高瓦斯矿井综合瓦斯抽采技术实践

常森彪

山西焦煤华晋焦煤有限责任公司沙曲矿

高瓦斯矿井综合瓦斯抽采技术实践

常森彪

山西焦煤华晋焦煤有限责任公司沙曲矿

高瓦斯矿井的瓦斯抽采技术研究是瓦斯抽采研究领域的技术性难题。国内外许多专家、学者对此进行了大量的探索和研究，如采用煤层瓦斯预抽，保护层开采，在工作面打顺层钻孔、高位钻孔，采空区埋管，地面压裂钻孔等方法抽采矿井瓦斯，在某种程度上增加了瓦斯的抽采率。下面文中将会对高瓦斯矿井综合瓦斯抽采技术进行阐述和分析。

高瓦斯；综合瓦斯；抽采技术

近几年，过去一些低瓦斯矿井随着采煤范围的日益扩大和采煤深度的加深，逐渐发展成了高瓦斯矿井，高瓦斯矿井生产的危险性远高于普通矿井，并时常有严重的煤矿事故发生。相关煤矿生产实践结果表明，瓦斯的钻孔采抽属于治理瓦斯灾害的最主要对策。

1 瓦斯成因与赋存

煤层瓦斯是腐植型有机物(植物)在成煤过程中生成的。成气过程分2个阶段，一是生物化学成气时期；二是煤炭化变质作用时期。不同煤田，甚至同一煤田不同区域煤层的瓦斯含量差别可能很大。煤炭体是一种复杂的多孔性固体，包括原生孔隙和运动形成的大量孔隙和裂隙，形成了很大的自由空间和孔隙表面。煤层中瓦斯赋存状态有2种：游离状态和吸附状态，在现今开采深度内，煤层内瓦斯主要是以吸附状态存在，游离状态的瓦斯只占总瓦斯体积的10%左右。但在断层、大的裂隙、孔洞和砂岩内，瓦斯主要以游离状态赋存。煤的瓦斯含量取决于煤层和围岩的透气性和吸附性、地质构造和埋藏深度等因素。我国煤层气赋存呈现/两低一高0的特征：煤层瓦斯的渗透率低，煤层瓦斯压力较低，煤层吸附瓦斯能力高，这一特点给煤层开采和瓦斯抽采带来了较大困难。

2 高瓦斯矿井综合抽采技术

2.1 瓦斯抽采方法原则

确定以下瓦斯抽采方法的原则：①根据相应的煤层赋存、巷道的布置、地质和开采技术条件选择相应抽采瓦斯方法；②通过对矿井瓦斯涌出来源及涌出量构成分析研究，有针对性地选择瓦斯抽采方法来提高瓦斯抽采的效果；③应有利于降低抽采成本，提高瓦斯抽采率；④应有利于井下钻场、钻孔的正常施工，有利于抽采系统管网的设计，增加钻孔抽采有效时间。

2.2 瓦斯抽采技术

1)钻孔预抽采瓦斯技术

所谓的高位瓦斯抽采钻孔施工技术是指抽采上邻近层由于开采而出现的瓦斯所使用的钻孔技术。开采的强度越来越大、深度越来越深，加之地面大气压逐渐降低，矿井瓦斯的涌出量就会越来越多。如果仅仅通过正常通风来对瓦斯进行稀释，对于落煤和暴露煤壁时的解析瓦斯是有效果的；但是如果采空区涌出的瓦斯所占比例较大，如达到约60%时，这种方法无法实现治理瓦斯的目的。高位水平钻孔瓦斯预抽采技术难度较大，该技术主要有大采面中间高位巷瓦斯预抽采技术和顶板高位水平钻孔瓦斯预抽采技术两种，顶板高位水平钻孔瓦斯预抽采技术成本低、工期短、可以灵活应用，特别适用于以下三种矿井：高瓦斯矿井(瓦斯涌出量特别大，含量非常高，煤层的透气性不好的矿井)、瓦斯富集的矿井(由于地质条件引发的)和煤层瓦斯分布的不均匀性的矿井。

2)采空区埋管瓦斯抽采方法

采用采空区埋管方式抽采工作面采空区的瓦斯，利用双泵站双管路埋管抽采(抽采管前端兼作埋管)，如图1所示，2套管路分别抽采空区和上隅角的瓦斯，1号、2号管路在回风巷每隔3m均串接一个三通管件，安装管路时要用堵板封严，防止漏气，随着工作面的推进，抽采管管口保持伸入采空区30m，管路上的连接口逐步向采空区内靠近，在进入采空区之前，须封严实，当工作面推进至下一个埋管口三通处，接替埋管口已经埋在采空区内3～5m时，将埋在采空区里的前一埋管段堵板封严，打开下一个循环的埋管口法兰盘，以此达到利用埋管不断抽采采空区瓦斯的目的。

图1 采空区埋管抽采方法示意

采空区抽采比本煤层预抽瓦斯量大，但埋管抽采负压较低，经过检测，瓦斯抽采管内瓦斯体积分数由原来的10.0%～25.0%降至0.7%～0.9%，瓦斯抽采管内抽采负压一般保持在3～5kPa，能够满足煤矿安全生产的要求。

3)本煤层瓦斯抽采

本煤层瓦斯抽采是在煤层开采之前或采掘的同时， 用钻孔或巷道进行该煤层的抽采工作。该矿主要采用顺层双向钻孔预抽本煤层瓦斯， 为提高预抽效果需要确定合理的预抽方式、合理的布孔参数和合理的预抽时间。

合理预抽方式的确定，常用的预抽方式主要包括平行钻孔、交叉钻孔和大直径钻孔等3种，通过对不同预抽方式、相同钻孔密度下瓦斯抽采率对比、不同预抽方式达到相同瓦斯抽采率所需钻孔密度比较和不同预抽方式施工作业难易程度的对比等3个方面进行综合考虑，交叉钻孔方式是3种预抽方式中最适用于该矿且最合理的瓦斯预抽方式。

2)交叉钻孔合理布孔参数的确定，主要确定交叉钻孔高程差、钻孔间距、钻孔长度和钻孔夹角。该矿经过对各煤层赋存条件下的交叉钻孔孔周破坏区及相互影响模拟数值计算及分析，高程差最佳取值范围确定为4～6倍的钻孔孔径，如果考虑煤层瓦斯解吸、流动效应和煤体蠕变属性取6～8倍钻孔孔径。

1)本煤层抽采的实质是扩大了钻孔直径，同时斜向钻孔延长了钻孔在卸压带的抽采时间，也避免了因钻孔坍塌对抽采效果的影响，该布孔方式较常规布孔方式瓦斯抽采量提高了0.46～1.02倍。2)高位钻孔抽采是将邻近煤层瓦斯和采空区的瓦斯汇集抽出。瓦斯抽出后，邻近煤层的相对瓦斯涌出量由原来的4.38～10.17m3/t变为1.46～3.16m3/t，大幅降低了瓦斯突出的危险性。3)采空区埋管抽采可以降低采煤工作面的瓦斯浓度，将邻近煤层瓦斯排出，从而降低上隅角的瓦斯浓度，确保煤矿采空区的瓦斯体积分数保持在0.7%～0.9%，满足安全生产需求。

[1] 刘洋. 高瓦斯矿井采空区大直径高位钻孔瓦斯抽采技术研究[D].太原理工大学，2013.

[2] 王剑光. 煤矿瓦斯综合抽采技术及应用[J]. 中国煤炭，2014，03：111-115.