特厚煤层综放工作面瓦斯抽采技术

2020-01-09吕蒙蒙王启宇

陕西煤炭 2020年1期

吕蒙蒙，王启宇

(陕西秦安煤矿安全评价事务有限公司，陕西西安 710001)

0 引言

瓦斯事故严重威胁着井下职工的人身安全，并可导致重大经济损失，因此瓦斯防治是煤矿安全最重要的工作之一。瓦斯抽采是防治瓦斯的重要方法，有效的瓦斯抽采可以降低煤层残余瓦斯含量，进而降低瓦斯涌出量。抽采方式难度大及不合理也给瓦斯抽采带来了影响，必须有高效的瓦斯抽采方法才能解决这个问题[1]。许多专家、学者对瓦斯抽采进行了大量的探索，如采用煤层预抽，保护层开采，在工作面打顺层钻孔、高位钻孔，采空区埋管，地面压裂钻孔抽采矿井瓦斯等方法，在某种程度上增加了瓦斯的抽采率[2-4]。但常规的瓦斯抽采方法都有一定的局限性，单一方法对瓦斯抽采的效果非常有限，通常达不到煤矿安全生产的要求[5-6]。综合瓦斯防治技术可有效抽采本煤层、采空区或者邻近层的瓦斯，消除瓦斯隐患[7-10]。崔家沟煤矿为高瓦斯矿井，开采煤层为特厚煤层，瓦斯抽采难度大，井下生产始终伴随着瓦斯隐患的威胁，严重制约着煤矿的安全高效生产，因此矿井采用本煤层钻场扇形钻孔预抽、上隅角采空区埋管抽采、回风巷钻场高位钻孔抽采及顶板高位大直径定向长钻孔瓦斯抽采相结合的方法，以期提高瓦斯抽采率，并为同类煤矿瓦斯防治技术提供参考依据。

1 工程概况

崔家沟煤矿位于陕西省铜川市耀州区瑶曲镇杏树坪村，井田地处黄陇侏罗纪煤田，井田范围由32个坐标拐点圈定，批准开采标高+1 414～+790 m；井田东西长8.0 km，南北宽2～6 km，面积28.200 8 km2。本井田含煤地层为侏罗系中统延安组，区内共含煤4组9层，其中仅1层可采，即4-2煤层，可采厚度0.80～26.17 m，平均厚度8.34 m。

2303综放工作面位于崔家沟煤矿二水平三盘区，该工作面倾向长度200 m，走向长度1 670 m，面积338 760 m2，煤层平均可采厚度12 m，采高7.0 m，留1.0 m底煤，煤层容重1.3 t/m3。工作面采用走向长壁后退式综合机械化低位放顶煤一次采全高、全部垮落法管理顶板的采煤方法。

2 瓦斯涌出量预测及治理措施

2.1 瓦斯涌出量预测

根据2303综放工作面布置、煤层及瓦斯赋存情况，采用分源预测法对本工作面进行瓦斯涌出量预测。2303工作面开采层相对瓦斯涌出量4.08 m3/t，邻近层相对瓦斯涌出量4.90 m3/t，开采层及邻近层相对瓦斯涌出量总计为8.98 m3/t，回采工作面能力按6 500 t/d计算，则其绝对瓦斯涌出量为40.53 m3/min。2303工作面瓦斯涌出量见表1。

表1 2303工作面瓦斯涌出量预测结果

2.2 瓦斯治理措施

根据上述瓦斯涌出量预测结果，工作面回采期间采用本煤层钻场扇形钻孔预抽、上隅角采空区埋管抽采、回风巷钻场高位钻孔抽采及顶板高位大直径定向长钻孔抽采相结合的瓦斯治理方法。

图1 本煤层钻场扇形钻孔布置示意图

本煤层钻场扇形钻孔预抽方法：在工作面回风巷中布置钻场，钻场间距为60 m，从回风巷钻场中施工顺层抽采钻孔。每个钻场施工5个钻孔，钻孔终孔间距12 m，钻孔孔径φ153 mm，封孔深度9 m，预抽钻孔布置示意如图1所示。该方法主要对本煤层内瓦斯进行预抽，以降低工作面煤层瓦斯含量。

上隅角采空区埋管抽采：为解决2303工作面上隅角瓦斯浓度较大的问题，在2303工作面回风巷敷设一条瓦斯抽采管道，管道直径φ300 mm。利用井下移动抽放泵站对采空区瓦斯进行抽采。上隅角采空区埋管抽采瓦斯如图2所示。

