艾维尔沟矿区二一三〇煤矿瓦斯防治技术探讨

王宝群 王志辉

(1. 新疆焦煤(集团)有限责任公司,新疆乌鲁木齐 830025;2.中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 400037)

艾维尔沟矿区二一三〇煤矿瓦斯防治技术探讨

王宝群1王志辉2

(1. 新疆焦煤(集团)有限责任公司,新疆乌鲁木齐 830025;2.中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 400037)

艾维尔沟矿区二一三〇煤矿为多煤层开采矿井。随着矿井改扩建工程的施工,矿井开采深度增加,瓦斯及防突问题日益严重。日益严重的瓦斯问题不但严重影响了矿井生产安全,也对矿井的采掘接续产生了极大的影响,造成了采掘接续的紧张。近年来矿井瓦斯防治的投入大大增加,但煤炭产量却增加不大,甚至出现减少的现象。因此,探索、寻求一种切实有效的瓦斯治理技术成为艾维尔沟矿区面对的重要问题。

保护层 瓦斯抽采 带压封孔 地面井卸压抽采

1 矿井概况

1.1 煤层情况

二一三〇煤矿井田地层含煤共9层,自上而下编号为1、2-1、2-2、2下1、2下2、3、4、5、6号,其中2下1、2下2为不可采煤层,其他煤层为可采煤层。煤层总厚度22.78m,可采煤层总厚度21.76m。如(图1)所示。

1.2 煤层瓦斯情况

2011年4月2日13时8分,二一三〇煤矿改扩建主斜井掘进工作面发生煤岩与甲烷二氧化碳突出事故,突出煤岩量约为800多吨。矿井1号煤层非常松软,在+1940m水平测得的最大瓦斯压力为1.9MPa,经鉴定具有突出危险性。3号煤层测得的最大瓦斯压力为0.92MPa。4号煤层在+1950m水平测得的最大瓦斯压力为0.85MPa。5号煤层在+2047m水平的25221工作面,开采期间瓦斯涌出量较大,瓦斯超限频繁,且在工作面端头出现偏帮垮煤现象,测得的最大瓦斯压力为0.75MPa。6号煤层测得最大瓦斯压力为0.6MPa。在采掘过程中,1、5、4号煤层都出现过钻孔喷孔现象。

1.3 现有的瓦斯治理措施

目前矿井使用两套地面瓦斯抽采系统,抽采泵型号分别为2BEC-50(2台)和2BEC-72(4台)型水环式真空泵,瓦斯抽采浓度10%～20%。矿井抽采系统较为完善。

矿井瓦斯抽采方式以本煤层顺层钻孔预抽为主,并结合井下采空区抽采。矿区因瓦斯抽采工作刚刚起步,抽采瓦斯量较少或者抽采瓦斯浓度偏低,尚未达到安全、经济利用的程度,抽出的瓦斯暂未利用。

表1 2014年～2016年2130煤矿抽采抽采钻孔及施工费用预算

表2 同一工作面地面井卸压抽采与井下抽采投入对比表

2 矿井瓦斯防治面临的问题

矿井的瓦斯问题是近两年来随着开采深度的增加日益显现出来的,虽热矿井引入了井下瓦斯抽采技术,并建立了相对完善的抽采系统,但仍然存在着许多的问题。总共的说来,矿井主要存在以下几点问题。

2.1 井下瓦斯抽采技术的应用存在单一性

目前矿井主要以顺层本煤层抽采为主,在煤巷掘进过程中采用先抽后掘的瓦斯治理措施,形成回采面后再施工回采的大面积顺层钻孔预抽。从安全角度考虑,在突出煤层或危险程度较高的煤层中施工顺层钻孔,特别是煤巷的顺层条带预抽具有很大安全隐患,易诱导突出的发生。同时由于煤层厚度的变化,回采面的顺层钻孔易留下空白带,加大了瓦斯事故的发生。例如在25221工作面由于煤层厚度从6m变为12m,造成局部煤层变厚区域顺层无法控制下部煤层,回采过程中瓦斯超限频繁,瓦斯抽采并不达标。单一的顺层钻孔无法解决矿井的瓦斯问题。

2.2 井下瓦斯抽采效果较差

矿井煤层透气性较差,瓦斯抽采效果并不明显,瓦斯抽采浓度在10%～20%,日瓦斯抽采纯量约10000m3。较差的瓦斯抽采效果造成了工作面瓦斯抽采时间长,对本来接续就较为紧张的局面更加的严重。初步分析认为造成瓦斯抽采效果较差的原因,一是抽采管理长,弯头多,抽采负压损失大;二是封孔效果差,漏气严重。

