＊王永健

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)水峪煤業(yè)有限責(zé)任公司 山西 032300）

引言

山西汾西礦業(yè)集團(tuán)水峪煤業(yè)有限責(zé)任公司水峪煤礦井田位于山西省孝義市境內(nèi)，礦井核定生產(chǎn)能力為400萬(wàn)噸/年。井下主要開(kāi)采的為2號(hào)煤層，該煤層的平均厚度為2.12m，是典型的不易自燃煤層，由于井下地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，因此主要采用的是一個(gè)回采面連續(xù)回采方案。井下相對(duì)瓦斯涌出量是29.55m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量達(dá)到了23.83m3/t，通過(guò)對(duì)井下瓦斯情況的深入調(diào)研，將井下瓦斯相關(guān)參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

表1 井下瓦斯基本參數(shù)匯總表

通過(guò)分析，該煤層屬于高瓦斯煤層，在綜采作業(yè)時(shí)瓦斯的涌出量大，而且瓦斯的濃度較高，如果按照傳統(tǒng)單一的抽采技術(shù)方案，難以滿足井下瓦斯的高效抽采需求。

本文以水峪煤業(yè)有限責(zé)任公司水峪煤礦的井下作業(yè)面為研究對(duì)象，提出了多方案配合的井下瓦斯綜合抽采技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了瓦斯的高效抽采，極大地提升了高瓦斯煤層條件下的抽采效率和安全性。

1.作業(yè)面瓦斯抽采技術(shù)研究

水峪煤礦堅(jiān)持“先抽后采、持續(xù)監(jiān)控、由風(fēng)定產(chǎn)”的井下瓦斯治理策略[1]，在掘進(jìn)時(shí)作業(yè)面抽采后瓦斯殘留量小于7.5m3/h，瓦斯壓力小于0.72MPa視為滿足安全抽采需求。因此結(jié)合水峪煤礦井下作業(yè)面的實(shí)際情況，綜合分析后決定采用本煤層順層鉆孔預(yù)抽+穿層鉆孔對(duì)臨近煤層和覆巖裂隙帶進(jìn)行抽采+采空區(qū)的組合式抽采方案。

(1)作業(yè)面順層鉆孔瓦斯抽采

采用未卸壓抽放（預(yù)抽）和邊采邊抽方法，利用工作面運(yùn)輸巷和材料巷施工平行工作面的順層長(zhǎng)鉆孔，在工作面回采前可以作為預(yù)抽鉆孔對(duì)本煤層瓦斯進(jìn)行預(yù)抽[2]，同時(shí)該預(yù)抽鉆孔還可隨著回采工作面的推進(jìn)前方煤體產(chǎn)生的卸壓作用，作為邊采邊抽鉆孔對(duì)煤層進(jìn)行卸壓瓦斯抽放。從而提高工作面本煤層瓦斯抽放量，減少開(kāi)采層的瓦斯涌出，工作面運(yùn)輸巷和材料巷分別鋪設(shè)一趟?325瓦斯抽采管路與采區(qū)高負(fù)壓瓦斯抽采管路接口外分別安裝GD3和激光CH4、CO傳感器一組、電動(dòng)閥門(mén)一個(gè)。作業(yè)面順層瓦斯抽采抽放鉆孔布置如圖1所示。

圖1 井下順層瓦斯抽放鉆孔布置圖

瓦斯抽放鉆孔采用了水力壓裂鉆孔，根據(jù)煤礦井下作業(yè)面的實(shí)際地質(zhì)情況，在回采區(qū)域沿著作業(yè)面的推進(jìn)方向共設(shè)置了3個(gè)水力瓦斯抽放鉆孔，各個(gè)鉆孔的直徑均為96mm，鉆孔的長(zhǎng)度約為450m。為了提高鉆進(jìn)安全性，每個(gè)鉆孔均分為8段，開(kāi)口設(shè)置到距離煤層底板1500mm的位置，鉆孔傾角為2°。

為了確保鉆孔在進(jìn)行水力壓裂時(shí)縫隙分布的均勻性，因此經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，確定將每一個(gè)水力壓裂段的間距設(shè)置為40m，封隔器的卡距設(shè)置為10m。壓裂孔布置如圖2所示。

圖2 壓裂孔布置結(jié)構(gòu)

(2)鄰近煤層瓦斯抽采

鄰近煤層瓦斯抽采[3]，即為通常所稱的卸壓層瓦斯抽采。在開(kāi)采層的采動(dòng)影響下，其上部或下部的鄰近煤層得到卸壓后會(huì)發(fā)生膨脹變形，其透氣性會(huì)大幅度提高，鄰近煤層的卸壓瓦斯會(huì)通過(guò)層間裂隙大量涌向開(kāi)采層，為防止和減少鄰近層瓦斯涌向開(kāi)采層，因此需要同步對(duì)鄰近煤層瓦斯進(jìn)行抽采。

在制定臨近煤層瓦斯抽采方案時(shí)，需要從施工效率、抽采成本等方面綜合考慮[4]，因此可以優(yōu)先利用作業(yè)面回風(fēng)順槽在掘進(jìn)時(shí)所布置的抽采鉆場(chǎng)，從鉆場(chǎng)面向作業(yè)面?zhèn)仍O(shè)置瓦斯抽采鉆孔，在每一個(gè)鉆場(chǎng)中設(shè)置8個(gè)鉆孔，這些鉆孔呈扇形布置，每個(gè)鉆孔的深度為70m。為了提高鉆場(chǎng)的可靠性，鉆場(chǎng)之間鉆孔的水平投影的搭接距離不低于22m。穿層鉆孔位置在設(shè)置時(shí)需要結(jié)合作業(yè)面頂板“O-X”破斷位置[5]來(lái)確定，根據(jù)井下作業(yè)面的礦壓監(jiān)測(cè)和上“三帶”勘探，確定該作業(yè)面的裂隙帶高度為22～31m，井下“X”型破斷帶則處于和作業(yè)面順槽距離30～40m處。結(jié)合勘探情況，將臨近煤層鉆孔方案設(shè)計(jì)如下：

