新义煤矿瓦斯综合治理技术概述

新义煤矿瓦斯综合治理技术杨绪波（新义煤业有限公司）摘 要：新义矿可采煤层为二1煤，该煤层松软破碎、透气性差，属全层构造软煤，具有突出危险性。煤与瓦斯突出和瓦斯超限问题严重制约着矿井安全生产。瓦斯抽采是防治煤与瓦斯突出的主要方法，新义矿根据先区域后局部的原则，采取了水力冲孔，水力压裂等一系列瓦斯综合治理措施，保证了矿井安全生产。关键词：瓦斯抽采；水力冲孔；水力压裂；瓦斯综合治理；0前言新义矿为煤与瓦斯突出矿井，可采煤层为二1煤层。由于煤层松软破碎，埋深较大，透气性差，煤厚变化较大，煤层结构破坏严重，矿山压力显现明显，给矿井安全生产带来严重阻碍，且在掘进和回采过程中时常出现瓦斯超限事故。为了扭转防突和瓦斯治理的不利局面，变被动防治为主动治理，新义矿不断吸取国内外先进的技术和管理经验，并探索研究适合自己的瓦斯综合治理技术和管理方法。结合自己实际情况，通过四年的长期努力，在瓦斯综合治理方面取得了显著成效。1 矿井概况新义煤矿井田位于新安县正村乡境内(新安煤田正村普查区西部), 井田长约10.50km，宽约3.794.52km，面积43.44km2。矿井设计年生产能力120万吨，可采年限67.1年，采用立井开拓方式，开采深度在550m950m，矿井为中央并列式通风，主副井进风，风井回风。新义煤矿为煤与瓦斯突出矿井，其二1煤煤体破坏类型主要为类和类，局部达到类，总体为类。构造软煤普遍发育，二1煤层煤体坚固性系数f值在0.220.65之间，平均为0.35，瓦斯放散初速度P数值值域在15.028.0之间。二1煤瓦斯压力为0.301.40Mpa，瓦斯含量在8.3812.84m3/t之间。2 瓦斯抽采系统现状：2.1 抽放管路建立了地面、井下采区瓦斯抽放系统对煤层瓦斯进行抽放，抽放系统主管路长度3981米，主管路净直径500mm；支管净直径355mm。2.2 抽放泵地面抽放泵站共安装抽放泵3台，其中2BEC-67型水封式真空泵一台、2BEC-42型水封式真空泵两台；抽放时一台工作，一台备用，一台检修。井下东、西区移动抽放泵站各安装2BEC-42型水封式真空泵2台，抽放时一台工作，一台备用。2.3 抽放系统监测抽放系统采用自动监测和人工监测相结合，可全天24小时监测抽放参数。3 防突设备为了保证瓦斯综合治理效果，新义矿购置了以下防突设备：设备名称型号数量设备名称型号数量瓦斯压力测定仪M-22台BRW125注水泵BRW1252钻孔多级流量计ZLD6台KBD5电磁辐射仪KBD52手持式气动钻机ZQS/20/0.8/1412台重庆ZY-300钻机ZY-3003瓦斯突出参数仪WTC4台杭钻SGZ-A300A型钻机SGZ-A300B2突出危险预报仪TWY4台杭钻SGZ-A300B型钻机SGZ-A300B1煤钻屑瓦斯测定仪MD-26台杭钻SGZL-ID150型钻机SGZL-ID1504瓦斯放散初速度测定仪WT-I2台西安ZDY3200型钻机ZDY32001瓦斯管道测定仪WGC3台西安ZDY1900型钻机ZDY190012BEC67地面抽放泵2BEC672QZ-100B/J潜孔钻机QZ-100B/J22BEC42地面抽放泵2BEC421CMSI-6200型煤矿用坑道钻机CMSI-620012BEC42井下抽放泵2BEC424重庆ZY-150钻机ZY-1501BRW400注水泵BRW40034 瓦斯综合治理技术 针对二1煤层松软、透气性差、瓦斯抽采难度大的问题，通过不断学习和探索，新义矿除了采取常用的瓦斯抽采方法外，还尝试用顶底板岩巷穿层条带抽放配合水力压裂增透、高压水射流卸煤卸压等技术，提高煤层透气性、提高瓦斯抽放浓度和抽采率，得了较好的防突效果。