高瓦斯特厚煤层瓦斯抽采方法

高瓦斯特厚煤层瓦斯抽采方法

1瓦斯开采情况山西省晋江市无烟采矿集团有限公司（以下简称“晋江煤矿集团”）拥有7000家矿山，其中3家为高山砖瓦开采，年产量3000万吨。2007年瓦斯鉴定结果确定集团公司的井下瓦斯涌出总量为1194.87m3/min,加上地面钻井抽采,矿区内总的瓦斯涌出量为1640.07m3/min。晋城矿区目前主采煤层为3号煤层,位于山西组下部,平均厚6.03m。经煤炭科学研究总院重庆研究院井下打钻测定矿区内3号煤层原始瓦斯含量5.76~21m3/t,瓦斯压力0.19~2.12MPa,矿井瓦斯压力大、含量高,局部区域存在煤与瓦斯突出的威胁。煤层瓦斯的可抽性区域差别大,从难以抽采到容易抽采均有分布。晋城煤业集团从1993年开始试验地面煤层气开采,2004年大规模组织煤层气开采与利用,煤层气抽采量逐年大幅增长,见表1。至2007年年底,累计开发地面抽采钻井817口,339口井在抽,地面煤层气抽采量由2002年的0.66%提高到2007年的38.68%。地面煤层气井在煤层原始瓦斯含量为16m3/t以上区域按照300m×300m模式进行钻井布局。2007年由于矿井防止煤与瓦斯突出治理需要,开始尝试加密钻井和在16m3/t以下区域布置地面钻井。井下瓦斯开采从2001年开始,各矿井瓦斯抽采进尺、抽采量和抽采率逐年大幅提升。至2007年底集团公司累计施工抽采钻孔进尺334.4万m,抽采瓦斯量93108万m3。寺河、成庄作为公司的2个高瓦斯矿井,仅2007年2矿瓦斯抽采进尺分别达到112万m和82万m,实现吨煤钻孔进尺0.1m/t。从表2中可以看出,2矿井年度鉴定瓦斯涌出量逐年增加,而风排瓦斯量稍有下降或基本保持不变,瓦斯抽采量所占比例不断提高。2矿井在产量增加并保持高位稳产的同时,矿井瓦斯超限次数明显下降,矿井瓦斯治理措施以风排为主逐步向以抽采为主过渡,瓦斯抽采效果明显。2井下瓦斯抽采系统研究国内外学者对于煤层瓦斯抽放从理论到实践进行了较为深入研究,井下瓦斯抽采作为治理瓦斯的基础,各矿井也在不断优化抽采系统,积极开展井下区域递进式瓦斯预抽、边采(掘)边抽、采空区抽采等综合瓦斯抽采模式。2.1采空区瓦斯抽采系统采煤工作面瓦斯涌出来源可划分为落煤瓦斯涌出、煤壁瓦斯涌出及采空区瓦斯涌出3大部分。前2部分的瓦斯直接涌入到采场内,而采空区丢煤瓦斯及邻近煤岩层瓦斯直接涌入采空区。为解决采煤工作面回采时采空区瓦斯涌出,晋城煤业集团各高瓦斯矿井将采空区瓦斯引入矿井瓦斯抽采系统。采空区瓦斯进入矿井瓦斯抽采系统后,矿井抽采系统浓度下降,且严重影响本煤层瓦斯抽采效果。从理论上讲,本煤层瓦斯预抽需要保持较高负压,而采空区瓦斯抽采负压一般较低、抽采量大。由于采空区瓦斯抽采影响抽采系统的瓦斯浓度和本煤层瓦斯抽采效果,各高瓦斯矿对抽采系统进行优化,将抽采泵站和抽采管路系统按2个不同参数改造,并在以后新建抽采系统时按双系统2种参数设计矿井抽采系统,提高矿井瓦斯抽采效果。2.2分层分层抽采技术虽然晋煤集团的高瓦斯矿井掘进工作面采取双巷掘进配套边掘边抽、短距离局部通风方式,掘进效率得到一定提高,但在工作面煤体片帮、冒顶或割煤速度快时,仍出现瓦斯超限现象,且受煤与瓦斯突出的威胁,掘进效率低。结合高瓦斯矿井已推广应用的两巷(或三巷)掘进模式,采面实现了两进两回或三进两回的多巷通风方式,各矿井开始利用采面外侧巷道向相邻工作面打抽采钻孔建立区域递进式瓦斯抽采模块的实践。具体方法如下:1)使用国产大功率MK-6、MK-7钻机在采面的外侧巷道掘进期间,每隔10m向相邻采面布置施工长钻孔,钻孔基本垂直巷道布置,长度不小于300m,抽采范围覆盖相邻采面及其巷道,是对下一个采面及其巷道的本煤层瓦斯预抽采、实现抽采煤量和回采煤量的良性接替。2)千米钻机递进式瓦斯抽采。千米钻机采用孔底马达定向钻进技术,实现钻孔长距离钻进。通过钻孔分支增加抽采钻孔有效长度,提高抽采效率。钻孔的精确定位提高了钻孔对煤层的全面覆盖,避免和减少煤层瓦斯抽采盲点。