高瓦斯特厚煤層瓦斯抽采方法

高瓦斯特厚煤層瓦斯抽采方法

1瓦斯開采情況山西省晉江市無煙采礦集團(tuán)有限公司（以下簡稱“晉江煤礦集團(tuán)”）擁有7000家礦山，其中3家為高山磚瓦開采，年產(chǎn)量3000萬噸。2007年瓦斯鑒定結(jié)果確定集團(tuán)公司的井下瓦斯涌出總量為1194.87m3/min,加上地面鉆井抽采,礦區(qū)內(nèi)總的瓦斯涌出量為1640.07m3/min。晉城礦區(qū)目前主采煤層為3號煤層,位于山西組下部,平均厚6.03m。經(jīng)煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院井下打鉆測定礦區(qū)內(nèi)3號煤層原始瓦斯含量5.76~21m3/t,瓦斯壓力0.19~2.12MPa,礦井瓦斯壓力大、含量高,局部區(qū)域存在煤與瓦斯突出的威脅。煤層瓦斯的可抽性區(qū)域差別大,從難以抽采到容易抽采均有分布。晉城煤業(yè)集團(tuán)從1993年開始試驗(yàn)地面煤層氣開采,2004年大規(guī)模組織煤層氣開采與利用,煤層氣抽采量逐年大幅增長,見表1。至2007年年底,累計(jì)開發(fā)地面抽采鉆井817口,339口井在抽,地面煤層氣抽采量由2002年的0.66%提高到2007年的38.68%。地面煤層氣井在煤層原始瓦斯含量為16m3/t以上區(qū)域按照300m×300m模式進(jìn)行鉆井布局。2007年由于礦井防止煤與瓦斯突出治理需要,開始嘗試加密鉆井和在16m3/t以下區(qū)域布置地面鉆井。井下瓦斯開采從2001年開始,各礦井瓦斯抽采進(jìn)尺、抽采量和抽采率逐年大幅提升。至2007年底集團(tuán)公司累計(jì)施工抽采鉆孔進(jìn)尺334.4萬m,抽采瓦斯量93108萬m3。寺河、成莊作為公司的2個高瓦斯礦井,僅2007年2礦瓦斯抽采進(jìn)尺分別達(dá)到112萬m和82萬m,實(shí)現(xiàn)噸煤鉆孔進(jìn)尺0.1m/t。從表2中可以看出,2礦井年度鑒定瓦斯涌出量逐年增加,而風(fēng)排瓦斯量稍有下降或基本保持不變,瓦斯抽采量所占比例不斷提高。2礦井在產(chǎn)量增加并保持高位穩(wěn)產(chǎn)的同時,礦井瓦斯超限次數(shù)明顯下降,礦井瓦斯治理措施以風(fēng)排為主逐步向以抽采為主過渡,瓦斯抽采效果明顯。2井下瓦斯抽采系統(tǒng)研究國內(nèi)外學(xué)者對于煤層瓦斯抽放從理論到實(shí)踐進(jìn)行了較為深入研究,井下瓦斯抽采作為治理瓦斯的基礎(chǔ),各礦井也在不斷優(yōu)化抽采系統(tǒng),積極開展井下區(qū)域遞進(jìn)式瓦斯預(yù)抽、邊采(掘)邊抽、采空區(qū)抽采等綜合瓦斯抽采模式。2.1采空區(qū)瓦斯抽采系統(tǒng)采煤工作面瓦斯涌出來源可劃分為落煤瓦斯涌出、煤壁瓦斯涌出及采空區(qū)瓦斯涌出3大部分。前2部分的瓦斯直接涌入到采場內(nèi),而采空區(qū)丟煤瓦斯及鄰近煤巖層瓦斯直接涌入采空區(qū)。為解決采煤工作面回采時采空區(qū)瓦斯涌出,晉城煤業(yè)集團(tuán)各高瓦斯礦井將采空區(qū)瓦斯引入礦井瓦斯抽采系統(tǒng)。采空區(qū)瓦斯進(jìn)入礦井瓦斯抽采系統(tǒng)后,礦井抽采系統(tǒng)濃度下降,且嚴(yán)重影響本煤層瓦斯抽采效果。從理論上講,本煤層瓦斯預(yù)抽需要保持較高負(fù)壓,而采空區(qū)瓦斯抽采負(fù)壓一般較低、抽采量大。由于采空區(qū)瓦斯抽采影響抽采系統(tǒng)的瓦斯?jié)舛群捅久簩油咚钩椴尚Ч?