西铭矿煤层气资源安全高效开采利用研究

许永将

(西山煤电股份公司西铭矿，山西 太原 030052)

西山煤电股份公司西铭矿属国有大型矿井，开采2#、3#、8#、9#煤层，经过多次改扩建后核定生产能力为3．60 Mt/a。近五年产量均保持在360万t/年左右，采用走向长壁式采煤方法，综合机械化采煤工艺，全部垮落法管理顶板，矿井采掘机械化程度为100%。冀家沟建立地面永久抽采泵站，安装3台2BEC72－1BG3型水环式真空抽采泵，额定功率为560 kW，排气量450 m3/min。目前单台运行，2台备用，抽采负压为0．04 MPa左右。在井下回风巷敷设D800 mm和DN630mm抽采管为矿井主系统，在回采工作面和预抽工作面、采空区敷设DN315 mm抽采管。现主要采用本煤层(底抽巷、底抽钻场)预抽、区域预抽、顶板裂隙带高低位孔(高抽巷、顶板钻场)抽采、采空区密闭抽采。2#煤层采用上邻近层高低位钻孔抽采，3#煤目前未进行抽采(未开采)，9#煤采用上隅角埋管抽采，8#煤采用多种方式综合抽采(本煤层+上邻近层高低位+底抽钻场+采空区)。

1 煤层气开采方面所面临的问题及效益分析

高抽巷布置在8#煤上覆顶板炭质页岩层中(厚2．82 m)，距8#煤垂高38 m，内错平行于距皮带顺槽27 m(水平投影)沿煤层顶板布置。该巷从48207皮带顺槽内13 m位置垂直于48207皮带顺槽水平掘进5 m，然后以10°向上掘进70 m，再以 13．2°向上掘进80 m进入炭质页岩层后水平送巷，巷道全长565 m。高抽巷采用半圆拱形断面，断面尺寸：高3．2 m，宽3．4 m，墙高 1．5 m，断面 9．6 m2，巷道支护形式采用锚网支护(锚杆、锚索加钢筋网)。施工结束后，采取密闭措施，在距巷道口45 m处，岩石顶板较稳定段施工双层充填水泥砂浆密闭，巷道口砌筑1道永久密闭，并对密闭外5 m范围内巷道及墙体喷浆加固。在密闭墙上安装1趟DN630 mm聚乙烯抽采管路，抽采管口位置距离密闭里墙体2 m，高度1 m，接入南二盘区瓦斯抽采系统。在高抽巷抽采管路上安设规格为开孔2/3的孔板流量计，用于抽采数据测量。

1)经济性分析。开拓施工高抽巷巷道工程费用：人工费和材料费需442．53万元;从经济性上分析，高抽巷费用与送底抽巷费用差不多，相比之下，高抽巷送道时间长，全岩巷道送道难度大，经济上不合理，施工专用回风巷布置裂隙带孔经济性次之，在皮带顺槽施工钻场布置裂隙带孔最为经济。

2)适用性分析。通过对高抽巷数据进行连续性检测，其抽采量基本保持在19 m3/min左右，与以往抽采方法相比，高抽巷效果稳定，技术上可行，利用时间长;底抽巷同样具有利用时间长、效果稳定特点，缺点是底抽巷受围岩地应力影响容易产生巷道变形;采用专用回风巷布置裂隙带孔效果一般，从总体上来说难以根治采场空间瓦斯涌出;在皮带顺槽布置钻场效果不错，但利用时间短。

3)优点分析。高抽巷具有抽采浓度大、抽采量稳定的特点，特别适合高瓦斯区域瓦斯治理;抽采出的高浓度瓦斯不经过采煤及回风巷区域，安全可靠性高，属本质安全型抽采方法;有效控制采空区瓦斯涌向支架采场范围内，较大程度上减轻了回采期间风排瓦斯压力;能够在支架后侧的采空区形成较强的负压场，改变采空区瓦斯流经路线，驱使高浓度瓦斯流向高抽巷;高抽巷布置在煤层顶板裂隙发育带范围，使用寿命较长，可以在工作面推进较远距离后，仍能从采空区内抽采大量高浓度瓦斯。