2.3 现有瓦斯防治技术投入大,见效慢

矿井采用的井下瓦斯抽采技术是目前国内比较成熟的技术措施。但对二一三〇矿井而言井下瓦斯抽采技术工程量巨大,投入成本高。(表1)为最近3年矿井抽采钻孔工程量及施工预算。

除了钻孔施工的费用与人员投入,消突巷道的施工也需要大量的资金与人员投入。而这些工程的开展以及后续的瓦斯抽采,这些都需要大量的时间安排,成为矿井生产接续的巨大障碍,极有可能造成矿井无煤可采的局面。

图1 煤层剖面图

2.4 矿井瓦斯防治手段单一

矿井井下瓦斯抽采主要依靠钻孔预抽,抽采效果差,抽采时间长。矿井应从分利用保护层开采、卸压开采、煤层增透等技术措施,提高瓦斯抽采效果,减少瓦斯抽采时间。同时积极引进其他瓦斯技术措施,从瓦斯防治工程量、成本投入、人员投入等方面综合分析探讨,确立适合矿井生产实际的综合瓦斯防治技术体系。

3 矿井瓦斯防治的总体思路

影响矿井瓦斯赋存的因素是多方面的,因此矿井瓦斯防治是一项综合的、复杂的工作,必须建立一个具有可操控性、合理性、有效性、经济行的治理体系。通过研究分析国内外瓦斯治理经验,结合本矿井的生产实践,得出二一三〇煤矿瓦斯防治思路如下。

3.1 提高瓦斯抽采钻孔施工工艺,调整钻孔布置方式

井下瓦斯抽采技术可靠性高,但必须结合矿井实际情况不断调整,研究分析适合不同煤层、不同工作面情况下的钻孔施工工艺、封孔工艺、钻孔布孔方式。

(1)钻孔施工工艺。矿井目前采用顺层条带预抽与回采面顺层钻孔大面积预抽的瓦斯治理措施。这种技术措施的应用导致必须在回风巷或运输巷施工完毕后才能进行回采面大面积预抽,浪费了抽采时间,延长了回采面准备时间。可引进井下千米钻机,在工作面石门或工作面回风上山中施工包括上下顺槽条带及工作面的长钻孔进行瓦斯预抽。可极大的增大钻孔抽采率,减少搬家次数及工作面准备时间。

在煤层较软的煤层中施工钻孔时,可引进软煤层施工技术及设备,试验风力排查等施工技术,减少垮孔、堵孔现象,提高成孔率。

(2)封孔工艺。矿井主要采用水泥砂浆封孔,封孔效果不佳,多有漏气现象发生。可推广天固等有机材料进行带压封孔。这种封孔方式在艾维尔沟矿区的一八九〇煤矿16122工作面进行了试验。试验表明效果明显,钻场抽采负压由10千帕提高到了23千帕,抽采浓度由7%提高到了平均18%,最大达到28%。

(3)钻孔布孔方式。瓦斯抽采钻孔的布置方式是多样的,可以是单一模式,也可以多种模式相互组合。钻孔的布置方式需要综合考虑煤层赋存状况、工作面地质情况等影响因素,确定合适的布置方式。二一三〇煤矿单一的顺层长钻孔预抽方式不但在施工时存在安全隐患,还会在煤层变化区域留有空白带;同时由于钻孔较长,在软煤层中易出现垮孔、堵孔现象,影响抽采效果。矿井应多采用穿层钻孔进行瓦斯预抽,并考察确定穿层钻孔的孔间距;也可采用穿层与顺层钻孔交叉布置方式,最终可确保抽采无空白地,并能提高钻孔抽采率。

3.2 优化瓦斯抽采系统,提高瓦斯抽采效果

抽采系统是一个组成系统,任何一个环节出现问题都可能导致抽采系统运行障碍,影响抽采监测数据和抽采效果。抽采系统必须有可靠的监测装备与技术手段,还需要专业的维护人员定期进行维护,抽采系统的瓦斯监测数据也必须进行对比分析才能确定是否握真实可靠。

(1)抽采系统检测监控设备。矿井抽采系统的监测监控除了自动监控外,还需设计人工监控装置。系统主管路至少设置2～3个测嘴,支管路每隔100m设置一个测嘴,钻场中每隔单孔设置一个测嘴,测嘴主要用以人工测定负压、流量、瓦斯浓度。

(2)系统维护。抽采系统必须有专业人员进行维护,原则上每隔星期进行一次抽采系统瓦斯参数的人工测定,测定记录主要包括:测定人员、测定地点、测定类别(负压、浓度、流量等)。测定人员需要有一定的专业知识和专用设备,测定数据绘表成册并提交防突办进行数据分析与对比。

