地面抽采煤层气对高瓦斯矿井瓦斯治理的意义

王向东，景瑞旭

(山西华晋焦煤有限公司，山西 柳林 033301)

·专题综述·

地面抽采煤层气对高瓦斯矿井瓦斯治理的意义

王向东，景瑞旭

(山西华晋焦煤有限公司，山西 柳林 033301)

论述了在高瓦斯矿井，井下钻孔抽采是矿井瓦斯治理的基本方法，但该方法存在瓦斯治理时间和空间局限性的问题。地面抽采方法可以对矿井规划采区进行有效的抽采，摆脱井下抽采的局限性，从而解决井下瓦斯治理存在的问题。

煤层气地面开采;瓦斯治理;效率

1 高瓦斯矿井常规井下瓦斯治理方法

本文以山西某矿为例，文中提到的内容均为实际工作中的总结数据。

1．1 本煤层抽采

在巷道进入煤层后，沿煤层施工钻孔，抽放本煤层中瓦斯的方式为本煤层抽采。其特点是抽采速度快，施工方便，但是抽采率有限。

1．2 邻近层抽采

在工作面回采前预先对工作面采空区裂隙带和冒落带位置施工的钻孔，待工作面回采时对采空区瓦斯进行抽采的方法。其特点是针对性强，对单一瓦斯问题解决速度快，但施工难度大，钻孔位置不易把握。

1．3 底抽巷抽采

在备采工作面底部施工岩石巷道，利用钻孔对备采工作面瓦斯进行抽采的方法。其优点是可以避开突出煤层进行掘进，缺点是岩巷开拓工程量较大。

1．4 高抽巷抽采

在备采工作面顶部选择合适位置施工沿工作面走向的岩巷(也有其他设计)，其位置内错于工作面上部一定距离，在工作面回采时大量瓦斯涌入采空区，利用位于采空区裂隙带的高抽巷进行抽采。其优点是抽采能力大;缺点是工程量大，巷道位置不易掌握。

1．5 保护层开采

保护层开采主要是在主采煤层上部或者下部有非突出的煤层，则优先开采非突出煤层，称为保护层。保护层开采完成后被保护层达到均匀卸压，消除突出危险性。其优点是瓦斯治理效果好;缺点是施工周期长，工程量大。

2 常规井下瓦斯治理方法存在的问题

井下瓦斯治理的局限性表现在治理区域的局限性，一方面，井下瓦斯治理必须以巷道为依托，在巷道内施工抽采钻孔治理巷道两侧的煤层。另一方面，巷道的开掘本身就是在高瓦斯的煤层中进行。因此，在先开掘巷道和先治理瓦斯的问题上出现矛盾。

井下抽采钻孔受钻探技术限制，大部分钻机(如:西安煤科院ZDY－4000L钻机)只能施工直钻孔，其钻孔深度有限，约100 m左右，钻进方式为旋转钻进。一方面，受旋转摩阻影响，随着钻孔深度加大，动力传递效率降低，限制钻孔深度。另一方面，钻机无法调整钻具的钻进方向，因煤层是起伏不定的，因此，钻进时可能进入岩层，从而导致继续钻进属于无效钻进。另外，钻具的重量也导致钻孔提前进入岩层。

少数具有定向功能的坑道钻机能够克服以上缺点，比如澳大利亚产VLD1000型钻机。采用顶驱式钻进，同时可以根据随钻测量数据调整钻头位置，即使进入岩层也可以通过调整重新进入煤层。但是这种钻探方式又产生了新的问题:随着钻孔深度增加，在分支点、煤层小向斜轴和背斜轴等裂隙发育区域，容易造成塌方卡钻。普通钻具因强度大，可通过强拉措施，将钻具拉出;定向钻机钻具柔韧性较强，但是强度相应降低，不能强力拉出。而定向钻具的顶驱部分带有顶驱钻具和导向模块，其价值不菲，如丢入孔底将造成重大经济损失。鉴于以上原因，定向坑道钻机在该矿施工的钻孔深度维持在400 m左右。

综上所述，因空间的不足和坑道钻机本身能力的不足导致如下问题:

2．1 影响矿井掘进效率

该矿巷道掘进普遍采用局部防突措施，即首先施工防突钻孔，然后利用负压进行抽放，在抽放量达标后，出具《可掘距离报告》，最后由掘进队组按照《可掘距离报告》的规定进行开掘工作，完成掘进工作后重复上述循环。由此可以看出，开掘前工序较多，下面从主要工序的施工时间进行分析。以该矿4#煤掘进面为例。

