大宁煤矿矿井瓦斯的精准抽采与高效利用

李向阳，张跃兵，谷要帅，原 岗，焦海刚

（山西亚美大宁能源有限公司，山西 晋城 048100）

0 引 言

瓦斯是煤矿安全生产的严重灾害之一，也是丰富的清洁能源，精准抽采是瓦斯灾害治理的有效手段和清洁高效利用的根本保障。目前瓦斯抽采主要采用地面井瓦斯抽采，井下本煤层钻孔、穿层钻孔抽采[5]，但受抽采技术和装备水平的限制，存在一些问题：①地面井瓦斯抽采施工成本高、抽采周期长；②井下普通钻机密集短钻孔施工效率低，穿层钻孔有效钻孔占比小，钻孔轨迹不可控，易造成未知空白带[6]；同时因多数矿井未能够建立完善的高、低浓瓦斯分源抽采系统，井下抽采瓦斯系统浓度波动幅度大、气源供给稳定性差、不能形成规模化高效利用。大宁煤矿作为瓦斯灾害矿井，自2003 年引进澳大利亚VLD 深孔定向千米钻机以来，充分利用定向千米钻机“轨迹可控”的特点在井下瓦斯抽采等方面进行了广泛的应用[7]；同时建立了完善的高、低浓度瓦斯抽采系统，实现了高、低浓分级高效利用，有效降低了矿井“碳排放”。

1 矿井概况及瓦斯地质情况

大宁煤矿位于沁水煤田东部南段，井田面积38.8 km2，批准开采 3 号煤层，设计生产能力4.0 Mt/a，开采水平 +485 m,埋深 200～450 m；矿井采用斜井开拓方式，共布置8 个井筒，5 进3 回，构成通风系统；井下布置1 个综采工作面和4 个掘进工作面进行采掘作业，配备7 台定向千米钻机用于3号煤层瓦斯抽采钻孔施工，敷设抽采主干、支管约65 000 m 用于瓦斯输送；地面建设南山、山坪2 处瓦斯抽采泵站和1 个储气站服务于井下瓦斯抽采和地面利用。

大宁煤矿3 号煤层位于二叠系下山西组下部，煤层平均厚度约4.45 m，属中等变质程度的无烟煤，全区稳定可采，煤层顶板为粉砂岩、泥岩或砂岩，底板为泥岩或粉砂岩。煤层自燃等级为Ⅲ级，为不易自燃煤层，抽放难易程度属可以抽放-容易抽放类型。2012 年鉴定为煤与瓦斯突出矿井，2020 年测定矿井绝对瓦斯涌出量为207.71 m3/min，相对瓦斯涌出量为26.89 m3/t。

2 矿井瓦斯精准抽采

大宁煤矿现开采水平共划分5 个采区，采区采用盘区式布置，现1 采区已回采结束，2、3 采区交替回采，4、5 采区正在开拓。

2.1 三区联动抽采模式

大宁煤矿按照“煤层瓦斯含量16 m3/t 以上的规划区实施先抽后建，煤层瓦斯含量8 ～16 m3/t 的准备区实施先抽后掘，煤层瓦斯含量8 m3/t 以下生产区实施先抽后采[8]”的要求，将正在回采、开拓的采区进行3 区划分：2、3 采区互为准备区和生产区，4、5 采区为规划区。

矿井在规划区采用地面井超前预抽，准备区采用定向千米钻机区域递进模块预抽、条带区域预抽，生产区采用定向千米钻机顺层长钻孔预抽，同时工作面采空区采用闭墙埋管抽采、顶板穿层钻孔抽采，建立了“三区联动”精准抽采模式。

规划区于2015-2017 年期间委托山西兰花煤层气公司施工187 口地面抽采井，2018-2020 年规划区瓦斯抽采、利用量，见表1，年度瓦斯抽采率控制在6 %～8 %之间，预计4、5 采区本煤层抽采钻孔施工时瓦斯含量将降至14.5 m3/t 以下。

表1 2018～2020 年大宁煤矿规划区瓦斯抽采、利用量统计表

2.2 定向钻机精准抽采

大宁煤矿抽放队现配备7 台定向千米钻机，具体为：澳大利亚VLD-1000 型钻机5 台，西安煤科院ZDY-6000LD 型 钻 机 1 台 ， 重 庆 煤 科 院ZYWL-6000DA 型钻机1 台，均用于煤层瓦斯抽采钻孔施工。

1）本煤层区段抽采钻孔施工：在已掘回采巷道煤帮施工钻场，利用千米钻机向下区段施工本煤层长距离抽采钻孔，用于覆盖下区段回采工作面和回采巷道。同时根据煤层地质条件和采掘计划，可实施覆盖2 个区段的本煤层长距离抽采钻孔，抽放钻孔竣工图见图1。

图1 定向钻机本煤层区段抽采钻孔施工图

2）本煤层回采区抽采钻孔施工：对煤层赋存条件变化区域，在已掘回采巷道煤帮施工钻场，利用千米钻机向下区段(或本区段)方向施工本煤层长距离抽采钻孔，用于覆盖采面回采区域。