(3)数据分析与对比。抽采系统的井下自动监测装置受干扰较大,监测数据的准确性具有一定的有效期,需要人工监测数据进行对比分析。根据分析结果确定自动监测设备是否运行良好,如果有异常则需要对自动监测装备进行修理、较真。同时,通过主、支管路及钻场单孔的人工监测,还可预判抽采管路是否有异常。

3.3 积极开展保护层卸压开采技术研究

对于二一三〇煤矿多煤层矿井来说,保护层卸压开采是矿井防突、瓦斯防治的首选目标。能够有效、充分的利用保护层卸压技术需要做到以下几点。

(1)首次层及煤层开采顺序的确定。多煤层开采中,首次煤层的确定是决定矿井煤层开采顺序的前提。矿井合理的首采层及煤层开采顺序,将会为矿井节省大量的人力、物力、财力,同时也是确保卸压效果的重要保障。首采层的确定及煤层开采顺序的选择因素很多,主要涉及到煤层厚度、层间距、保护(卸压)层利用率、抽采巷布置、钻孔施工工艺、抽采效果等。这些因素是矿井开展煤层群瓦斯治理技术的关键所在。

(2)抽采巷道布置。在突出煤层采掘活动前,不管是否卸压,都需要进行瓦斯抽采。抽采巷道是瓦斯抽采的重要利用方式。合理的布置抽采巷道,是减少工程量,提高抽采巷道利用率的重要前提。抽采巷道的布置要充分考虑煤层间距,保护卸压间距,巷道布置标高。抽采巷道布置原则:一是最大程度的能够针对多个煤层进行抽采;最大程度的减少抽采钻孔工程量,减少下向孔数量。

(3)抽采钻孔布置。抽采钻孔是井下瓦斯抽采、消突的重要手段。抽采效果与抽采钻孔的施工效果具有很大的关系。一般说来,穿层抽采钻孔程度不要超过120m,过程的抽采钻孔在施工过程中定位效果较差,不能准确的施工至设计要求。抽采钻孔尽量布置也应尽可能布置上向钻孔,下向钻孔的孔内积水将会严重影响抽采效果,延长抽采时间。

3.4 开展瓦斯抽采新方法、新技术研究

井下瓦斯抽采是一项成熟的瓦斯治理技术手段,但多年的经验表明井下瓦斯抽采还存在不少的缺陷。主要缺陷表现在:一是钻孔施工工程量大,施工人员多;二是抽采巷道工程量大,施工工期长;三是抽采时间长,影响采掘接续;四是井下抽采系统维护困难。

鉴于以上原因,矿井需要积极的引进像地面抽采等新的瓦斯抽采技术与设备,减少人工与成本的投入,提高瓦斯治理效果。

4 瓦斯抽采新技术的探讨

地面钻井卸压瓦斯抽采是目前国内新兴的瓦斯技术,在山西、淮南等地取得了很好的效果。地面钻井卸压抽采是利用煤层回采前,在采掘准备区预先施工地面直井穿越煤层(群);煤层回采过程中,充分利用煤层回采工作面的采动卸压增流效应和采场裂隙带的导流作用,对煤层回采工作面前方及后方一定范围内的瓦斯进行有效的抽采,从而降低工作面的瓦斯超限风险。二一三〇煤矿为多煤层开采,矿井在开采4号及下方煤层时,1、2、3号煤层可收到卸压保护作用,符合地面井卸压抽采要求。

4.1 地面钻井卸压抽采的优点

成功经验表明,地面钻井卸压瓦斯抽采瓦斯浓度一般在50～90%,抽采瓦斯纯量为6000～10000m3/d。其高效抽采阶段的卸压期一般会维持3～4月,4个月之后将进入抽采衰减稳定期。

地面钻井卸压抽采还可以节省大量的井下施工时间、瓦斯抽出时间,减少瓦斯治理工程的投入与人员安排。(表2)为同一工作面地面井卸压抽采与井下抽采各项投入的对比。

4.2 地面钻井卸压抽采的缺点

地面卸压抽采对地面施工环境要求较高,地面钻井施工具有一定的失败率。根据井田煤层及顶底板岩性的不同,地面钻井的固井模式也不相同,还需在施工过程中不断的考察分析,最终确定符合实际要求的钻井方式。

5 结语

二一三〇煤矿瓦斯防治是矿井面临的首要问题,分析认为矿井在现有的技术条件下,可优化井下瓦斯抽采技术及各项施工工艺,提高瓦斯抽采效果。积极开展保护层卸压开采技术研究,制定符合矿井生产需要的长期瓦斯防治规划。引进地面钻井卸压瓦斯抽采技术,节省瓦斯防治中的工程量与资金投入,减少生产接续准备时间。通过各项措施的优化与引进,最终应建立起井上下联合抽采的瓦斯综合防治技术体系。