4.1 区域瓦斯综合治理技术根据防治防治煤与瓦斯突出规定防突工作坚持区域防突措施先行、局部防突措施补充的原则。新义矿在区域防突方面做到多措并举、应抽尽抽、不掘突出头、不采突出面。4.1.1水力压裂穿层预抽 井下压裂的基本原理即将压裂液高压注入煤（或岩）体中原有的和压裂后出现的裂缝内，克服最小主应力和煤岩体的破裂压力，扩宽并伸展和沟通这些裂缝，进而在煤中产生更多的人造裂缝与裂隙，从而增加煤层的透气性。新义矿东区是瓦斯问题很严重的区域，区域内煤层较厚，瓦斯含量高，且部分地点二1煤含夹矸，导致钻孔施工和抽放难度大。针对以上不利因素，新义矿在东区11041工作面轨道顺槽采取高位巷水力压裂穿层抽放措施，先压裂扩张增加裂隙后抽放。如图1、2所示11041工作面轨道顺槽高位瓦斯抽排巷与11041工作面轨道顺槽呈内错布置，错距20m，高位巷底板距二1煤层顶板5-9m。巷道内每隔40m（中-中）布置1个钻场，每个钻场布置一个压裂孔，压裂11041轨道顺槽所在位置二1煤层。压裂后在每个钻场迎头施工3排、7列（21个）孔，底板施工4排、7列（28个）孔抽放11041轨道顺槽瓦斯。图1 压裂孔布置示意图图2 高位穿层抽放孔布置示意图4.1.2 高压水射流冲孔卸煤卸压水力冲孔是在封闭式高压供水条件下，利用钻头钻进、水力冲击和水力脉动输排等作用，诱导和控制喷孔，使工作面前方煤体卸压和排放瓦斯，消除或降低煤体的弹性潜能和瓦斯潜能。水力冲孔，可在钻孔周围形成更大空间的空洞，促使钻孔附近煤体卸压，从而使钻孔周围的压力分布发生变化，为附近煤体提供一定的膨胀空间，释放煤体内应力势能和瓦斯压力，达到消除或降低煤层突出危险性的目的；同时可以降低煤尘，达到减尘效果。根据新义矿西区二1煤层松软、低透的特点，选取在西区12011工作面皮带顺槽采用底板巷水力冲孔穿层预抽措施。如图3所示，12011工作面皮带顺槽底板瓦斯抽排巷布置在二1煤层底板的泥岩中，与12011工作面皮带顺槽呈外错布置，错距20m，掘进过程中巷道顶板距二1煤层底板保持5-9m的安全岩柱。底板巷内每25m布置一个钻场，每个钻场施工7排、5列133mm钻孔，形成66m的孔底网格布局，先冲孔后抽放，抽放率达到30%以上后进行区域效果检验。图3 底板巷水力冲孔及抽放孔布置示意图4.1.3 顺层钻孔预抽煤巷条带瓦斯顺层钻孔预抽煤巷条带瓦斯是最常见的瓦斯抽放方法，因直接在工作面沿着煤层施工抽放钻孔，钻孔施工相对容易，抽放效果也较好，但因抽放占用时间影响掘进速度。新义矿顺层钻孔预抽煤巷条带瓦斯包括工作和巷帮钻场抽放。如图4所示，巷道两帮每40m布置一个钻场，根据煤厚不同每个钻场内布置912个钻孔，工作面布置3344个钻孔，钻孔投影深度60m，孔底间排距20002000mm，控制巷道两帮15m范围，每60m为一个区域循环，抽放率达到30%以上后进行区域效果检验。图4 巷帮抽放钻孔布置图4.1.4 顺层钻孔预抽回采区域瓦斯顺层钻孔预抽回采区域瓦斯是在煤层巷道掘进的同时，分别从风巷和机巷向回采煤层施工长钻孔，提前预抽回采煤体瓦斯。如图5所示，根据煤厚情况分别在掘进巷道的回采侧每个2m施工一列13个长钻孔，钻孔直径89mm，深75m，两侧钻孔交叉10m范围。