①上排編號(hào)為1#、2#、3#、4#的鉆孔為高位孔，終孔位置和煤層頂板的距離是25m；1#鉆孔和井下回風(fēng)順槽巷幫的水平距離是39m，2#鉆孔和井下回風(fēng)順槽巷幫的水平距離是31m，3#鉆孔和井下回風(fēng)順槽巷幫的水平距離是25m，4#鉆孔和井下回風(fēng)順槽巷幫的水平距離是17m。

②下排編號(hào)為5#、6#、7#、8#的鉆孔為中位孔，終孔位置和煤層頂板的距離是20m；5#鉆孔和井下回風(fēng)順槽巷幫的水平距離是35m，6#鉆孔和井下回風(fēng)順槽巷幫的水平距離是27m，7#鉆孔和井下回風(fēng)順槽巷幫的水平距離是20m，8#鉆孔和井下回風(fēng)順槽巷幫的水平距離是10m。

鄰近煤層瓦斯抽采穿層鉆孔布置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 穿層鉆孔布置結(jié)構(gòu)示意圖

(3)采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)

根據(jù)勘探，相鄰的曙光煤礦現(xiàn)有老采空區(qū)瓦斯涌出量較小且老采空區(qū)少，因此采用了埋管瓦斯抽采技術(shù)[6]。將管路埋藏到采空區(qū)靠近上隅角處，通過(guò)抽采使靠近上隅角的采空區(qū)處產(chǎn)生負(fù)壓，從而降低從采空區(qū)泄漏的瓦斯量。

在采用埋管法進(jìn)行布置時(shí)，把第一根管路的端頭處設(shè)置一個(gè)正三通管及篩管，篩管需要和地面垂直布置，在篩管的外側(cè)需要設(shè)置木垛進(jìn)行保護(hù)。在正三通管的后側(cè)設(shè)置4個(gè)瓦斯抽采管路，每個(gè)管路的長(zhǎng)度均為6000mm，第一個(gè)埋管達(dá)到17m以后，開(kāi)始平行埋設(shè)第2個(gè)管路和閥門(mén)，同時(shí)在第一個(gè)埋管的后側(cè)利用三通管和啟閉閥門(mén)進(jìn)行連接[7]。井下埋管布置結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 井下埋管布置結(jié)構(gòu)示意圖

2.作業(yè)面抽采效果分析

當(dāng)進(jìn)行作業(yè)面的回風(fēng)順槽完成掘進(jìn)后，便開(kāi)始進(jìn)行瓦斯抽采鉆場(chǎng)的布置，該瓦斯抽采鉆場(chǎng)的抽采時(shí)間是從2022年6月3號(hào)開(kāi)始到2023年1月7號(hào)，在抽采期間瓦斯的最大濃度為48.6%，最小為6.7%，井下瓦斯的抽放率達(dá)到了44.6%，完成抽采后井下煤層中的瓦斯含量降低到4.43m3/t。

在作業(yè)面回采期間，利用井下回風(fēng)順槽鉆場(chǎng)，提取設(shè)置了穿層鉆孔，對(duì)作業(yè)面臨近的煤層和采空區(qū)、裂隙帶瓦斯進(jìn)行抽采。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，在抽采期間瓦斯的最大濃度為30.6%，最小濃度為16.6%；在作業(yè)面回采及采空區(qū)封閉后，則在采空區(qū)位置設(shè)置抽放管路，對(duì)采空區(qū)處集聚的瓦斯進(jìn)行抽采，此時(shí)瓦斯的最大抽采濃度為19.9%，最小為2.6%。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，在利用三種方案進(jìn)行綜合抽采后，累計(jì)抽采的瓦斯量達(dá)到了1143318m3，平均抽采率達(dá)到了64.7%，在完成治理后，作業(yè)面上的瓦斯涌出量穩(wěn)定性高，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的上升現(xiàn)象，而且在采空區(qū)的瓦斯集聚現(xiàn)象得到了明顯的優(yōu)化，使井下作業(yè)面瓦斯體積分?jǐn)?shù)始終保持在0.55%以下，提升了作業(yè)安全性。優(yōu)化后瓦斯抽采量匯總?cè)绫?所示。

表2 不同方案瓦斯抽采量匯總表

3.結(jié)論

針對(duì)水峪煤礦井下作業(yè)面的實(shí)際地質(zhì)情況，按照“先抽后采、持續(xù)監(jiān)控、由風(fēng)定產(chǎn)”的井下瓦斯治理策略，提出了本煤層順層鉆孔預(yù)抽+穿層鉆孔對(duì)臨近煤層和覆巖裂隙帶進(jìn)行抽采+采空區(qū)的組合式抽采方案，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

（1）本煤層順層鉆孔預(yù)抽、穿層鉆孔預(yù)抽、采空區(qū)布置管路預(yù)抽的立體化綜合預(yù)抽方案，能夠解決井下煤層瓦斯涌出量大、分布范圍廣的難題。

（2）井下順層抽采的平均瓦斯抽采率達(dá)到了44.7%；井下穿層抽采的平均瓦斯抽采率達(dá)到了11.8%；井下采空區(qū)瓦斯的平均抽采率達(dá)到了7.2%，有效解決了井下瓦斯抽采效率低的不足，能夠?qū)⒆鳂I(yè)面上瓦斯的體積分?jǐn)?shù)保持在0.55%以下。