高瓦斯矿井工作面瓦斯综合抽采技术研究

高瓦斯矿井工作面瓦斯综合抽采技术研究

赵云峰

吉林省珲春矿业集团八连城煤矿 吉林 珲春 133300

摘要：瓦斯抽采可以进一步帮助高瓦斯工作面维持相对稳定、安全的生产状态，为了进一步减少高瓦斯工作面前方的瓦斯含量，应该合理控制采空区内进入工作面的瓦斯量，避免产生瓦斯超标现象。需针高瓦斯矿井工作面瓦斯综合抽采技术进行深入研究，掌握科学有效的瓦斯抽采技能，提高瓦斯抽采效率。鉴于此，本文主要分析高瓦斯矿井工作面瓦斯综合抽采技术。

关键词：高瓦斯矿井；工作面；瓦斯；综合抽采

中图分类号：TD712   文献标识码：A

1、引言

瓦斯属于煤矿的重点灾害之一，但同时也是十分重要的清洁能源，合理利用瓦斯可减少灾害问题发生，同时还会对中国能源安全产生直接影响。预抽煤层瓦斯是减少煤矿瓦斯灾害的基础措施之一，能保障煤矿安全开采。而矿井内的瓦斯普遍是采空区内流出的，做好采空区内瓦斯抽采治理工作意义重大。

2、概述

工作面瓦斯治理成效对于掘进工作面施工的安全具有重要影响，我国作为煤炭资源开采和利用的大国，国内煤炭企业中高瓦斯矿井数量占比较重，煤与瓦斯突出事故是矿井安全的主要隐患。基于此，国内各高瓦斯矿井在生产过程中，采用各种瓦斯抽采措施以提高工作面的瓦斯抽采率，一定程度上改善了矿井煤与瓦斯突出的状况，工作面采掘活动中，瓦斯涌出量也得到了有效控制。但井下瓦斯抽采率普遍偏低的状态还是没有得到妥善的解决，瓦斯灾害的形式依旧严峻。

在工作面掘进期间，采取邻近巷道区域预抽、迈步钻场边掘边抽、施工迎头释放孔、迎头钻孔预抽等措施以及采用顺层钻孔采前预抽、切眼顶板释放孔、高抽巷抽采、钻场裂隙带抽采、采空区长立管埋管瓦斯抽采等措施对保证工作面在掘进及回采期间的安全。研究并提出合理有效的瓦斯综合治理体系，对高瓦斯矿井的生产安全具有重要的现实意义。

3、我国目前瓦斯高效抽采面临的问题

3.1、我国煤层透气性普遍较低，瓦斯难抽放

我国高阶煤和低阶煤中所含的瓦斯占总资源的2/3以上，而瓦斯（煤层气）则具有独特性：具有微孔隙、低渗透率的特征。煤层渗透率低，导致我国煤矿瓦斯抽采半径大大低于美国的煤层，瓦斯抽采率也很低。

3.2、我国煤层具有高吸附性，瓦斯抽采时间长

我国《煤矿安全规程》和《防治煤与瓦斯突出细则》都要求在开采突出煤层前要采取区域和局部防突措施，核心要做好瓦斯抽采工作，以保障矿井安全生产。由于我国煤层瓦斯存在高吸附的特点，瓦斯难解吸、治理时间长。有些矿井甚至在工作面回采前，瓦斯抽放时间长达2～3年。个别矿井曾经为了尽快投产、出效益，在瓦斯抽采未达标前就强行进行回采，结果导致安全生产事故的发生。另一方面，正如前述，我国煤层透气性差，很多矿井尽管瓦斯抽放时间很长，煤层中仍有大量残余瓦斯。特别对产量较大的矿井，掘进或回采过程中，煤层卸压带来煤体破碎，增加瓦斯解吸的暴露面，使得残余瓦斯大量涌出，造成绝对瓦斯涌出量较大。如在彬长、塔山矿区等，尽管瓦斯含量都在2m3/t以内，但是煤层采厚都在10多米以上，开采期间绝对瓦斯涌出量较大，然而，由于透气性较差，尽管瓦斯抽放时间较长，但还是难以将瓦斯抽出。

3.3、瓦斯利用率低

我国每年向大气中排放的瓦斯（CH4）在世界上所占比例很大。瓦斯直接排放到大气中不仅会污染环境（温室效应），还会造成资源浪费。1m3燃气可产生3~3.5kW，净利润0.3~0.5元。因此，利用瓦斯发电(CDM)是减少瓦斯排放的较好方法，瓦斯发电有高、低浓度两种，低浓度瓦斯发电又称为乏风瓦斯氧化。目前，低浓度瓦斯利用相对困难，通常认为瓦斯浓度在6~25%之间，才有可观的经济价值。相对来讲，高浓度瓦斯利用相对应用广泛，而且技术较为成熟，通过压缩提纯，可以用来生产合成氯甲烷、乙炔、氢氰酸、氨、甲醇二硫化碳等下游产品。还可以直接发电利用，甚至能够完全满足矿井自己生产用电的需求，还可以提供给附近居民使用。但是，很多煤矿瓦斯抽采浓度不稳定，浓度很难保持在30%以上，甚至有些矿井开发CDM项目后，瓦斯发电机组长期空置，难以发挥作用。