各高瓦斯礦對抽采系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,將抽采泵站和抽采管路系統(tǒng)按2個不同參數(shù)改造,并在以后新建抽采系統(tǒng)時按雙系統(tǒng)2種參數(shù)設(shè)計(jì)礦井抽采系統(tǒng),提高礦井瓦斯抽采效果。2.2分層分層抽采技術(shù)雖然晉煤集團(tuán)的高瓦斯礦井掘進(jìn)工作面采取雙巷掘進(jìn)配套邊掘邊抽、短距離局部通風(fēng)方式,掘進(jìn)效率得到一定提高,但在工作面煤體片幫、冒頂或割煤速度快時,仍出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象,且受煤與瓦斯突出的威脅,掘進(jìn)效率低。結(jié)合高瓦斯礦井已推廣應(yīng)用的兩巷(或三巷)掘進(jìn)模式,采面實(shí)現(xiàn)了兩進(jìn)兩回或三進(jìn)兩回的多巷通風(fēng)方式,各礦井開始利用采面外側(cè)巷道向相鄰工作面打抽采鉆孔建立區(qū)域遞進(jìn)式瓦斯抽采模塊的實(shí)踐。具體方法如下:1)使用國產(chǎn)大功率MK-6、MK-7鉆機(jī)在采面的外側(cè)巷道掘進(jìn)期間,每隔10m向相鄰采面布置施工長鉆孔,鉆孔基本垂直巷道布置,長度不小于300m,抽采范圍覆蓋相鄰采面及其巷道,是對下一個采面及其巷道的本煤層瓦斯預(yù)抽采、實(shí)現(xiàn)抽采煤量和回采煤量的良性接替。2)千米鉆機(jī)遞進(jìn)式瓦斯抽采。千米鉆機(jī)采用孔底馬達(dá)定向鉆進(jìn)技術(shù),實(shí)現(xiàn)鉆孔長距離鉆進(jìn)。通過鉆孔分支增加抽采鉆孔有效長度,提高抽采效率。鉆孔的精確定位提高了鉆孔對煤層的全面覆蓋,避免和減少煤層瓦斯抽采盲點(diǎn)。集團(tuán)公司引進(jìn)澳大利亞千米鉆機(jī),但在本礦區(qū)施工千米難度較大,因此利用千米鉆機(jī)施工遞進(jìn)式抽采鉆孔350~600m,抽采區(qū)域覆蓋一個以上工作面,如圖1所示。千米鉆機(jī)鉆孔減少了封聯(lián)孔環(huán)節(jié),可提高抽采濃度和抽采效率。3)實(shí)施遞進(jìn)式模塊抽采,進(jìn)行長時間煤體瓦斯預(yù)抽,待煤層瓦斯含量降至8m3/t,瓦斯壓力降至0.74MPa以下時進(jìn)行掘進(jìn),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大范圍的抽采消突,降低煤與瓦斯突出的危險性,提高掘進(jìn)效率。應(yīng)收集分析長鉆孔施工和抽采資料,掌握相鄰工作面的地質(zhì)構(gòu)造和瓦斯賦存狀況。另外區(qū)域遞進(jìn)式抽采要根據(jù)煤體瓦斯賦存狀況和抽采時間選擇合理的抽采鉆孔參數(shù),做到長封孔嚴(yán)封孔,切實(shí)保證鉆孔長時間抽采。由于目前國產(chǎn)鉆機(jī)鉆孔施工軌跡不易掌握,甚至偏差很大,因此有條件的礦井應(yīng)優(yōu)先使用千米鉆機(jī)進(jìn)行遞進(jìn)式模塊抽采。2.3采區(qū)底板的泵送2.3.1工作面抽采情況高瓦斯礦井采煤工作面在回采前預(yù)抽煤體瓦斯。根據(jù)工作面長度從一側(cè)或兩側(cè)向工作面煤體布置鉆孔,鉆孔間距基本控制在1~3m,長度在100m以上,抽采時間一般在3~12月,有些工作面抽采時間可達(dá)2年以上。成莊礦4308綜采工作面走向長2436m,工作面長200m,煤炭儲量413萬t,原始瓦斯含量14.76m3/t,瓦斯儲量6095.88萬m3。4308工作面瓦斯抽采1年后回采,抽采情況見表3。