瓦斯抽采利用示范化矿井建设技术研究

侯东旭

摘 要：平顶山矿区曾是瓦斯事故重灾区，历史上发生过数次重特大瓦斯爆炸事故和煤与瓦斯突发事故。矿区现有生产矿井21对，其中，14对为煤与瓦斯突出矿井，突出矿井产能占集团80%以上。随着矿井开采延伸，高瓦斯、高应力、高地温问题越来越严重，成为制约煤矿安全、影响矿井安全高效生产的突出问题。

关键词：煤矿;瓦斯利用;示范化;技术探讨

中图分类号：TD712.6文献标识码：A文章编号：1003-5168（2019）16-0107-03

Abstract： As a heavily influenced area by gas disaster， Pingdingshan coal mining district once occurred several major gas explosion accidents， and also coal and gas outburst accidents in its history. There are 21 pairs of production mines in the mining area， of which 14 are coal and gas outburst mines， and the output of outburst mines accounts for more than 80% of the group. Along with the extension and deepening of mining operation， the problems of gas， ground stress and temperature will get worse and worse and have become the key factors restricting safety and efficiency of coal production.

Keywords： coal mine;methane utilization;demonstration;technical investigation

中国平煤神马集团是一家以能源化工为主导的国有特大型企业集团，产业遍布河南、湖北、江苏、上海、陕西等9个省区，旗下拥有平煤股份、神马股份、易成新能3个上市公司和5家新三板挂牌公司，营业收入、资产总额均达1 500亿元。集团煤炭板块下辖平煤股份和许平煤业两大煤业公司，产能4 500万t/a。现有21对生产矿井，其中，煤与瓦斯突出矿井14对，高瓦斯矿井2对。

集团主力开采的平顶山矿区曾是瓦斯事故的重灾区，开采的突出煤层普遍松软、顶板坚硬，透气性差，属难抽采煤层。目前，个别最大开采深度超过1 000m，实测最大瓦斯含量达25.6m3/t，最大瓦斯压力达3.6MPa。矿区曾是瓦斯事故重灾区，瓦斯治理和防突问题一直是制约矿区安全生产和企业发展的主要因素。为此，本文针对平顶山矿区深部单一低透性突出煤层瓦斯防治难题，在平宝公司进行瓦斯抽采利用示范矿井建设探索与实践，形成了大采长“一面多巷”瓦斯治理模式，實现了瓦斯安全高效抽采利用[1]。

1 瓦斯抽采利用示范化矿井建设技术探讨

1.1 矿井基本情况

平宝公司井田位于平顶山矿区东部，距平顶山市约25km，井田东西走向长6.1km，南北倾斜宽4.4km，面积27km2，矿井可采储量3.08亿t，2010年8月9日正式投产，设计生产能力240万t/a，服务年限92a。主采煤层己15-17平均厚度6m，局部分层;戊9-10煤平均厚度2.6m，暂未开发;两层煤层间距170～210m，不具备保护层开采条件，属单一低透突出煤层。

1.2 优化工程布局，形成大采长“一面多巷”瓦斯治理模式

矿井属于单一煤层开采，主采己组煤层有效保护垂距内不存在0.5m厚及以上煤层，不具备保护层开采条件。矿井坚持低位巷穿层钻孔（水力冲孔）治理瓦斯掩护煤巷安全掘进、顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯掩护采面安全回采，在此基础上，对“一面四巷”“一面五巷”“一面六巷”“一面多巷”瓦斯治理布置方式进行了探索。图1是大采长“一面多巷”布置示意图。

在己15-12050采面、己15-17-12061采面、己15-12090等采面使用高位抽放巷，不断探索、实践、优化，进而形成“一面多巷”（两条抽放巷、两条煤巷、一条沿空掘巷、一条高抽巷）的区域治理模式，实施低位巷穿层钻孔预抽煤巷条带煤体瓦斯掩护掘进、三条煤巷顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯、高抽巷封闭抽采采空区瓦斯。大采长“一面多巷”工作面布置方式，使采煤工作面储量进一步增大，有利于合理集中生产，实现顺序开采，保证了采掘接替正常，并降低了万吨掘进率以及瓦斯治理吨煤成本。

1.3 合理选择层位、优化排矸系统，实现岩巷快速掘进

掘进效率是瓦斯治理的时空保证，为尽最大可能发挥岩石掘进机效率，结合岩石掘进机参数和穿层钻孔施工效率，通过岩性分析，选择硬度系数在4～6的岩层布置巷道，掩护掘进时低抽巷与煤巷帮对帮平距1m，并在采面中部布置低抽巷及其对应煤巷，所有低抽巷距己16-17煤层底板垂距8～12m。通过优化采掘部署和工程设计，超前布置并施工下一接替面工程，采用大功率岩石掘进机，岩巷敷设专用运矸皮带，建立专用排矸系统，实现煤矸分运，大幅度提高掘进效率，有效保证了瓦斯治理所需要的时间和空间，低抽巷机掘月单进水平稳定在200m以上[2]。

