高瓦斯矿井工作面瓦斯综合抽采

2023-01-18高江涛

当代化工研究 2022年3期

＊高江涛

（山西潞安集团左权阜生煤业有限公司山西 046299）

1.矿井瓦斯抽采重要性

随着工业生产规模不断扩大，各行各业对于煤炭资源的需求量也在不断增加。基于这样的发展背景，许多地区的煤矿开采不断朝着深层开采，才能尽可能地满足经济生产要求。而在深层采煤过程中，矿井温度、渗透压等因素影响使得矿井瓦斯含量大幅增加，对采煤作业安全造成严重威胁。合理利用瓦斯抽采技术可以在较大程度上减小瓦斯浓度，避免井下瓦斯浓度超出安全值的情况。瓦斯气体具备易燃易爆性，过量吸入也会造成人员身体损伤，甚至死亡。若是煤矿井下流通性不足极易导致瓦斯不断堆积而使得浓度超出安全值，进而引发瓦斯爆炸、中毒等安全事故。随着人们安全意识的提升，瓦斯事故发生概率有所降低，但是由于瓦斯引起的矿井事故仍是屡见不鲜，究其原因主要是缺乏对瓦斯浓度的及时、有效控制，进而引发爆炸、中毒等事故。由此可见，借助瓦斯抽采技术实现对井下瓦斯浓度有效降低，对于保障井下作业安全有着极为重要的现实意义。

2.高瓦斯矿井瓦斯综合抽采技术及应用

(1)交叉、网格与平行抽采技术

目前常在工作面上使用的抽采技术有三种，主要是网格、交叉和平行抽采技术。打孔布置的点设计在正对着工作面的位置，而且布置点要与钻场有一定的距离，还要与巷道保持平行。在开采掘进工作进行时，可以合理利用暂停工作和施工的时间对瓦斯进行抽采，如果在这段时间内进行连续抽采，可以抽采大量的瓦斯防止瓦斯过多溢出。平行抽采技术设置的抽采孔在进回风处，每个抽采孔之间的距离是1-2m，每个孔的直径要超过89mm。平行抽采技术的目的是把空白带的瓦斯抽出，同时还要在保证抽采量的基础上提升抽采率。交叉钻孔抽采技术也是在进回风处设置抽采孔，但是是在平行孔中做斜向孔，倾斜角度保持在15°至20°之间，高度差保持在0.4m左右。网格抽采技术则是利用网格进行设置钻孔位置的技术，此技术主要是采用斜向钻孔的方式在工作面的上下风道出钻孔抽采。首先在切眼和中间巷道位置开展抽采钻孔工序，然后再进行网格设置，这样能够控制住瓦斯不发生喷涌情况。实际工作中，网格抽采是目前应用较广的技术，因为其抽采效果比较好，能够有效减少瓦斯溢出的现象，还可以帮助校验。

(2)煤层密集抽采技术

煤层密集抽采技术是在瓦斯含量较高的矿井中使用的，在矿井开采区域的瓦斯浓度超出标准或者浓度极大的超过阈值时，通常会使用密集打孔的方式快速抽采瓦斯，用最快速度排出开采区域内的瓦斯，防止安全事故发生。使用密集打孔抽采方式，要在保障工作人员的安全基础上，在工作面上开始连续打孔，打孔时要注意保持打孔角度与工作面要呈90°，同时还要注意保持打孔的安全距离和缝隙，打孔后还要对孔洞做好密封工作，如果存在缝隙会导致瓦斯泄漏，工作人员通过孔洞进行不间断的瓦斯抽采工作。

(3)高位钻孔抽采技术

高位钻井抽采技术也是目前被广泛使用的一种瓦斯抽采技术，这项技术优势明显，不仅可以保障钻孔的高质量，还可以保障矿井施工质量。该技术主要是针对通风管理和高度进行孔洞位置设计，通风管道和地面连接处由于压强会形成压力差，形成的压力差同时也是能够排出矿井巷道中瓦斯的工具，从而降低矿井巷道中瓦斯的浓度，保障施工人员的安全。通常孔洞设置的方案是在巷道周围设置胶带巷，设置区域可以选择4m×4m×3m的形状面积，在缝隙带中设置钻孔的位置，在巷道最尾处紧紧贴上胶带巷，把区域设计成缝隙带的扇形面积，然后在区域内钻孔，通常会钻4个孔洞。