通過表中數(shù)據(jù)計(jì)算得出:工作面瓦斯抽出率為52.96%,抽采后工作面煤體瓦斯含量降為6.94m3/t,實(shí)現(xiàn)工作面安全回采。2.3.2抽采瓦斯的制作采空區(qū)瓦斯涌出量和工作面丟煤、推進(jìn)度和通風(fēng)方式等關(guān)系密切。根據(jù)采空區(qū)瓦斯來源和瓦斯?jié)舛确植家?guī)律,在鄰近層瓦斯向采空區(qū)滲透時打鉆抽采瓦斯或在采空區(qū)瓦斯高濃度區(qū)域插管和打鉆抽采瓦斯。各礦井先后實(shí)施了工作面后部抽采、尾巷插管抽采、上隅角埋管深部抽采、走向和傾向鉆孔抽采等多種方法,取得了較好效果。經(jīng)統(tǒng)計(jì),采空區(qū)瓦斯抽采量可占工作面回采時瓦斯涌出量的30%以上,有力保證了工作面正?；夭?。2.4巷道抽采工藝晉煤集團(tuán)高瓦斯礦井受高濃度瓦斯影響,掘進(jìn)效率偏低。在遞進(jìn)式瓦斯抽采沒有真正起作用前,各礦井在巷幫鉆場邊掘邊抽的基礎(chǔ)上,對試驗(yàn)掘進(jìn)工作面的預(yù)抽煤體瓦斯進(jìn)行消突,根據(jù)實(shí)際情況實(shí)行一隊(duì)多頭掘進(jìn)巷道密集抽采邁步和單巷繞掘等掘進(jìn)方式和抽采工藝。2.4.1巷道掘進(jìn)和打鉆抽采交替組織在受瓦斯突出威脅區(qū)域,礦井按一隊(duì)多頭掘進(jìn)方式組織生產(chǎn),施工隊(duì)組在施工其中一條巷道時,在另一條巷道前方施工密集超前鉆孔,待瓦斯含量降到指標(biāo)規(guī)定以下時再進(jìn)行巷道掘進(jìn),巷道掘進(jìn)和打鉆抽采交替組織。根據(jù)鉆機(jī)能力、抽采時間和隊(duì)組掘進(jìn)速度,掘進(jìn)工作面鉆孔一般施工3排18~30個鉆孔,鉆孔長100~200m,覆蓋巷道兩側(cè)各10m的范圍,抽采1~3月后組織生產(chǎn),生產(chǎn)過程中掘進(jìn)工作面至少留20m的超前預(yù)抽距離。2.4.2煤體充填的施工在礦井風(fēng)量緊張,不能夠?qū)崿F(xiàn)多巷掘進(jìn)布置時,對掘進(jìn)方式和抽采工藝進(jìn)行調(diào)整。在巷道掘進(jìn)方向具備打鉆條件時,立即進(jìn)行施工鉆孔,利用反掘時間抽采煤體瓦斯。當(dāng)一個掘進(jìn)循環(huán)結(jié)束時,在已抽采區(qū)域施工下一循環(huán)掘進(jìn),實(shí)現(xiàn)抽采瓦斯與掘進(jìn)巷道循環(huán)推進(jìn),如圖2所示。2.4.3鉆孔抽采情況成莊礦4103巷掘進(jìn)工作面施工過程中按突出危險區(qū)進(jìn)行管理,從巷道開口處27m開始到130m段,突出指標(biāo)超標(biāo)嚴(yán)重,掘進(jìn)效率低,停止掘進(jìn)。停掘后利用MKD-5S型鉆機(jī)在4103巷掘進(jìn)工作面沿巷道掘進(jìn)方向施工?94mm的抽采孔19個,鉆孔總長度2293.5m,平均孔深120.7m。鉆孔間距600~700mm,三排布置,排距0.5m,控制范圍到巷道輪廓線外10m。9個月累計(jì)抽采瓦斯量23640m3,抽采率達(dá)到23.11%。抽采后4103巷掘進(jìn)工作面仍按突出危險工作面組織施工,18d內(nèi)預(yù)測20次,均為無突出危險。經(jīng)統(tǒng)計(jì),4103巷掘進(jìn)工作面在開始的103m未抽采區(qū)域進(jìn)行掘進(jìn)時,預(yù)測18次,K1值全部超標(biāo),最大值1.04,平均為0.79,平均日進(jìn)尺3.4m。在抽采后的120m范圍內(nèi)預(yù)測20次,無一次超標(biāo),K1最大值為0.49,平均為0.37,比