4、煤层瓦斯抽采工艺技术

可以在煤层工作面的两个顺槽当中合理设置瓦斯抽放钻孔，随着工作面持续深入推进，提前对工作面前方现有瓦斯进行预抽处理，帮助减少瓦斯含量，确保在某种低瓦斯区域内实施工作面回采，提高工作面回采安全性。联系前面所述内容，分析水力压裂的钻孔设置方案，工作面特定煤层内的瓦斯抽放钻孔具体可以采取压裂抽放以及抽放钻孔相融合的一体化钻孔措施。合理布置上排抽放钻孔，并在下排设置压裂抽放钻孔，使上下两排之间呈现为某种三花设置形式。其中上排钻孔间距应该控制在6m左右，对应开孔高度超出2m，下排对应钻孔间距维持在6m左右，整体开孔高度大于1.5m，钻孔仰视角至少应该大于1°。钻孔过程中的各种操作参数可以根据工作面煤层对应的倾斜度、煤层厚度参数来确定。

5、采空区中的瓦斯抽采技术

5.1、矿井瓦斯抽采技术

（1）采前抽采技术。采前抽采技术是针对单一煤层进行瓦斯开采的重要方式，其可以有效进行单一煤层瓦斯含量的降低，从而降低单一煤层煤矿开采安全事故发生的概率。由于我国大部分煤层具有较低的透气性。所以，在进行采前抽采技术应用时，应当做好钻孔间距离的科学衡量，在保证钻孔间距离的基础上，进行钻孔工作都有序开展，从而进行单一煤层瓦斯含量的降低。

（2）采中抽采技术。采中抽采技术是进行煤矿矿井瓦斯含量降低的重要方式，其可以在煤矿开采过程中，通过工作面通风方式，进行矿井内瓦斯含量的降低，以保证煤矿开采工作的有序开展。因此，煤矿企业在应用采中抽采技术时，应当结合不同矿井的实际工作情况，以不同的通风工作面为依据，进行不同采中抽取方式的科学选择，以保证采抽采技术的科学应用。

（3）采后抽采技术。采后抽采技术是进行矿井密闭空间或顶部裂缝间瓦斯含量与压力降低的重要方式，对于提高矿井瓦斯利用量具有重要的作用。因此，煤矿企业可以结合矿井的实际情况，采用密闭埋管抽采、地面钻井抽采等技术，进行采后抽采工作。

6、工作面瓦斯综合治理措施

6.1、通风系统优化

（1）合理配置通风量。合理的通风量，一方面可为工作面提供充足的新鲜风流，另一方面可防止因风速过大造成的扬尘和采空区漏风半径增大等问题。对于煤与瓦斯突出矿井，工作面需风量的计算应综合考虑气象条件、工作面瓦斯涌出量、二氧化碳涌出量、人员数量、炸药量等因素，并按《煤矿安全规程》规定的最低、最高风速要求，对不同巷道位置的风速进行校验。对于12507工作面，计算可知工作面需风量为1365m3/min，总需风量为1965m3/min。

（2）减小采空区漏风。采空区漏风将导致携带较高浓度瓦斯的气流从回风隅角涌出，因此需在进风隅角吊挂风障，并要求支架工拉移端头支架后及时调整风障吊挂，保证风障完好。

（3）减小通风压差。通过在回风顺槽内设置调压风门，可增大风门迎风侧的通风阻力，从而提高回风隅角及周边的空气压力，并降低工作面进风和回风两端的压差，以及回风隅角与采空区压差。这一措施即保障了工作面充足的通风，又抑制了采空区瓦斯对工作面的影响。

6.2、强化本煤层瓦斯抽采

根据历年来我矿瓦斯涌出特点，将首采煤层瓦斯抽采作为瓦斯治理重点，根据南11905工作面瓦斯基础参数测定报告，及结合采面瓦斯涌出量预测结果，11905工作面本煤层瓦斯涌出量约占总涌出量的71%，因此本煤层瓦斯抽采是工作面瓦斯治理的重点，因此采用煤层水力压裂增透钻孔和煤层抽采钻孔结合措施，对煤层开展瓦斯抽采。

