤與瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)的有效管控。

3）通過高、低濃度瓦斯抽采系統(tǒng)的管理，建立了多途徑利用渠道，實(shí)現(xiàn)了抽采瓦斯的高效利用，形成了煤與瓦斯綠色共采模式。

4）現(xiàn)階段礦井在低濃度瓦斯利用方面與習(xí)近平總書記提出的“3060”碳峰值碳中和的目標(biāo)仍有一定差距，仍需積極與科研院所、相關(guān)企業(yè)合作，不斷提高礦井瓦斯綜合利用水平，走出一條綠色、高效的發(fā)展之路。