经坊煤业3号煤层瓦斯抽采技术研究与应用

2021-07-21申建伟

煤矿现代化 2021年4期

关键词：煤业采空区瓦斯

申建伟

（山西长治经坊庄子河煤业有限公司，山西长治 047100）

0 引言

在煤炭资源的开采过程中，存在着许多威胁安全生产的因素，瓦斯事故时有发生，且造成的损失是非常严重的，极大地限制了矿井安全高效生产，降低了生产效率。因此，针对具体矿井瓦斯进行抽采，避免发生瓦斯事故是我国高瓦斯矿井中亟待解决的问题[1-3]。

武瑞龙[4]采用多种瓦斯抽采方式解决了近距离三软煤层U型通风工作面瓦斯问题；李奇[5]针对回采工作面上隅角瓦斯集聚区域进行了瓦斯抽采治理，有效解决了瓦斯超限问题。现针对镇城底矿22208工作面瓦斯治理问题进行具体研究。

1 矿井概况

经坊煤业位于山西省长治市，批准开采3号煤层，生产规模3 Mt/a，3-602工作面位矿井井田西北部，工作面倾斜长度200 m，走向长度1 600 m。3号煤层厚4.24～6.52 m，平均6 m，采用一次采全高采煤方法。顶底板岩性见表1。

表1 3号煤层顶底板岩层分布表

北翼的七采区和八采区工作面瓦斯涌出量都大于5 m3/min，且八采区工作面是全矿井工作面中瓦斯涌出量最大的，七采区即将回采完毕，因此，矿井抽采设计以瓦斯涌出最大的八采区为设计基准，整个瓦斯抽采系统服务于3号煤层。

2 瓦斯抽采方案选择

经坊煤业开采3号煤层，根据抽采方法的选择原则以及经坊煤业煤层的赋存、瓦斯来源等特点，确定主要针对本煤层、邻近层和采空区瓦斯进行抽采。根据回采过程中瓦斯涌出的不同来源，本次设计采用的抽采方法见表2。

表2 抽采方案选择

3 工作面瓦斯抽采设计

3.1 工作面开采层抽采

1）抽采钻孔布置。3号煤层回采工作面采用“U”型通风，选择双侧钻孔抽采本煤层瓦斯。设计在回顺施工顺层钻孔，开孔高度为巷道底板以上1.5 m，在运顺施工上向倾斜钻孔，开孔高度为巷道底板以上1.5 m。瓦斯预抽钻孔施工完成后迅速连接管路进行预抽。抽采钻孔布置见图1，钻孔技术参数见表3。

图1 回采工作面瓦斯抽采钻孔布置平面图

表3 回采工作面预抽、边采边抽瓦斯钻孔技术参数表

2）封孔工艺。钻孔采用“两堵一注”封孔方式，采用一次性囊袋注浆装置进行封孔。具体为采用2个囊袋封堵注浆孔，2个囊袋中间设置有1段塑料管，首先向囊袋注浆，浆液被挤压至中部塑料管，塑料管开有注浆口，通过塑料管注浆进入钻孔，封孔深度12 m。封孔管为直径90 mm的软管（阻燃、抗静电），再用铠装胶管连接到支管上，再连接到干管上，最后到达地面泵房。

3.2 现采空区瓦斯抽采设计

3.2.1 高位钻孔抽采现采空区瓦斯

现采空区瓦斯高位钻孔抽采技术是采用沿回风顺槽布置钻场，在钻场内施工高位钻孔在裂隙带内抽采瓦斯。3号煤层高位钻孔及钻场布置见图3。

图3 高位钻孔抽采及钻孔布置示意图

1）抽采方法：在回采工作面回风顺槽内向回采工作面裂隙带施工迎面钻孔，通过裂隙带抽采现采空区瓦斯。

2）钻场施工：沿工作面回风顺槽每隔35 m布置1个钻场，钻场宽5 m，深4.5 m，高3 m，第一个钻场距工作面切眼70 m，其它钻场每隔35 m 1个。

3）钻孔布置：每个钻场共10个抽采钻孔，双排布置，每排5个，钻孔布置见图3，具体参数见表4。

图3 3号煤层采空区抽采示意图

表4 高位钻孔技术参数表

3.2.2 封孔工艺

钻孔施工时，采用φ113 mm钻头，孔长80～93 m，封孔长度为12 m。在孔内插入φ90 mm的双抗软管作为抽采瓦斯管。封孔采用“两堵一注”封孔方法进行封孔。为提高抽采瓦斯钻孔的抽采瓦斯量，防止钻孔垮孔、堵孔，影响抽采效果，顶板孔内可采用铁套管固孔，以提高钻孔的密封性，每施工完成1个钻孔后立即进行封孔。