(4)煤矿多区共同抽采技术

由于矿井中含有大量瓦斯，所以通常会使用多区联动抽采技术。多区共同抽采技术在煤矿井下工作面瓦斯抽采方面有着较为广泛的应用，特别是在大规模煤矿开采的井下作业中应用效果最为明显。煤矿井下多区共同抽采技术的有效应用，需要地面、地下共同配合进行同步抽采，如此能够有效提升瓦斯抽采效果，实现对井下工作面瓦斯的高效综合抽采。多区共同抽采技术的有效应用，大大提高了瓦斯抽采质量与抽采效率，也很好地满足了“先抽后采”的操作要求，提高了井下瓦斯抽采与煤矿生产的密切配合水平，确保抽采工作高效稳定。煤矿井下工作面瓦斯多区共同抽采的应用通常包括了对规划抽采区、准备抽采区、生产抽采区，互相联动，同步实现地面与井下联采，很好地解决了井下工作面瓦斯抽采时间与开采连续的问题。

(5)钻割一体化增透卸压抽采技术

煤矿综采面的瓦斯抽采具备较高的操作难度，采用传统抽采方式的效率较低，抽采量、抽采设备应用等方面已然无法适应当前不断扩张的煤矿开采规模的要求。合理利用钻割一体化增透卸压抽采技术能够有效增加瓦斯抽采面积，提高抽采速度，进而提高井下瓦斯抽采效率。在实际应用过程中，要求确保钻机施工达到设计要求的深度，同时采用水排的方式对钻孔进行清理，完成钻孔之后需将钻头退出。接着是制备切割使用的高压磨料，完成制备后启动高压水泵，在高压磨料与清水的共同作用下实现对地质的有效切割，在切割过程中需按照先进行直向切割再进行侧向切割的顺序进行切割。同时需要做好高压水泵对材料阀门的切割方向与进度控制，进而完成钻割一体化增透卸压抽采。

(6)水力导喷增流提透技术

水力导喷增流提透技术的应用，涉及到对封孔管、缓冲式孔口四通、集中放水器、连接法兰、气水渣分离器等基础设备的使用。首先，采用合金钻头钻出长度为12m，孔洞直径约为110cm的钻孔，采用4寸埋线管和集中放水器，对缓冲式孔口四通出气口、第一个气水渣分离器进行连接，对于上部的4寸接口应采用4寸埋线管进行连接。同时第一个气水渣分离器，应采用串联的方式将两个气水渣分离器进行连接，三个气水渣分离器分别与瓦斯管路连接，其中第三个气水渣分离器的4寸接口，需与缓冲囊袋进行连接。所有涉及连接位置需采用皮垫的方式进行锁紧，确保各个法兰盘山螺丝全部上齐拧紧，避免出现抽空、漏气问题。三个气水渣分离器按照由高到低的顺序进行整齐摆放，同时确保出水口的出渣处于正常状态。加强对放喷装置盘根的定期检查与及时更换，避免出现漏气问题。如此便实现了随煤、水、瓦斯的有效分离，然后在采油抽采套管将瓦斯排出井外，避免发生瓦斯泄漏以及降低井下工作面瓦斯浓度，避免了瓦斯爆炸、中毒等现象。

