保德煤矿三盘区深部瓦斯综合治理

王 俭

(鄂尔多斯市神东工程设计有限公司)

保德煤矿三盘区深部瓦斯综合治理

王 俭

(鄂尔多斯市神东工程设计有限公司)

结合保德煤矿瓦斯赋存情况和涌出规律，提出了三盘区深部区瓦斯预抽方案，对预抽效果进行了预测。通过效果分析，井上下大直径对接钻孔预抽方案能有效解决采面隅角的瓦斯超限问题，实现矿井生产过程中瓦斯不超限的目标。

瓦斯预抽 大直径钻孔 抽出率 残存瓦斯含量

保德煤矿井田南北走向长14 km，东西倾向宽5.7 km，面积为55.9 km2，煤层倾角平均为5°，可采煤层为4层，目前开采最上部的8#煤层，平均厚6.5 m。开采深度标高为+940～+420 m，埋藏深176～380 m。

矿井采用平硐+斜井+立井联合开拓，共有8条井筒：6条进风井、2条回风立井。8#煤层以集中大巷、康孙大巷及五盘区大巷为界把井田划分为一、二、三、五4个盘区。目前在三、五盘区生产，共有2支综采队、4个掘锚队。采用走向长壁后退式开采，全部垮落法管理顶板，综合机械化放顶煤。掘进巷道采用掘锚一体化施工。巷道为矩形全煤巷道，采用锚网索联合支护。

矿井采用六进两回分区抽出式通风方式，布置南、北部区2个回风立井，分别安装2台FBCDZ-10-№38型防爆对旋轴流通风机，其中南部区枣林回风立井服务二、三盘区，北部区刘家堰回风立井服务五盘区，目前矿井总回风量为36 000 m3/min左右，矿井绝对瓦斯涌出量为129.03 m3/min，相对瓦斯涌出量为6.08 m3/t，等积孔面积为15.4 m2。

矿井在南、北区域分别建有地面高、低负瓦斯抽采系统。其中北部区地面抽采系统已建成，高负压抽采系统装备2BEC72型水循环真空泵，额定流量为560 m3/min，对井下煤层超前钻孔抽采；低负压抽采系统装备2BEC87型水循环真空泵，额定流量为900 m3/min，对采空区进行抽采。南部区也建有地面高、低负压瓦斯抽放系统，高负压瓦斯抽采系统为2BEC87型水环泵，额定流量为900 m3/min，主管路直径为820 mm，对本煤层进行预抽；低负压瓦斯抽采系统为2BEC120型水环泵，额定流量为1 400 m3/min，主管路直径为1 020 mm，对采空区进行抽放。在南部区井下三盘区布置一套本煤层移动预抽系统和一套采空区移动抽放系统。

1 瓦斯涌出规律

通过理论分析和现场实测得出8#煤层瓦斯赋存及涌出规律：

(1)回采工作面瓦斯涌出量本层占90%，下邻近层占10%，上邻近层可忽略不计。

(2)回采工作面采空区(顶煤、邻近层)瓦斯涌出量占60%～70%，煤壁、落煤占30%～40%。

(3)矿井瓦斯风化带下边界标高为+776 m，风化带深170～230 m。

(4)瓦斯含量梯度为2.59 m3/(t·hm)，瓦斯压力梯度为0.50 MPa/hm。

(5)深部井田边界标高为+500 m，预测瓦斯含量为8.17 m3/t，预测最大压力为1.67 MPa。

(6)8#煤层透气性系数为0.17～ 0.8 m2/(MPa2·d)，钻孔瓦斯流量衰减系数为 0.004 7～0.049 1d-1，属于可抽放煤层。

目前三盘区生产区域标高为+650 m，实测瓦斯含量为5 m3/t左右。掘进时瓦斯涌出量有时出现不均衡，通过实测 81309掘进百米巷道瓦斯涌出量最大为6 m3/min，平均为2.1 m3/min，瓦斯涌出不均衡系数为2.8。三盘区正开采的81305工作面瓦斯绝对涌出量为16.46 m3/min，相对涌出量为1.48 m3/t。

五盘区大巷已延伸到井田边界(标高为+542 m)，实测瓦斯最大压力为0.4 MPa；目前三盘区正在掘进的81309回顺(标高为+640～+650 m)，实测最大瓦斯压力为1.1 MPa左右。随着三盘区开采深度的增加(井田边界标高为+500 m)，煤层瓦斯含量、压力会不断增大。经过对8#煤层开采范围(五盘区+540 m以上，二、三盘区在+660 m以上)内瓦斯突出危险性鉴定，瓦斯最大压力地点为三盘区+660 m标高，压力为0.96 MPa。五盘区4项指标均未达到临界值，二、三盘区全部指标未达到或超过其临界值，鉴定结果为非突出。