（1）本煤层注水压裂钻孔

南11905工作面顺槽长度为1200m，至停采线位置共计43个钻场，钻场间距为24m，工作面长度为80米，根据淮南矿务局对我矿北12601工作面开展的煤层水力压裂增透报告，压裂半径为18—24m。因此在预留钻场内施工顺层水力压裂增透钻孔，夹角为90°，即垂直于走向方向沿工作面倾向方向施工。仰角结合煤层倾向方向而定，钻孔长度为70m。共计设计钻孔43个，孔长合计为3010m。钻孔封孔方式采用“两堵一注带压封孔器”封孔，封孔长度为30m，注浆料选用“PD-3注浆封孔料”，选用型号为ZBQ/1.0-30注浆泵注浆封孔。钻孔注浆封孔完毕后，待48h注浆料全部凝固后，选用高压注水泵进行注水增透，具体增透效果以实际注水量为准，根据实际情况，注水钻孔单孔注水量维持在80m³左右。压力半径在30—50m。

（2）本煤层抽采钻孔

本煤层注水增透钻孔施工完毕后，在两个钻场之间布置3个抽采钻孔，钻孔间距为8m，钻孔夹角为90°，同样垂直于走向方向沿工作面倾向方向施工。仰角结合煤层倾向方向而定，钻孔长度为70m。共计设计钻孔126个，孔长合计为8820m。钻孔施工完毕后同样采用注浆封孔方式进行封孔，确保封孔严密不漏气，抽采管选用3寸PE插管，长度为12m，注浆封孔长度为8m。钻孔封孔完毕后连接至抽采管路进行瓦斯抽采。

6.3、治理方式完善

为使瓦斯治理工作取得实效，煤矿企业可以进一步健全瓦斯管理体系，实现多系统联动，保证区域瓦斯治理所需的人、财、物及时到位。建立健全以总工程师为核心的矿井防突技术管理体系，加强矿井防突队伍建设，并根据区域瓦斯治理需要优化通风系统、抽采系统、供电系统、压风系统，为区域瓦斯治理提供了保障。为充分调动各单位治理瓦斯的积极性，煤矿企业在对高突矿井的考核上，改变以煤计资的考核办法，重点对瓦斯治理矿井抽采达标煤量、瓦斯抽采量、抽采浓度等指标进行考核，使高突矿井步入良性循环，实现抽掘采平衡。

煤矿企业把“区域不消突不进煤层”作为瓦斯治理的原则，把“瓦斯抽采不达标，不安排采掘作业”作为生产组织的前提，彻底改变原有“短兵相接”式的瓦斯治理方式，把以本煤层治理为主的区域治理措施转变为以底板穿层抽采为主的区域治理措施。瓦斯治理方式的转变，使煤矿企业杜绝了瓦斯超限现象，瓦斯治理的过程也变得和风细雨，实现了安全治理瓦斯的目标。

6.4、科学防治完善

为实现科学防治瓦斯，煤矿企业紧紧围绕区域瓦斯治理的重点和难点，强力推进科技创新，努力打破制约区域瓦斯治理的瓶颈，促进了瓦斯区域治理工程的顺利实施。为提高瓦斯抽采效果，煤矿企业借鉴国内外封孔技术优点，研制出了加压封孔技术，使单孔抽采浓度达到90%以上。同时，煤矿企业还研究推广使用了适应煤田的瓦斯综合抽采技术，形成了立体交叉综合抽采体系，研究并强制推广应用密钻孔网格式抽采措施，大幅度提高了煤层透气性，年抽采量由原来的1500万立方米提高到目前的1亿立方米以上，彻底消除了工作面回采期间瓦斯突出的危险，变虎口拔牙为瓮中捉鳖，为提高单产单进水平创造了条件。

6.5、瓦斯利用完善

随着瓦斯抽采量的不断提高，煤矿企业逐渐加大了瓦斯利用的力度，实现了从势不两立到化敌为友的转变，让昔日的“隐形杀手”造福千家万户。我国煤矿企业原先只有少量的高浓度瓦斯得到利用，大部分低浓度瓦斯被直接排放到大气中。为提高瓦斯利用量，煤矿企业相继建设低浓度瓦斯发电站，瓦斯利用率和年发电量得到了大幅度提升，既保护了环境，又增加了收入。煤矿企业还通过实施井下抽采系统联网改造、分源抽采、增透技术、提高封孔质量、合理布置钻孔等综合措施，使瓦斯抽采浓度显著提高，瓦斯抽采和利用量大幅增加，形成了以利用促抽采、以抽采保安全的良性循环，瓦斯利用量连续提高。

7、结束语

瓦斯对于矿井作业安全具有重要的影响。因此，煤矿企业应当基于安全保障需求，进行瓦斯综合治理的健全，从日常管理、通风管理、瓦斯管理和瓦斯抽采四个方面，进行综合治理内容与方法的完善，有效进行瓦斯抽采与治理，保障矿井作业的安全。

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