3.3 老采空区瓦斯抽采设计

根据3号煤层瓦斯涌出量预测报告，老采空区瓦斯涌出量较大，为了防止老采空区瓦斯扩散到采掘工作面，因此要进行瓦斯抽采。在老采空区封闭墙上插入抽采支管进行抽采，具体抽采方法见图3。

4 瓦斯抽采量预计

4.1 本煤层钻孔预抽瓦斯量

1）根据2013年《山西省长治经坊煤业有限公司3号煤层瓦斯基本参数测定》报告：煤层瓦斯压力标高+540～+560 m为0.09～0.12 MPa，煤层钻孔瓦斯流量衰减系数为0.018 d-1，百米钻孔初始瓦斯涌出量为0.034 m3/min·100 m。钻孔在不同时间t内可抽采的瓦斯总量（Qt）和钻孔抽采有效系数（K）按下式计算：

式中：K为钻孔抽采有效系数，%；t为抽采时间，d；α为钻孔瓦斯流量衰减系数，d-1；q0为百米钻孔初始瓦斯涌出量，m3/min·100 m；Qj为钻孔极限瓦斯涌出量，Qj=1 440×q0/α，m3；Qt为百米钻孔在t时间内可抽瓦斯总量，m3。

计算结果如下表：

表5 不同抽采时间钻孔抽采瓦斯量及抽采有效系数

由上述计算结果可知，预抽时间为6个月时，抽采有效系数达到最大。抽采影响范围由下式进行计算：

式中：M为煤层平均厚度，m；L为钻孔有效长度，m；γ为煤的平均容量；D为钻孔抽采影响范围（直径），m；X为煤层瓦斯含量；η为钻孔抽采影响范围内的瓦斯抽采率，%。

代入相关参数数值计算结果如下表：

表6 不同钻孔抽采影响范围内的瓦斯抽采率

考虑到我国开采层预抽瓦斯目前的实际水平，本着既要减少钻孔工程量又要保证抽采效果的原则，确定3号煤层钻孔预抽时间为6个月，钻孔间距为3 m。

2）单孔瓦斯抽采量。回采工作面单孔每分钟平均抽采量：

3）钻孔数量与间距。3号煤层回采面工作面推进有效长度1 132 m，设计施工双侧钻孔，设计钻孔间距3 m，共施工754个钻孔，孔深110 m。

4）回采、准备工作面最大瓦斯预抽量。煤层准备工作面最大瓦斯预抽量为：754×0.011=8.36 m3/min。

根据《煤矿瓦斯抽放规范》规定，回采工作面在采动卸压条件下边采边抽的抽采量按照回采面预抽的50%计算：3号煤层回采工作面边采边抽：8.36×50%=4.18 m3/min。

4.2 高位钻孔瓦斯抽采量

经坊煤业七采区正在回采，并且已利用井下移动抽采系统，采用高位钻孔方法进行现采空区瓦斯抽采，泵站运行负压为25 kPa，主管抽采浓度在5%～12%，根据已有抽采流量和纯量数据，确定3号煤层回采面现采空区的瓦斯抽采量为3.3m3/min。

4.3 采空区瓦斯抽采量

根据《关于山西省长治经坊煤业有限公司3号煤层3.0 Mt/a瓦斯涌出量预测的批复》，矿井采空区瓦斯涌出量为16.94 m3/min，为防止老采空区瓦斯涌出，需采用全封闭采空区方法抽采老采空区瓦斯。

根据《煤矿瓦斯抽放规范》规定及其它条件类似矿井的经验，老采空区瓦斯抽采取4 m3/min，则3号煤层抽采2个老采空区抽采量为2×4=8 m3/min。

5 现场瓦斯浓度监测

经坊煤业3-807工作面通过实施上述瓦斯抽采方案实施，抽采期间，本煤层钻孔瓦斯抽采量平均为6.48 m3/min，高位钻孔抽采量平均为3.2 m3/min，每个老采空区钻孔抽采量平均为3.8 m3/min。随着工作面的推进监测工作面瓦斯浓度，在工作面回采过程中，瓦斯浓度基本稳定在0.4%～0.7%之间，有效防止了瓦斯聚集问题。