每个可掘循环施工防突钻孔18个，钻孔深度90 m，每班可施工钻孔1个(早班检修可施工0．5个)，约7天可完成钻孔施工。

根据该矿的经验数据抽放时间约8天。可掘距离为平行巷道方向钻孔中的最短钻孔减10 m，按经验数据见煤长度均能维持在80 m，因此，可掘距离为70 m。按照每天掘进8 m计算，可掘9天。

由以上数据可以计算，每月日均掘进距离为2．9 m，月均掘进距离为87 m。按照可采长200 m，走向长1 500 m的工作面计算，最少需要20个月才能完成，再加上不可控因素和环节工程，最少需要24个月。

由以上数据可以看出，每个防突循环中防突时间为15天，而开掘时间为9天。由此可以看出，局部防突措施成为影响开掘效率的主要因素。而完成一个工作面的开掘工作需要2年，这样的工作面回采时间约15个月，这就说明掘进速度无法满足采煤的需要，生产衔接就非常容易脱节。

2．2 采煤工作面瓦斯涌出量大

因采煤工作面两侧巷道对工作面煤体进行瓦斯预抽，从工作面两侧向工作面施工抽放钻孔，每侧施工钻孔长度100 m，刚好完成全部覆盖。但因钻孔对煤体的排放效果随着钻孔深度加大，效果逐渐减弱，也就是说钻孔深部的瓦斯比较难以抽放。另外，该矿煤体坚固性系数较低(0．42，4#煤)，随着抽放时间增加，钻孔附近瓦斯压力降低，导致周围煤体与钻孔附近煤体瓦斯压力梯度增大，大部分钻孔均出现不同程度的塌方，导致钻孔深部无法正常抽放。在工作面回采时也验证了这一结论，工作面中部瓦斯涌出量增加比较明显。靠近两侧巷道的工作面瓦斯涌出量较小。

该矿已回采的4202工作面，其可采长200 m，走向长1 000 m，但是因4#煤层与3#煤层有1～2 m的层间距，钻孔无法对3#煤层进行抽采，在工作面回采时，3#煤层中的瓦斯大量涌出，导致2010年3月1日出现工作面绝对瓦斯涌出量达到57．22 m3/min的最大值。虽然采用高抽巷等措施大大减少了进入工作面的瓦斯，但是工作面瓦斯超限事故时有发生，已经严重制约工作面回采工作。

2．3 井下钻孔施工和抽采过程中的瓦斯超限问题

井下钻探过程中煤层瓦斯不断通过钻孔向外逸出，但是孔口瓦斯收集装置严密性较差，随着钻孔深度加大，钻场瓦斯浓度不断上升，甚至出现瓦斯超限报警的情况，为此该矿加强了孔口瓦斯收集装置的管理，此类瓦斯超限报警事故大大降低。

井下钻探过程中遇到地质构造带，就会出现严重的瓦斯喷孔现象，目前仍无有效措施进行防止，并且还会对孔口瓦斯收集装置造成破坏。2010年，该矿辅助运输巷开拓面发生一次钻探过程中导通裂隙发育区导致大量瓦斯涌入巷道，从事发地点到回风大巷口大面积瓦斯超限，且无法阻止瓦斯涌出。最终等钻孔内瓦斯压力降低后，才对其进行控制抽放，终止瓦斯超限事故。

正在抽放中的钻孔因煤体坚固性系数较低，在抽放过程中大量钻孔发生塌方。在塌方相对严重的钻孔里，内部空间的瓦斯无法正常逸出，导致内部空间瓦斯压力增大，当压力增大到塌方部分碎煤无法承受时，大量瓦斯就会和塌方的碎煤一起喷出，冲坏孔口抽放管，大量瓦斯涌入巷道，从而引发瓦斯超限报警事故。

综上所述，在矿井内的瓦斯钻探和抽放工作存在不可控性，且不可控性发生的概率较大，而这些事故发生后大量气体会直接排入巷道，形成次生灾害，虽然属于瓦斯治理的范畴，但仍影响到矿井的安全生产。

3 煤层气地面开采的作用和优势

3．1 煤层气地面开采的方式

常见的煤层气地面开采方式有两种:压裂直井开采和水平井开采。

压裂直井开采是最常见的开采方式，通过地面施工垂直井(也有倾斜井)到煤层，然后采用压裂设备将煤层压裂，最后安装采气设备进行排采。在煤层中的压裂半径通常为150 m，可以同时为多个煤层进行排采，排采周期为10年，采气量为1 000～1 500 m3/d。

水平井开采是目前最先进的开采方式，使用顶驱钻机进行施工，所施工的煤层气井可以沿煤层进行延伸，并在近端或者远端和垂直井对接，然后下设筛管支撑井壁，完井后将水平井井口封闭，在垂直井上安装采气设备进行排采。目前一般水平段的长度在1 000 m以内，采气周期5～10年，采气量10 000～15 000 m3/d。