4)不足分析。该矿高抽巷掘送时未端只送到切眼位置，未超前切眼长度;若超过切眼位置20～30 m距离可能初采初放时期抽采效果更好;高抽巷距8#煤层顶板高差为38 m，符合按5～12倍理论计算要求，经实践检验分析，取42 m左右距离抽采浓度更高，即按11倍的采高计算巷道高差;高抽巷的水平投影距皮带顺槽的距离控制在切眼长度的1/5范围内有利于上隅角侧瓦斯抽采，该矿高抽巷内错皮带顺槽距离为27 m，内错距离过大，经现场检测可知，回风隅角涡流区域瓦斯难以彻底抽排;若内错距离为17～20 m范围时，可能效果更佳。

通过对高抽巷投资费用、抽采效果分析，该矿煤层气高效开采利用手段可多方面考虑，如底抽巷、底抽钻场等可节约成本，同时解决矿井瓦斯问题，为煤层气高效开采提供保障。裂隙带抽采钻孔封孔示意图见图1。

图1 裂隙带抽采钻孔封孔示意图

2 结论及建议

1)现地面泵站抽采瓦斯浓度为24%，抽采量为52 m3/min，移动泵瓦斯浓度为4%，抽采量8 m3/min左右，从2006年至今抽采量呈逐年提高趋势，但是抽采管路放水装置效果差造成抽采气路不畅通，本煤层抽采钻孔受采动影响造成封孔段漏气，多种混合抽采方式造成瓦斯抽采浓度不稳定且偏低，上述原因都对瓦斯发电项目的利用造成困难。

2)封孔质量是提高抽采效果的关键环节。封孔采用新工艺和新材料，采用的新型矿用合成树脂封孔，封孔长度由9 m增加至12 m。及时根据地面泵站抽采量、抽采浓度变化趋势，科学合理地调配抽采工作面、采空区等气源，保证了抽采量和浓度稳定、可靠。

3)管路、钻孔积水和煤渣是影响抽采的不利因素。探索自动放水装置，改进联孔方式，每3个钻孔接1个放水器，在支管增设放水器，初步解决了积水影响。在钻孔施工结束后持续送水5 min，将孔内余渣冲净，在支管路增设除渣装置，定期除渣。

4)钻孔施工质量是提高抽采效果的根本。根据抽采参数分析经验，不断摸索适合该矿地质特点的钻孔参数，改进抽采设计。高位钻孔由8倍采高改为12～14倍，与巷道夹角由90°改为40°～45°，有效克服断孔、堵孔等弊端，低位钻孔由5倍采高改为1～2倍采高，可有效降低上隅角瓦斯。

5)冀家沟只有1套地面抽采系统，目前地面抽采以治理采掘工作面瓦斯不超限为目标，不以利用为目的。南二、南四盘区同时还抽采多个采空区瓦斯，气源不稳定会造成抽采量、抽采浓度不稳定，忽高忽低波动幅度较大。需要轮流调整抽采盘区，合理调配抽采工作面，瓦斯利用前，需提前建立地面分源抽采系统。

6)南二、南四盘区高瓦斯煤层8#煤在3年后资源枯竭，2个盘区将会转移至低瓦斯煤层9#煤中采掘。3年后北七盘区将成为高瓦斯煤层8#煤的主采掘区域，根据邻近的北五盘区8#煤瓦斯赋存量分析推断北七盘区采掘区域绝对瓦斯涌出量不会超过20 m3/min。所以，3年后全矿井瓦斯赋存总量会大幅降低，南二、南四盘区的可抽量呈现明显衰减趋势，而从北七盘区又难以抽出浓度高、气源稳的瓦斯，因此，建立高浓度瓦斯发电项目将存在困难，需要慎重考虑。