1.4 推广新技术、新装备，破解瓦斯抽采利用瓶颈

1.4.1 水力造穴技术。采用钻压冲一体化装备在松软高突煤层通过施工层顺层长钻孔或穿层钻孔，利用专用钻头产生的高压水切割冲刷煤体，使煤体破碎、垮塌，形成较大空间的洞穴，应力集中向冲孔周围移动，洞穴周围煤体孔裂隙扩展延伸，使冲孔附近煤体卸压增透，提高抽放效果。在低位抽放巷利用穿层钻孔进行水力造穴，控制预掘煤巷两帮各30m范围，穿层钻孔煤孔段每米出煤量不低于1t，增加抽采效率，掩护煤巷安全掘进。在煤巷施工顺层钻孔进行水力造穴，设计孔深90m，顺层钻孔自孔口向里30m开始每8m造一次造穴，每穴出煤量不低于1t，用于掩护采面回采，使煤体回采前得到有效卸压，增加抽采效率。

1.4.2 “两堵一注带压封孔”全程下筛管封孔工艺。所有瓦斯抽采钻孔全部实施“两堵一注带压封孔”全程下筛管封孔工艺，穿层钻孔封孔段见煤点向下5m、顺层钻孔在距孔口14～23m进行封孔，避开巷道裂隙带，并实施全程下筛管，保障钻孔有效抽采区域，有效保证预抽钻孔封堵质量和抽采效果，结合水力造穴技术实施，低抽巷干管抽采浓度稳定在20%以上，达到瓦斯发电要求。

1.4.3 实施高抽巷抽采采面上隅角瓦斯技术。为解决矿井厚煤层开采过程中采面回风流、上隅角及采面后五架间内瓦斯积聚，由原单靠措施治理上隅角瓦斯转变到以工程治理瓦斯，即在采煤工作面内错布置高抽巷，高抽巷与风巷平距中对中20m、距离煤层顶板垂距18～22m布置，并进行密闭抽采，抽采浓度达到30%～50%，瓦斯纯量达到45～75m3/min。生产期间回风流瓦斯稳定至0.15%～0.3%，解决了上隅角瓦斯积聚问题，提高了瓦斯抽采效率，降低了劳动强度，改善了作业环境，为安全高效生产提供了安全保障。

1.5 引进先进瓦斯抽采装备，瓦斯利用量大幅提升

1.5.1 不断优化瓦斯抽采系统。地面抽采系统和各采区抽采系统高、低压分离且互为备用，保证采空区低负压大流量和煤层预抽钻孔高负压低流量。为保证回采工作面采面瓦斯治理需要，形成了地面抽采系统、井下采区抽采系统互为备用和相互转换的网络化抽采系统，且实现高浓度瓦斯直接抽采利用，低浓度瓦斯井下抽采排空，充分发挥不同抽放泵的性能，实现网络化抽采。

1.5.2 引进先进瓦斯抽采装备。矿井井建有3座地面瓦斯抽采泵站、2座井下瓦斯抽放泵站。其中，地面抽放泵站引进具有智能化、低能耗、高效率等优点的德国PGM系列瓦斯抽采泵两座，共6台PGM-3-150全自动无人值守抽采泵，每台实际最大工况流量可达到143m2/min。表1为PGM集装箱式抽采站和传统水环式泵站的数据对比表。

1.5.3 升級改造瓦斯利用系统。矿井瓦斯发电站2014年5月开工建设，同年12月开始试运转，2018年进行二期升级改造，装备700GFZ-PwWD-TEM2-4型燃气发电机组。瓦斯发电站装机容量为11台700kW机组，共7 700kW，采用卧式多风扇水箱闭市冷却方式，实现了使用甲烷体积含量在5%以上的超低浓度瓦斯直接发电，超低浓度瓦斯作为做功的主要燃料，通过高能量点火系统引燃后实现超低浓度瓦斯爆炸做功。整套设备由瓦斯进气系统、柴油供给系统、空气过滤系统、点火系统、排气系统、润滑系统、冷却系统和发电机组控制系统组成，实现了机组全自动控制系统。

2 结论

通过瓦斯抽采利用示范化矿井建设，杜绝了瓦斯超限事故，实现了安全生产;实现了矿井掘进、抽采、回采平衡，解决了突出煤层工作面顺序开采和接替问题，产能稳定在240万t/a。突出采掘工作面单产单进大幅度提高，煤巷掘进工作面由原来的100～150m/月，提高到最高402m/月，采面单产由原来的8～10万t/月，提高到最高23万t/月。瓦斯抽采利用量大幅度提高，每天瓦斯利用量10万m3，发电量稳定在15万kW·h以上，预计全年利用瓦斯2 000万m3，发电3 000万kW·h，产生了显著的安全、经济、环保和社会效益[3，4]。

参考文献：

[1]谢和平，周宏伟，薛东杰，等. 煤炭深部开采与极限开采深度的研究与思考[J]. 煤炭学报， 2012（4）：535-542.

[2]张建国.中国平煤神马集团瓦斯综合治理的回顾与展望[J].矿业安全与环保，2013（5）：82-86.

[3]王光泉，刘伟东，余国锋.综放开采高抽巷布置合理位置分析[J].煤炭技术，2007（10）：83-85.

[4]刘如铁，张继高.走向高抽巷抽放瓦斯技术研究[J].中国矿业，2012（1）：122-124.