3）本煤层条带定向长距离抽放钻孔施工：对不具备采用区段抽采钻孔施工的区域，在已掘巷道迎头向巷道掘进方向施工本煤层条带定向长距离抽采钻孔，用于覆盖待掘巷道区域，抽放钻孔竣工图见图2。

图2 定向钻机条带抽采钻孔竣工图

通过长期的现场实践，结合定向千米钻机可进行孔内分支的特点，建立起了“一钻场一设计、一钻孔一设计”的管理标准，实现了抽采钻孔的精准布置。钻孔直径96 mm，单孔长度一般保持在300～600 m，为矿井瓦斯精准抽采提供了保障。

2.3 钻孔施工管理创新

为了减少煤层巷道“卸压圈”内煤体松动对瓦斯抽采钻孔浓度的影响，大宁煤矿积极与科研单位合作，探索煤体“卸压圈”范围内的最优封孔工艺和方式，通过大量的现场试验与数据分析，最终确定了“两堵一注”封孔工艺和相关参数[9]，保证了钻孔封孔质量，抽采钻孔瓦斯浓度在传统封孔工艺的基础上提升了10%～15%。

同时，为了保证井下定向千米钻机长周期、高效率施工，大宁煤矿积极落实预防性检修理念，形成了特有的“3+1”预防性检修模式[10]，“3”即为每一台定向千米钻机配备3 名兼职检修人员，每班负责关注钻机的运行情况，充分利用交接班时间对钻机进行预防性检修；“1”即为每台钻机配备1 名专职检修包机人员，负责制定钻机检修计划，并严格落实，以有效延长钻机使用周期，降低故障影响时间。通过“3+1”预防性检修模式的推广，极大地提升了定向千米钻机开机率，为抽采钻孔的高效施工奠定了基础。

面对瓦斯抽采钻孔高技能人员流失严重, 大宁煤矿不断完善量化考核标准，实施各项激励制度，推进市场化工资核算方式[11]，使高技能人员获得更多的回报；同时2020 年至今，在高质量党建的引领下，高质量精神文明建设快速落地，抽放队员工获得感、荣誉感迅速增强，劳动积极性极大提高，矿井抽采钻孔进尺稳步提高（见图3）。

图3 2016-2020 年大宁煤矿千米钻机台效统计

3 矿井瓦斯高效利用

3.1 高、低浓度分源抽采系统

大宁煤矿建设有南山、山坪2 处地面瓦斯抽采泵站，共装备各型号水环式真空泵19 台，构建了高、低负压，高、低浓度瓦斯抽采系统。

表2 各抽采瓦斯系统配备的抽采设备一览表

南山泵站高负压低浓系统（一）：抽采10%以上低浓度瓦斯，抽采对象为控制的采面瓦斯预抽、边采边抽；南山泵站高负压高浓系统（二）：抽采30%及以上高浓度瓦斯，抽采对象为采面瓦斯预抽、边掘边抽；南山泵站低负压低浓系统（一）：抽采10%以下低浓度瓦斯，抽采对象为1、2、3 采区老采空区；山坪泵站低负压低浓系统（二）：抽采5%以下低浓度瓦斯，抽采对象为生产期间采空区；山坪泵站低负压低浓系统（三）：抽采5%以下低浓度瓦斯，抽采对象为生产期间顶板高位孔。日均瓦斯抽采纯量达20 万m3。

图4 大宁煤矿抽采系统示意图

表3 2018-2020 年矿井瓦斯抽采、风排量统计表

3.2 瓦斯梯级高效利用

为了配合高、低浓度分源瓦斯抽采，大宁煤矿建设有容积为24 000 m3的储气站，以实现瓦斯梯级高效利用和气体的稳定安全供给。

南山瓦斯泵站30 %及以上的高浓瓦斯气体用于矿井自用、大宁远孚钙镁有限公司冶金、山西国新中昊盛能源有限公司销售，利用率100 %；10 %以上低浓瓦斯气体，部分销售于山西国新中昊盛能源有限公司，利用率约31%，瓦斯综合利用率达41.2%。

表4 大宁煤矿2021 年1-6 月份瓦斯利用量统计表

4 结束语

1）根据矿井采区划分和生产规划，合理划分规划区、准备区和生产区，采用地面井超前预抽，定向千米钻机本煤层预抽，采空区闭墙埋管大流量抽采等，构建起了“三区联动抽采模式”。

2）通过定向千米钻机“设计、施工、设备维护、劳动组织”四并重管理，保证了千米钻机长周期、高效率、高质量的施工，完成了对煤层瓦斯的精准、高效抽采，实现了对煤与瓦斯突出风险的有效管控。

3）通过高、低浓度瓦斯抽采系统的管理，建立了多途径利用渠道，实现了抽采瓦斯的高效利用，形成了煤与瓦斯绿色共采模式。

4）现阶段矿井在低浓度瓦斯利用方面与习近平总书记提出的“3060”碳峰值碳中和的目标仍有一定差距，仍需积极与科研院所、相关企业合作，不断提高矿井瓦斯综合利用水平，走出一条绿色、高效的发展之路。