低透气煤层采空区瓦斯综合抽采技术研究及应用

文/王安忠

低透气煤层采空区瓦斯综合抽采技术研究及应用

文/王安忠

我国大部分矿井尤其是西南地区煤层均属于高瓦斯低透气性煤层，煤层渗透率低，透气性差，瓦斯抽采率低，煤层气资源利用不充分，导致瓦斯灾害事故日益增多，严重威胁着矿井安全高效开采。因此，有效治理和开发利用瓦斯，实现煤与瓦斯协调开采已成为我国煤炭工业发展的必然趋势。本文就山西煤炭进出口集团煤业管理有限公司晋东南分公司四矿，通过工程实践对开采受邻近层瓦斯涌出制约的低透气煤层采空区瓦斯综合抽采的研究及应用进行了阐述。

一、工程概况

四矿年设计生产能力280万吨，核定年生产能力320万吨。井田东西走向长约2.5km，南北倾向长约5.5km。戊九采区自上而下开采煤层为戊8煤层、戊9.10煤层，戊8煤层平均煤厚2.1m；戊9.10煤层大部分为合层，平均煤厚3.5m，戊8煤层与戊9.10煤层间距4～22m。戊8煤层在开采过程中受邻近层瓦斯涌出影响，给回采带来较大困难。

二、采空区瓦斯抽采的必要性

瓦斯抽采的效果主要取决于煤层瓦斯含量、煤层瓦斯的渗透率、煤层吸附瓦斯能力等因素。戊8煤的瓦斯含量为2.034m3/t，煤层瓦斯含量不高，但戊8煤层布置的工作面绝对瓦斯涌出量较高，最高达到了58.03m3/min。上隅角瓦斯时常超限，主要是受下邻近层戊9.10煤层卸压瓦斯涌出影响，戊9.10煤层瓦斯测定含量为12.6m3/t。因此，可估算工作面瓦斯中，本煤层瓦斯涌出占20%，采空区（邻近层）瓦斯占80%。且戊8煤层Langmuir吸附常数a为24.29～27.94m3/t，b为0.940～1.733MPa-1，具有相当高的瓦斯吸附能力；戊8煤层透气系数为0.006m2/MPa2·d，对应的钻孔衰减系数为119.36d-1，煤层透气系数很低，钻孔瓦斯流量衰减的很快，也给戊8煤层瓦斯直接抽采带来较大困难。因此，根据瓦斯的运移规律和赋存特征，采空区瓦斯抽采是解决戊8煤层开采中瓦斯制约难题和提高瓦斯抽采效果的有效途径。

三、采空区瓦斯综合抽采技术的应用研究

1.建立地面瓦斯抽采泵站

四矿的地面瓦斯抽采系统使用地面定向垂直纠偏技术和大直径深孔定向反孔扩孔技术，直接从地面往井下垂直打钻孔至-560m井下，然后下入￠500mm螺旋抽放管与井下瓦斯抽放系统相连。同时在地面抽放泵站旁建立瓦斯发电站，利用地面抽放泵站把井下瓦斯抽采出来发电。该瓦斯抽采系统安装三台瓦斯抽放泵，其中两台型号为CBF710-2BG3水环式真空泵，电机功率为710KW，吸气量为500m3/min，单台抽放实际最大吸气量270m3/min；另一台型号为2BEF60水环式真空泵，电机功率为315KW，吸气量为258m3/min。

2.上隅角抽采瓦斯

图1 上隅角抽采示意图

在工作面回风巷内敷设￠500mm大直径螺旋抽放管路。当该吸气口进入采空区更深处时，打开下一个三通管件的组合阀门，依此类推，使吸气口保持在最佳抽采位置，利用抽放泵形成的负压抽采上隅角的瓦斯（见图1）。上隅角大流量埋管抽采瓦斯后，经实测抽放浓度5%，纯流量16.2m3/min以上。