(7)煤层瓦斯抽采工艺技术

煤层瓦斯抽采技术主要是在煤层工作面进行施工，在工作面的两个顺槽里进行瓦斯孔洞布置。当矿井工作进行到下一阶段，工作面要向前推进时，工作人员要提前抽采尚未开展工作的区域的瓦斯，以此来降低前方巷道中的瓦斯含量，保证在进行工作面回采工作时开展工作的区域瓦斯浓度达标，从而提高回采工作面工序的安全性，防止人员在工作过程中出现安全事故。上文分析了水力导喷增流提透技术，通过研究分析该技术，可以在煤层内进行瓦斯钻孔时使用压裂抽放以及抽放钻孔相结合的钻孔方案。在上排的位置进行抽采孔洞的合理设置，同时在下排进行压裂抽采孔洞的布置，上下两排孔洞的位置是根据三花形状进行钻孔，上排位置进行钻孔时，孔洞之间的距离需要保持在6m左右，这些孔洞的开孔高度要大于2m，下排钻孔时，孔洞之间的距离也需要保持在6m左右，开孔的高度要超过1.5m，钻孔时仰视的角度最少要超过1°。虽然进行瓦斯抽采钻孔只是打孔，但是为了保证孔洞能够正常使用，需要做许多工作进行钻孔辅助，在钻孔之前要计算各种参数数据，参数数据计算来源是煤层的倾斜角度和厚度等数据。

(8)采空区瓦斯抽采技术

在进行开采工作时，顶板上的覆岩层由于开采操作容易发生移动，会大面积引起离层产生裂痕缝隙，瓦斯气体的密度不大，重量较轻，所以可以通过顶板上的缝隙飘出，然后会往工作面后层的采空区域产生的缝隙位置靠拢聚集，由于缝隙导致采空区域内存在大量瓦斯，瓦斯越来越多时会超过工作面瓦斯含量要求，所以要对工作面煤层瓦斯开展预抽工作，同时完善采空区洼地整治管理工作。

①穿透钻孔抽采

穿透钻孔抽采的应用需要在采煤工作面顺槽及煤柱外侧进行横穿施工，确保穿透控孔间距控制在5m到10m之间，并且在进行中间钻孔时，其开孔高度应确保在1m以上。钻孔距离煤柱里侧巷道顶板约0.5m左右的位置，确保钻孔贯穿整个煤柱。位于钻孔孔口下方套管需要实现对风控系统、安装测定、控制阀们等连接到同一个钻孔主管道上，若是在工作面前方的穿透钻孔阀门关闭，则在工作面进行回采支架穿透钻孔过程中，应及时开启阀门进行设备运行，以及根据钻孔抽放瓦斯纯度为依据对反面阀门进行调控，确保井下工作面瓦斯浓度处于安全值范围。

②高中位钻孔抽采

工作面顺槽能够实现对保护煤柱的向外延伸，进而对瓦斯抽放钻场进行合理布置。在钻场中应事先做好对工作面采空区裂隙带的施工，确保满足高位钻孔要求。高位数量应在三个以上，并确保钻孔深度控制在300m左右，以及确保钻孔终孔位置分别控制在采煤工作面顺槽里40m、60m、80m这三个位置，同时要确保处于不同的裂隙带点上。若是采高位置距离是煤层顶板间距的6～8倍，在进行具体位置参数确定是应根据工作面参数、顶板裂隙带高度进行合理确定。中位钻孔数量需确保在6个以上，钻孔深度需控制在260m左右，钻孔终孔位置于工作面顺槽内的位置分别为35m、45m、55m、65m、75m、85m的位置上。裂隙带下部和煤层顶板间距需结合具体位置及工作面参数、顶板裂隙带高度等数据分析进行合理确定。

③防灭火措施

一是要加强通风系统管理，结合工作面需要进行风量需求计算，并同时考虑高抽巷抽采产生的限制作用。二是在初采抽放时，工作切眼配风需为2280m/s，并加强每天对风量的定期测定，确保通风系统运行正常，通风断面合理。三是在回采前可通过在切眼位置约30m处实施对上隅角传输管路的合理改造，通过进行三通设置的方式，以及在工作面上隅角设置瓦斯抽采管路的方式实现对上隅角瓦斯的全面抽采。四是在初采及初放作业中会出现大量瓦斯全面卸压释放，此时应确保整个管道传输体系的高度畅通，实现对喷涌瓦斯的及时清理，全面提高抽采效率。