3．2 煤层气地面抽采的优势

1)采出的气体中甲烷浓度高，一般在95%以上，而井下抽采的甲烷浓度一般维持在30% ～40%。高浓度瓦斯用途非常广泛，可以作为化工原料、发电、民用、车用等。

2)相对于煤矿井下作业环境，地面钻场开阔，钻井装备的选型范围广，可以采用大功率钻机设备，因此，钻井作业效率高。

3)由于地面和地下煤层之间存在高度差，钻孔井眼在钻井液柱压力的支撑和保护下成型好，不易塌孔，有利于瓦斯抽采。

4)抽采效率高。对于水平井而言，利用现成的石油、天然气大功率钻井装备，可以在煤层中施工出千米以上的多分支、大口径井孔，因此，抽采效率高，单井日产气量可达几万m3。

对于压裂井而言，利用压裂工艺对主要目标煤层压裂后，同时对多煤层进行排采，日产气量可以达到1 000 ～1 500 m3。

5)可针对不同区域实施不同的地面抽采方式。采空区井的抽采效果极好，因采空区内瓦斯富集，且随着高度升高，抽采浓度越高，因此，选择合适的钻井深度，可以把握良好的抽采浓度;采空区裂隙充分发育，适于流体移动，而瓦斯比其他气体轻，向上部移动，因此，采空区井抽采量非常可观，在开采初期日产量可以达到15 000 m3。

近期(3～5年)开采区域的地面抽采方法为施工压裂直井或者多分支水平对接井，然后井下抽采。这种方法可以充分利用井下抽采系统的优势，也可以利用井下钻机的灵活性和快捷性。用井下和地面施工结合的方式，可快速有效地解决瓦斯问题。

远期规划开采区域可以采用压裂直井或者水平井，其施工不受矿井条件束缚，可以长时间进行抽采，待工作面推进至此，瓦斯问题已经解决。

4 煤层气地面开采对高瓦斯矿井瓦斯治理的意义

井下瓦斯治理碍于巷道的局限性，不能对较远区域进行治理，但是地面煤层气开采则无此局限性。可以按照设计要求在远景规划区均匀布置煤层气井，使得煤层气开采过程将煤层气含量均匀降低，远景规划区近期无矿井开掘计划，因此，可以有充足的时间(5～10年)进行开采，在开采完成后完全可以达到矿井防突的各项指标。

煤层气地面开采使远景规划区煤层各项防突指标均达标后，可以大大加强该区域的采掘效率。巷道掘进不需要进行循环式预抽，因此，巷道掘进速度可以提高到240 m/月，一个工作面的掘进时间可以缩短为10个月，采掘衔接的瓶颈问题将大为缓解。综采工作面中部不会出现瓦斯集中涌出区域，减轻工作面通风压力，同时可减小工作面上隅角瓦斯积聚程度。不会出现井下钻探导致的各类瓦斯超限事故。在矿井生产能力不变的情况下可以减少一半的掘进人员和大部分的钻探抽采人员，从而降低掘进和钻探抽采的资金消耗。同时不需要掘进底抽巷，也不需要专门进行保护层开采。矿井通风系统也可适当降低消耗，在该矿扩能增产时不需要增设新的风井井筒。

甲烷温室效应是CO2的21倍。煤层气地面开采可以减少排入空气的温室气体含量，还可以得到高纯度的煤层气。高纯度煤层气经过简单处理可以达到天然气管道输送的标准，进入天然气管道进行销售;也可以经过液化处理，将煤层气运输至加气站进行销售。不仅有利于环境保护，还可作为替代汽油的清洁能源。

5结论

地面抽采是高瓦斯矿井瓦斯综合治理的重要手段，高瓦斯矿井应在加强井下抽采力度的同时，积极开展地面抽采，真正实现高瓦斯矿井低于其状态下生产的目标。

Significance of CBM Ground Extraction for Gas Control in High Gas Coal M ine CBM in High Gas Coal M ine

W ang Xiang－dong，Jing Rui－xu

In high gas mine，downhole drilling drainage is the basic method of gas control in the mine，but this method has the problems of the gas control time and space limitation．The ground extraction method can effectively drainage to the planning area of coal mine，get rid of the limitations of the underground extraction，thus solves the existing problems of underground gas control．

Coalbed methane(CBM)ground mining;Gas Control;Efficiency

TD712+．6

A

1672－0652(2012)09－0013－03

2012－08－03

王向东(1986—)，男，河南林州人2008年毕业于河南理工大学，助理工程师，主要从事矿井瓦斯抽放工作(E －mail)hjjmdcc@163．com