3.尾巷抽采瓦斯

工作面距回风巷平距外错6m，施工一条瓦斯排放巷（俗称尾巷），每隔20～30m做一个回风联络川，尾巷内预先敷设一趟￠300～400mm螺旋抽放管，每一个回风联络川以里（采空区方向）预留一个吸气口，回风联络川推过1～3m时，打开吸气口，同时对尾巷进行封闭，即可阻止尾巷高浓度瓦斯外涌，采用预留抽放管路抽取高浓度瓦斯（见图2）。尾巷抽采瓦斯后，经实测抽放浓度可达8%～18%，混合流量180m3/min以上，纯流量21m3/min以上。

4.大直径长距离高位钻孔抽采瓦斯

高位钻孔是在回风巷向煤层顶板施工的钻孔,以工作面采动形成的顶板裂隙作为通道来抽放采空区的瓦斯。煤层开采后，其采空区在垂直方向上形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带；在水平方向上形成支撑影响区、离层区和重新压实区。支撑影响区因采动影响使垂直裂隙增加和原始裂隙张开，为瓦斯流动提供了垂直通道；离层区为瓦斯流动提供了水平通道；重新压实区围岩破碎造成了透气性增加（详见图3）。

戊8煤层开采后在其上方形成裂隙带，其岩性为厚6.4m砂质泥岩，有利于钻孔施工、成孔。冒落带内瓦斯形成积聚层，离层区内出现层间离层且岩块间相互挤压，成为高浓度瓦斯流入高位钻孔的通道，裂隙带内布孔不仅可抽出煤壁支撑区瓦斯，更重要的是还可抽出邻近煤层戊9.10煤层涌入到采空区的卸压瓦斯和冒落带，重新压实区内残煤释放的瓦斯。

针对煤层赋存特点，四矿将钻场设在回风巷下侧，钻场间距120～160m，钻场先按30°向上施工4m，然后再变平施工高位钻场，使钻孔开孔在砂质泥岩里，钻场规格为6m×4m×3m。每个钻场布置4～5个钻孔，终孔孔径193mm，扇形均匀布置，钻孔深度为140～170m。采用大直径长距离高位钻孔抽采瓦斯后，通过实测计算，单孔抽放瓦斯浓度0%～80%，混合流量为0～19.24m3/min，纯流量0～5.87m3/min。高位钻场抽放瓦斯浓度6%～12%，混合流量47.7～68.7m3/min，纯流量2.86～6.85m3/min。

四、采空区瓦斯综合抽采应用的效果

以建立地面瓦斯抽采泵站、上隅角抽采、尾巷抽采和大直径长距离高位钻孔抽采为一体的采空区瓦斯综合抽采技术取得了以下良好效果：

1．工作面瓦斯综合抽采率达57%以上，即工作面近2/3瓦斯量经瓦斯抽采系统抽放到地面进行发电，为瓦斯发电提供了充足、稳定的气源，做到了煤与瓦斯共采，实现了循环经济。

2．减少了工作面风排瓦斯，杜绝了上隅角瓦斯超限，上隅角瓦斯浓度保持在0.2%～0.6%之间。

五、结论

1.针对邻近煤层卸压瓦斯大量涌出导致上隅角瓦斯超限的问题，通过对采空区瓦斯综合抽采技术和装备的研究与试验，较好解决了工作面上隅角瓦斯超限问题，有效防止了邻近煤层卸压瓦斯在回采工作面危险区域的积聚，矿井瓦斯抽采效果得到了显著提高。

2.开采受邻近煤层瓦斯涌出影响制约的低透气煤层，采空区是瓦斯治理的关键区域。要想解决采空区瓦斯制约生产问题，必须建立大功率、大流量、大管径瓦斯抽采系统。建立地面瓦斯抽采系统为实施瓦斯综合抽采技术奠定坚实的基础，从而为实现瓦斯综合利用提供了保障。

（作者单位：山西煤炭进出口集团煤业管理有限公司晋东南分公司）

（责任编辑：周琼）

图2 尾巷抽采示意图

图3 回采工作面上覆岩层沿工作面推进方向的分区