图5 顺层回采区域抽放钻孔布置图4.2 局部瓦斯综合治理技术4.2.1掘进工作面浅孔抽放掘进工作面浅孔抽放是在区域抽放未达到消突效果的情况下，对工作面及其周边附近瓦斯进行超前抽放，保证措施后工作面范围瓦斯浓度、压力大大降低，并使工作面应力集中区向工作面深部转移，在工作面前方15m范围内形成一个低瓦斯区的安全带。如图6所示为工作面顺层浅孔抽放钻孔平面布置示意图，掘进工作面根据煤厚情况布置2736个浅孔抽放措施孔，分34排、9列，孔口间、排距600400mm，措施孔控制到两巷帮5m范围。 图6 工作面浅孔抽放钻孔平面示意图4.2.2 回采工作面浅孔抽放回采面浅孔抽放是为了弥补因回采区域抽放钻孔施工误差造成的局部空白带，形成消突安全屏障，保证回采区域消突效果。如图7所示为工作面顺层浅孔抽放钻孔平面布置示意图，根据不同煤厚在工作面内布以“三花眼”形式布置23排投影深度为16m的平行钻孔，钻孔间排距为2000400mm，控制工作面前方15m范围。图7 回采面浅孔抽放钻孔平面示意图4.2.3煤体注水煤体注水后，改善了煤体力学性质，增加煤体塑性、流变性，使瓦斯能均匀释放。通过煤体注水，使煤体适量外移，造成前方煤体破坏，集中卸压带前移，增加卸压带宽度，瓦斯得到均匀释放，同时也起到了降尘的作用。如图8所示为注水孔布置图，掘进工作面每掘进10m在巷帮和正头各施工施工2个投影深度20m注水孔，采用马丽散或封孔器封孔，封孔深度不小于10m。注水时随时观察煤壁，当发现煤壁渗水或注水压力降至原压力的1/3时，方可停止注水。回采工作每回采5m在工作面间隔2m施工深1015m的注水孔，煤孔注水1t。图8 工作面顺槽注水孔布置平面示意图4.2.4 煤层顶板注浆加固注浆加固技术是一种主动的支护形式，该技术利用了注浆材料对顶板的加固，封闭与连接作用，使破碎的围岩通过注浆形成一个整体，提高顶板的承载能力，从而增强了顶板抵抗瓦斯压力的能力。其方法为，在巷道顶板布置两个注浆钻孔，钻孔深度6m，两孔距巷道两帮8001000mm，距顶板80mm左右，钻孔垂直角度为巷道坡度增加34度，封孔深度2m左右。选用马丽散N化学注浆材料，浆液由树脂和催化剂双组分按体积1：1反应生成的聚亚胶脂高分子材料，专用气动注浆泵进行注射。注浆后每循环掘进至注浆深度后，预留0.5-1m的注浆煤体作为保护岩层进行下一循环注浆。4.2.5、巷道底板卸压措施当工作面底煤厚度较大（一般大于2m）时，通过增加底板卸压孔，可以保证底煤快速卸压释放瓦斯，保证安全掘进。具体方法为，在巷道底板沿掘进方向每2m施工一排卸压孔，每排4个，孔口间距1.2m，钻孔终孔位置控制在巷道轮廓线外3m。前方每掘进23m，巷道底板施工1排卸压孔，始终保持卸压孔紧跟窝头后方23m。卸压孔深度视工作面底煤厚度而定，见煤层底板终孔。4.3 其它瓦斯抽采技术为了减少回采时，采空区的瓦斯大量涌入工作面，而造成工作面上隅角及回风流瓦斯浓度大的问题，在采取回采区域和局部瓦斯抽采措施后，再采取低位钻场高位钻孔抽放、上隅角采空区插管抽放等综合瓦斯治理方案。5 瓦斯综合治理效果分析抽放瓦斯是防止煤与瓦斯突出的一个很好的途径，但对于松低透性煤层来说，抽放瓦斯的效率往往很低。新义矿通过采取水力压裂，水力冲孔等瓦斯综合治理措施，并通过各种途径加强防突管理，提高了瓦斯治理效果。原先单孔瓦斯抽放浓度一般只有5%左右，通过水力压裂和水力冲孔后抽放浓度提高到20%以上，实现了月瓦斯零超限的目标，掘进速度也由原来的每月50m左右提高到100m左右。现新义矿11011工作面已安全回采300m，12011工作面已安全贯通。6 结论通过长期的努力，新义矿摸索出回采和掘进瓦斯的基本规律，瓦斯治理方法和手段日