2 三盘区瓦斯治理技术措施

2.1 掘进面

采用双巷掘进，配备2×45 kW或2×55 kW局部通风机和φ800 mm风筒供风，每85 m施工采联巷，实施“见二闭一”封闭方案，随着联巷的封闭，形成了全风压与局部通风相结合的通风系统。为了降低煤层瓦斯压力和含量，掘进开口前，先从大巷用千米定向钻机施工走向顺层千米钻孔超前预抽，掘进时坚持超前预抽。一是在顺槽正帮每600 m施工一个钻场，每个钻场施工与巷道平行的2个800 m主孔，2个700 m分支孔，钻孔间距为10 m，第一个钻孔与巷帮间距为15 m；二是在每个掘进联巷内施工5个120 m的短钻孔。2种钻孔边施工边联管预抽，降低瓦斯压力，减少掘进期间瓦斯涌出量。

为了确保安全，在工作面掘进过程中，每85 m测一次工作面原始煤层的瓦斯压力，每50 m验证一次工作面压力，当压力低于0.74 MPa时方可掘进。

2.2 回采面

回采面提前2 a以上形成备用面，然后在切眼和主回撤通道内施工走向顺层千米钻孔，对于回采面中部，在胶运顺槽内施工倾向顺层上下行钻孔预抽，钻孔间距为5 m，保证工作面回采前预抽时间不少于1.5 a。回采过程预抽的同时，利用大管径、大流量抽采系统对采空区插管抽采[1-3]。

目前回采面采用三进二回“U+L”型通风方式，走向顺层千米钻孔和倾向顺层上行钻孔预抽、采空区抽采、风排治理瓦斯，工作面配风量为1 600～ 2 500 m3/min。

3 瓦斯治理方案

3.1 治理方案的选取

目前尽管三盘区深部实施了井下本煤层瓦斯预抽，但根据矿井生产规模及接续安排，受采掘巷道制约，预抽钻场巷道不能及时施工，导致工作面回采前预抽期仅为1.5～2 a，回采前预抽率仅为10%～18%，达不到相关规定，从而抽、掘、采接续失衡，限制了矿井的安全高效生产。根据抽采达标要求，深部区实现抽采达标，需要提前预抽3～5 a以上，才能把瓦斯含量降至4 m3/t以下，否则只能降低产量才能确保安全[4-5]。

为了实现矿井安全高效生产，防止高瓦斯矿井升级为突出矿井，必须加大预抽力度，延长预抽期，降低瓦斯压力和含量，为此提出2种方案。

方案一：调整生产接续，降低产量，按保德煤矿现有钻孔施工方式进行预抽，虽然成本低，但降低了矿井产量，回采前预抽率难以达标。

方案二：实施井上下大直径钻孔预抽，延长了预抽期，不影响矿井产量，8#煤层预抽的同时，可以提前预抽11#煤层瓦斯，回采前预抽率能够达标，但初期成本高。

通过比较，选取方案二。

3.2 井上下大直径钻孔预抽技术方案

3.2.1 地面钻孔与井下钻孔单独施工的预抽方案

3.2.1.1 地面钻孔施工预抽

沿每个工作面倾向施工地面垂直生产井作为瓦斯抽采和排水通道，然后根据可以实现的造斜半径，在边界工作面施工水平井；水平井进入目标煤层后分支钻进，与地面垂直生产井对接，形成羽状布置，以扩大钻孔影响范围进行预抽。施工方案示意见图1。

图1 地面钻孔施工示意

3.2.1.2 井下钻孔施工预抽

按现有的顺层钻孔进行预抽。

优点：①地面钻孔工程在地面进行，无需占用井下巷道；②井下煤层钻进工程量相对较小。

缺点：①需要办理地面井场征地手续；②抽采期短，钻孔利用率低，全部钻进工程安排与保德煤矿采掘接续计划同步，降低了矿井产量；③回采前预抽率难以达标；④成本相对高，造价昂贵。

3.2.2 井上下大直径对接钻孔的抽采方案

通过地面钻孔与井下长距离定向钻孔对接，实现多工作面、多煤层联合瓦斯预抽。

优点：①大区域、长时间、高效率预抽，扩大了预抽范围，延长了预抽期；②解决了下行钻孔积水问题；③地面钻孔相对少，减少了岩石段钻进工程量；④提高了钻孔利用率和瓦斯抽采效率，预抽率能够达标；⑤预抽8#煤层的同时，可以提前预抽11#煤层瓦斯；⑥抽采成本低。

缺点：①需要办理地面井场征地手续；②地形复杂，设备进场难度大；③施工工艺要求较高，精确施工难度大。

通过比较，大直径井上下对接钻孔抽采方案更能符合煤矿需求。

三盘区深部瓦斯治理范围主要包括81309、81310、81311、81312、81313、81314、81315工作面以及该7个工作面下层11#煤相对应的工作面，该项目分两步实施：先对81309、81310、81311工作面以及下层11#煤相对应范围内的煤层瓦斯赋存参数进行测试，并根据参数制定切实可行的井上下长距离钻孔对接预抽方案，并组织实施验证，提交瓦斯治理可行性研究报告；根据前3个工作面以及下层11#煤层瓦斯治理成果，对81313、81314、81315工作面以及下层11#煤相对应的范围提出可行的瓦斯综合治理实施方案。其次，根据可行性研究报告、抽采实际情况和实施方案再组织实施其他工作面预抽钻孔。

