低瓦斯含量特厚煤层瓦斯抽采技术研究

2022-03-15张倩

山东煤炭科技 2022年2期

张倩

（晋能控股集团同大科技研究院，山西大同 037003）

同忻矿是年产1600 万t 的高瓦斯特大型矿井，现主采煤层为石炭系3-5#特厚煤层。矿井采用综放开采工艺，生产强度高，虽低瓦斯赋存，由于瞬间煤量较大，瓦斯涌出绝对量高。该煤层相对瓦斯涌出量为2.45 m3/t，绝对瓦斯涌出量为61.9 m3/min，回采工作面最大绝对瓦斯涌出量为22.53 m3/min，掘进工作面最大绝对瓦斯涌出量为2.02 m3/min。特别是综放工作面初采期间由于顶煤大面积垮落，瞬间将采空区的瓦斯压出，造成上隅角瓦斯瞬时超限问题时有发生。以往同忻矿主要采取加强通风系统管理和顶抽巷抽放瓦斯的方法治理回采期间瓦斯，对综放工作面掘进以及初采期间的瓦斯治理效果不明显，因此提出采用煤体瓦斯预抽的方法进行瓦斯抽采。按照“瓦斯治理，抽采先行”的技术理念，率先在掘进工作面利用倒车硐室开展了煤体瓦斯预抽工作，研究低瓦斯含量煤层开展煤体瓦斯预抽的可行性及效果，分析同忻井田“低瓦斯赋存，高瓦斯涌出”特点的瓦斯预抽效果[1-2]，根据硐室内扇形钻孔抽放瓦斯流量及变化趋势，分析瓦斯预抽的效果、扇形钻孔抽采效果，验证钻孔布置的合理有效性。

1 工程概况

同忻矿二盘区8201工作面设计走向长2075 m，倾向200 m，开采煤层为石炭系3-5#层，平均煤厚19.01 m，f 值为2.1，采用综放开采工艺。工作面巷道布置为“U+I”型，其中2201 为进风巷，5201 为回风巷，8201 为顶抽巷，详见图1。本项目以2201巷为试点进行瓦斯预抽试验。2201 巷道为矩形断面，净断面5.3 m×3.5 m=18.55 m2，全长2075 m，共设计10 个调车硐室，由巷口向里分别是1-10#调车硐室，在倒车硐室施工瓦斯抽采扇形钻孔进行瓦斯超前预抽。

2 预抽方案设计与实施

2201 巷瓦斯预抽工程共分为三期进行，钻孔施工完毕后，通过在2201 巷内铺设的Ф313 mm 瓦斯抽放管路与盘区总回风巷内的瓦斯抽放管路进行对接，实现瓦斯超前抽放，具体如下：

2.1 第一期工程

在2201 巷1～8#调车硐室内分别施工6 个钻孔，其中1～2#钻孔为水平前探预抽钻孔，3～6#钻孔为顺层瓦斯抽放孔。钻孔孔径为65 mm，开孔位置距巷道底板1.2 m，前20 m 为Ф73 mm 扩孔并安装套管，采用水泥砂浆封孔，长度不低于10 m，封孔孔口段2 m 使用聚氨酯加强封孔强度。因兼顾巷道掘进期间煤壁预抽及回采期间煤层随采随抽，同时布置一趟Ф313 mm 瓦斯抽放管路，并且将钻孔以及3#探水钻孔一并连入抽放管路。具体参数详见图1和表1。

图1 第一期钻孔布置俯视图（m）

2.2 第二期工程

从2201 巷第4#调车硐室至工作面以里，每个钻场补充施工8 个钻孔（面向硐室方向左右帮各施工4 个），钻孔孔径为83 mm，采用注浆封孔，封孔长度不低于10 m，封孔注浆工艺同一期1～6#钻孔工程。具体参数详见图2 和表2。

图2 第二期钻孔布置俯视图

表2 第二期钻孔布置参数表

2.3 第三期工程

在2201 巷第9#和第10#调车硐室分别施工扇形短钻孔，钻孔间距为0.5 m，每处施工上下两排扇形钻孔，采用水泥砂浆封孔长度不低于20 m，封孔孔口段2 m 使用聚氨酯加强封孔强度。具体参数详见图3 和表3。

表3 第三期钻孔布置参数表

图3 第三期钻孔布置俯视图（m）

3 应用效果

从2020 年8 月至2020 年12 月对2201 巷3-5#煤层进行预抽，预抽150 d 后煤层瓦斯预抽效果可以从抽放瓦斯浓度、纯瓦斯抽放量和混合瓦斯抽放量三个参数来看，如图4。

图4 2201 巷扇形预抽钻孔效果分析图

从图4 可知，8 月、9 月、10 月和12 月平均瓦斯抽放浓度分别为22.41%、25.36%、29.16%和36%，纯瓦斯抽放量分别为2.74 m3/min、3.09 m3/min、3.08 m3/min 和3.26 m3/min。可以明显看出，随着预抽时间的增长，抽采浓度显现缓慢稳步增加，同时纯瓦斯抽放量也逐渐增大；该预抽方法能解决纯瓦斯抽放量约3 m3/min 左右。此外，综合考虑同忻煤矿3-5#低含量特厚煤层透气性一般，且煤层厚的特点，钻孔整体衰减周期较长，建议在初采期间继续抽采，直至瓦斯抽放量降低为0 时停止抽放。

通过瓦斯预抽，2201 巷掘进期间回风流瓦斯浓度从原最高近0.4%降低到0.15%以下，工作面开采前瓦斯浓度已由本煤层钻孔预抽前的0.5%左右降至0.3%以下，初采期间也未发生瓦斯超限现象。