集团公司引进澳大利亚千米钻机,但在本矿区施工千米难度较大,因此利用千米钻机施工递进式抽采钻孔350~600m,抽采区域覆盖一个以上工作面,如图1所示。千米钻机钻孔减少了封联孔环节,可提高抽采浓度和抽采效率。3)实施递进式模块抽采,进行长时间煤体瓦斯预抽,待煤层瓦斯含量降至8m3/t,瓦斯压力降至0.74MPa以下时进行掘进,实现远距离、大范围的抽采消突,降低煤与瓦斯突出的危险性,提高掘进效率。应收集分析长钻孔施工和抽采资料,掌握相邻工作面的地质构造和瓦斯赋存状况。另外区域递进式抽采要根据煤体瓦斯赋存状况和抽采时间选择合理的抽采钻孔参数,做到长封孔严封孔,切实保证钻孔长时间抽采。由于目前国产钻机钻孔施工轨迹不易掌握,甚至偏差很大,因此有条件的矿井应优先使用千米钻机进行递进式模块抽采。2.3采区底板的泵送2.3.1工作面抽采情况高瓦斯矿井采煤工作面在回采前预抽煤体瓦斯。根据工作面长度从一侧或两侧向工作面煤体布置钻孔,钻孔间距基本控制在1~3m,长度在100m以上,抽采时间一般在3~12月,有些工作面抽采时间可达2年以上。成庄矿4308综采工作面走向长2436m,工作面长200m,煤炭储量413万t,原始瓦斯含量14.76m3/t,瓦斯储量6095.88万m3。4308工作面瓦斯抽采1年后回采,抽采情况见表3。通过表中数据计算得出:工作面瓦斯抽出率为52.96%,抽采后工作面煤体瓦斯含量降为6.94m3/t,实现工作面安全回采。2.3.2抽采瓦斯的制作采空区瓦斯涌出量和工作面丢煤、推进度和通风方式等关系密切。根据采空区瓦斯来源和瓦斯浓度分布规律,在邻近层瓦斯向采空区渗透时打钻抽采瓦斯或在采空区瓦斯高浓度区域插管和打钻抽采瓦斯。各矿井先后实施了工作面后部抽采、尾巷插管抽采、上隅角埋管深部抽采、走向和倾向钻孔抽采等多种方法,取得了较好效果。经统计,采空区瓦斯抽采量可占工作面回采时瓦斯涌出量的30%以上,有力保证了工作面正常回采。2.4巷道抽采工艺晋煤集团高瓦斯矿井受高浓度瓦斯影响,掘进效率偏低。在递进式瓦斯抽采没有真正起作用前,各矿井在巷帮钻场边掘边抽的基础上,对试验掘进工作面的预抽煤体瓦斯进行消突,根据实际情况实行一队多头掘进巷道密集抽采迈步和单巷绕掘等掘进方式和抽采工艺。2.4.1巷道掘进和打钻抽采交替组织在受瓦斯突出威胁区域,矿井按一队多头掘进方式组织生产,施工队组在施工其中一条巷道时,在另一条巷道前方施工密集超前钻孔,待瓦斯含量降到指标规定以下时再进行巷道掘进,巷道掘进和打钻抽采交替组织。根据钻机能力、抽采时间和队组掘进速度,掘进工作面钻孔一般施工3排18~30个钻孔,钻孔长100~200m,覆盖巷道两侧各10m的范围,抽采1~3月后组织生产,生产过程中掘进工作面至少留20m的超前预抽距离。2.4.2煤体充填的施工在矿井风量紧张,不能够实现多巷掘进布置时,对掘进方式和抽采工艺进行调整。在巷道掘进方向具备打钻条件时,立即进行施工钻孔,利用反掘时间抽采煤体瓦斯。当一个掘进循环结束时,在已抽采区域施工下一循环掘进,实现抽采瓦斯与掘进巷道循环推进,如图2所示。2.4.3钻孔抽采情况成庄矿4103巷掘进工作面施工过程中按突出危险区进行管理,从巷道开口处27m开始到130m段,突出指标超标严重,掘进效率低,停止掘进。停掘后利用MKD-5S型钻机在4103巷掘进工作面沿巷道掘进方向施工ø94mm的抽采孔19个,钻孔总长度2293.5m,平均孔深120.7m。钻孔间距600~700mm,三排布置,排距0.5m,控制范围到巷道轮廓线外10m。9个月累计抽采瓦斯量23640m3,抽采率达到23.11%。抽采后4103巷掘进工作面仍按突出危险工作面组织施工,18d内预测20次,均为无突出危险。经统计,4103巷掘进工作面在开始的103m未抽采区域进行掘进时,预测18次,K1值全部超标,最大值1.04,平均为0.79,平均日进尺3.4m。在抽采后的120m范围内预测20次,无一次超标,K1最大值为0.49,平均为0.37,比