图2 上隅角采空区埋管抽采瓦斯示意图

回风巷钻场高位钻孔抽采方法：采用高位钻孔对顶板裂隙带内瓦斯进行抽采。根据2303工作面不同时期的采高，高位钻孔终孔点位置控制在煤层顶板以上5～12 m左右，控制工作面回风巷侧30 m左右的距离。钻场间距60 m，每个钻场布置8个扇形钻孔，钻孔直径φ153 mm，终孔间距10 m，钻孔长120 m以上，钻孔封孔长9 m。钻孔布置如图3所示。

图3 工作面回风巷钻场高位抽采钻孔布置示意图

定向长钻孔瓦斯抽采方法：顶板高位大直径定向长钻孔抽采瓦斯方法采用千米钻机实施定向钻进，钻进深度大，可实现一钻多孔，能够有效增加钻孔覆盖区域，减少钻场施工量。根据2303综放工作面的实际情况，在1 500 m范围内设计施工3个钻场，每个钻场施工8个顶板高位定向长钻孔，1#钻场距切眼600 m，2#钻场与1#钻场间距500 m，3#钻场位于2303联络巷内，每个钻场单孔孔深约500 m，钻孔间平距10 m，定向钻孔终孔层位位于4-2煤层顶板以上15～22 m，内错回风巷10～50 m。钻场开孔示意图如图4所示，2303工作面顶板高位定向钻孔轨迹平面图如图5所示。

图4 钻场开孔位置示意图

图5 2303工作面顶板高位定向钻孔平面图

3 瓦斯抽采效果分析

3.1 回采工作面预抽效果分析

煤的原始瓦斯含量、压力：抽采前，利用DGC瓦斯含量直接测定仪在2303切眼进行现场实测，并采集煤样进行了瓦斯基础参数测试，测得最大瓦斯含量为4.65 m3/t，并将测定结果根据公式(1)计算。

(1)

式中：W—煤层瓦斯含量，m3/t；a—吸附常数，试验温度下的极限吸附量，m3/t；b—吸附常数，MPa-1；p—煤层绝对瓦斯压力，MPa；Mad—水分，%；Ad—灰分，%；k—孔隙率，%；γ—视密度，t/m3。计算得出煤层瓦斯压力为0.66 MPa。

抽采后煤的残余瓦斯含量、残余瓦斯压力：抽采后，利用DGC瓦斯含量直接测定仪对抽采后3个采样地点煤的残余瓦斯含量进行现场实测，根据井下及地面解吸系统测定结果得出残余瓦斯含量分别为1.89 m3/t、2.41 m3/t、3.36 m3/t，并依据公式(1)对煤层残余瓦斯压力进行了反算，分别为0.21 MPa、0.28 MPa和0.42 MPa。

抽采率：2303工作面瓦斯抽采量为35.49 m3/min，风排瓦斯量5.89 m3/min，工作面瓦斯抽采率85.77%。2303工作面预抽效果满足《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》和其他规范中的相关规定。

3.2 上隅角及高位钻孔瓦斯抽采效果分析

上隅角瓦斯抽采效果分析：2303回采工作面上隅角埋管瓦斯抽采后，上隅角瓦斯浓度由之前的平均0.75%降低到平均0.62%左右，瓦斯超限现象也很少发生。因此，上隅角埋管抽采措施为崔家沟煤矿的安全高效生产提供了有力保证。

高位钻孔瓦斯抽采效果分析：高位钻孔瓦斯抽采，能够直接抽出位于上覆岩层内所有煤层被采动或破坏后解吸出的瓦斯，钻孔始终与断裂带保持良好的连通关系，并充分利用采空区瓦斯上浮原理，获得更高的抽采瓦斯浓度。较高的孔口层位钻孔可有效抽采工作面部分采空区瓦斯和邻近层卸压瓦斯，具有瓦斯抽采量大、抽采效率高、有效抽采周期长、抽采成本低等特点[11]。通过对采空区及上覆邻近层瓦斯进行抽采，初始抽采瓦斯纯量为2.1 m3/min，最大瓦斯抽采纯量为7.8 m3/min，平均瓦斯抽采纯量为4.8 m3/min，抽采最高瓦斯浓度达84%，平均浓度55%，已累计抽采瓦斯纯量268万m3，2303工作面回风巷瓦斯浓度较之前有所下降，解决了瓦斯较大的问题，保证了工作面的安全高效回采。