地面钻孔布置在81312工作面距回风顺槽80 m位置，间距为280 m。每口井有3个作用，一是作为参数井获取地层资料和瓦斯基础参数资料；二是作为抽采井抽排治理区域瓦斯；三是作为采空区井抽采81312工作面开采期间采空区瓦斯。另外，在治理区域南部边界布置一组下行定向钻孔，该组钻孔为二级钻孔，以抽采边界区域煤层瓦斯。方案示意见图2。

图2 下向钻孔施工示意

3.3 井上下钻孔施工设计

目标区域的可抽瓦斯量根据目标抽出率

(25%)核算，钻孔密度按可以实现的瓦斯抽采期、统计的平均百米钻孔流量和瓦斯流量衰减调整系数计算得出[6-7]。

钻孔工程量公式为

(1)

式中，T为钻孔工程量，m；kp为目标区域抽采率，25%；Qk为可抽瓦斯量，8 231 560 m3；D为抽采期，43个月；qh为百米平均瓦斯流量，0.018 m3/min；η为流量衰减调整系数，取0.9。

钻孔间距计算公式为

(2)

式中，L为钻孔间距，m；S为治理区域长度，240 m；Sl为工作面长度，2 500 m。

计算结果为钻孔间距21.93 m，钻孔数量114个，钻孔总工程量27 354 m，。

由于以上计算中使用的百米流量为矿统计数据，且深部煤层瓦斯含量等基础参数为理论推测数据，同时考虑各类其他不确定因素的存在，三盘区深部8#煤井下长距离定向钻孔设计间距取20 m，以确保瓦斯抽采达到预期目标；鉴于11#煤抽采期相对较长，11#煤井下长距离定向钻孔设计间距暂按40 m考虑。

根据长距离定向钻孔可以实现的定向钻进曲率，确定将81309工作面井下钻孔分为8组，每组对应一口地面钻孔。平均每口地面钻孔控制井下钻孔14个，控制范围为280 m。

考虑81310、81311与81309工作面错开布置，在81310工作面1#回风顺槽施工初期可以按上述方法布置2组钻孔及2口地面钻孔，对81310和81311工作面停采线区域煤层进行采前预抽。因此，确定本方案地面钻孔数量为10口，设计井距为280 m。

3.4 抽采效果预测

本方案以煤层瓦斯抽出率和煤层残存瓦斯含量2项指标评价瓦斯抽采效果。预测效果见表1。

表1 预测效果

从表1可看出，经过43个月预抽，81309工作面煤层瓦斯抽出率可达到29%，煤层残存瓦斯含量为3.78 m3/t；经过60个月预抽，81310工作面煤层瓦斯抽出率可达到37%，煤层残存瓦斯含量为3.69 m3/t；经过75个月预抽，81311工作面煤层瓦斯抽出率达到42%，煤层残存瓦斯含量为3.66 m3/t。

4 结 论

根据瓦斯涌出情况提出了井上下大直径钻孔预抽技术方案，采用井上下对接钻孔抽采，地面钻孔数量为10口，设计井距为280 m。通过对矿井瓦斯的综合治理，工作面回采前平均预抽率达10%～18%，回采期间抽采率达70%，矿井瓦斯抽采率为45%，单位钻孔量为0.01～0.02 m/t(单面最大钻孔量已达15万 m以上)；百米钻孔抽采量普通短钻孔为0.002～0.008 m3/hm，千米钻孔为0.02～0.08 m3/hm；高负压预抽瓦斯浓度平均在30%以上，低负压采空区瓦斯抽采浓度3%～5%，低负压合理抽采混合流量在350～650 m3/min。瓦斯综合治理方案有效解决了采面隅角的瓦斯超限问题，防止矿井深部瓦斯突出，实现了矿井生产过程中瓦斯不超限的目标,保证了矿井安全高效生产。

[1] 蔡 勇.高瓦斯回采工作面瓦斯治理实践[J].煤炭技术,2009(4):28-32.

[2] 王 鹏,孟海东,贾韶洋.13210综放工作面瓦斯治理方案[J].现代矿业, 2013(11):79-80.

[3] 鄂长银.煤矿瓦斯综合治理工作要素分析[J].低碳世界,2014(11)：32-36.

[4] 国家安全生产监督管理总局. AQ 1027—2006 煤矿瓦斯抽放规范[S].北京：煤炭工业出版社,2007.

[5] 张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术[M].北京:煤炭工业出版社,2001.

[6] 朱诗山.煤矿瓦斯抽放技术[J].煤炭技术,2009 (6):82-85.

[7] 国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程[M].北京：煤炭工业出版社,2011.

2015-07-17)

王 俭(1980—)，男，工程师，017209 内蒙古鄂尔多斯。