3.实际案例综合抽采的应用探讨

本文主要对一个煤矿的瓦斯抽采工作进行案例分析，通过实际案例分析对高瓦斯煤矿开展综合抽采技术实际应用进行探讨。案例中的研究的是一个面积为4000km×2050km的煤矿，该煤矿的开采面积大概是5800km2，矿井的内部构造是单侧倾斜的。该煤矿中可开采的煤层有4层，通过检测，该煤矿的绝对瓦斯涌出量是45.3m3/min，根据矿井可开采面积计算，可以判定该矿井瓦斯浓度较高，是高瓦斯矿井。

(1)掘进抽采

掘进抽采是指矿井尚未开始进行开采工作时要提前进行瓦斯抽采工作，案例中的拥有4层煤矿开采区的矿井，可以使用网格式向上钻孔技术对瓦斯进行预采工作。该煤矿存在的瓦斯通过检测得出主要突出的区域在第4层，使用网格法可以把第4层划分成南北两个部分，网格能够对南北两个部分包围形成保护圈，可以快速、有效、持续地对保护圈进行瓦斯抽采，降低保护圈内的瓦斯浓度，从而提高该煤层瓦斯突出区域的安全性。由于在该煤层使用网格钻孔方法抽采瓦斯，这样可以推动煤矿巷道的挖掘工作，提高巷道挖掘的效率。然后再使用顺层的钻孔方法抽采工作面的瓦斯，清除工作面存在的瓦斯，降低煤矿开采工作的危险。每一层都可以根据实际情况选择不同的工作方式，第三层可以借助掘进机开展巷道抽采工作，利用设备进行掘进能够极大提高抽采工作的安全性，第四层使用顺层钻孔抽采工作面瓦斯的方法，能够有效清除煤层的瓦斯。

煤矿开展掘进工作时都会产生大量瓦斯，因此在掘进时必须要提前抽采瓦斯，防止工作人员在掘进时发生事故。进行瓦斯抽采时按照扇形分布方式进行抽采，并且要钻双排孔洞，左右同时抽采，孔洞直径为94mm，左右抽采的长度是15m，钻孔时水平距离是1.5m，上下孔洞之间的垂直距离是9.5m，这样能够保证掘进工作按照原定计划进行，同时还可以持续地进行钻孔。

(2)采中抽采

采中抽取瓦斯是为了保护煤矿在开展工作时开采人员的安全，保证工作面上的瓦斯不超过标准范围，当工作面上的瓦斯过量时要及时清除。如果工作面有U型的通风道时，可以应用顺层分布的钻孔技术进行瓦斯抽采，同时在上下两层进行钻孔，比如第四层使用的顺层分布钻孔技术，上下两层孔洞的间距是3m，两层孔洞的垂直间距是0.5m，密封孔洞的长度是8m。使用顺层钻孔技术进行抽采具备一个优势，就是加强了U型工作面抽采瓦斯的效果，还降低了钻孔时发生塌陷事故的风险，保证抽采瓦斯需要的孔洞个数及质量达标。再增加其他辅助设备和技术，保障钻孔时不会被巷道施工工作影响进度，钻孔工作也不会妨碍巷道施工，两者互不干扰，可以同时进行，保证了施工效率。

(3)采后抽采

对于案例中这种单侧倾斜的煤矿，第一和第二层的瓦斯可以在煤层封闭后对采空区进行抽采，这样抽采的瓦斯还能够进行二次利用，比如销售给瓦斯电厂循环使用。高瓦斯矿井需要进行综合抽采工作，但是使用的抽采技术都比较单一，这样能够提升瓦斯的抽采含量，同时也可以提高抽采工作的安全性。案例中的高瓦斯矿井使用多种抽采技术，极大的提高了瓦斯的抽采效率，抽采瓦斯量高达3.5-10.2m3/min，浓度也高达2%-6%。在开展矿井综合瓦斯抽采工作时，使用综合抽采技术还能够对工作面的抽采工作进行升级改进。根据案例煤矿综合抽采工作分析，要根据煤矿的实际情况有针对性地使用煤矿抽采方法，这样才可以提高瓦斯的抽采效率，保障矿井下工作人员的生命安全。