综合瓦斯治理技术在杜儿坪矿的应用

王俊虎

(山西焦煤集团有限责任公司 杜儿坪矿， 山西 太原 030053)

随着井工煤矿工作面智能化水平的提高，工作面产量大幅度增长，传统的瓦斯治理方式已不能消除采掘工作面的瓦斯威胁，瓦斯仍然是制约工作面安全高效开采的主要因素。此外，煤层气作为煤炭的伴生资源，具有极大的利用价值。如何实现瓦斯抽采最大化始终是瓦斯治理需研究的课题。我国瓦斯抽放大致经历了4个阶段：高透气性煤层瓦斯抽放阶段、邻近层卸压瓦斯抽放阶段、低透气性煤层瓦斯抽放阶段及综合瓦斯抽放阶段[1-3]. 为了实现高产高效矿井工作面的安全生产，施行综合瓦斯抽放技术成为必然趋势。综合瓦斯治理方式特点为时间上超前、空间上立体、技术上革新。瓦斯抽采钻孔作为瓦斯抽采的通道，其间距、轨迹、层位对瓦斯抽采效果具有直接影响[4-5]. 对于低透气性高瓦斯煤层超前施工预抽钻孔，同时采取增透措施，可有效促进煤层瓦斯解析，缩短瓦斯抽采达标所需预抽时间，有效缓解矿井衔接紧张，实现高瓦斯工作面低瓦斯状态开采[6-7]. 在回采过程中，受采动影响，工作面本煤层瓦斯涌出量及上下邻近层瓦斯涌出量急剧增大，在工作面施工本煤层钻孔的同时施工上下邻近层钻孔，对煤层瓦斯进行全方位抽采。在综合瓦斯抽放技术实施的全过程，始终贯穿“以孔代巷”思路，进一步降低瓦斯治理成本，缩短瓦斯抽采工期，以实现瓦斯抽采可行性、有效性、经济性的统一[8-9].

1 矿井基本概况

山西焦煤集团有限责任公司杜儿坪矿于1956年建矿，2016年矿井核定生产能力385万t/a.可采煤层为2#、3#、6#、7#、8#、9#煤，现采2#、3#、8#煤层。矿井采用多风井分区通风方式，机械抽出式通风方法，有9个进风井和4个回风井，矿井总进风量为35 969 m3/min，总回风量为36 710 m3/min. 采煤工作面均采用“U”型通风系统，掘进工作面均采用压入式通风。地面建有北石沟瓦斯抽放站，安装5台2BEC-72型水环式真空泵，其中高浓系统3台(1运2备)，低浓系统2台(1运1备)。高、低浓两趟系统采用本煤层、高抽巷、采空区和区域预抽进行抽采。

矿区煤层瓦斯呈现南翼含量较低，北翼含量较高，从南到北煤层瓦斯含量逐渐增大的趋势。2018年矿井瓦斯等级鉴定：矿井绝对瓦斯涌出量169.23 m3/min，相对瓦斯涌出量26.26 m3/t. 其中北七2#煤盘区绝对瓦斯涌出量8.84 m3/min，北三下组煤盘区绝对瓦斯涌出量95.2 m3/min，南九上组煤盘区8.34 m3/min，南十2#煤盘区5.71 m3/min，北五2#煤盘区34.27 m3/min，其他盘区16.87 m3/min. 各煤层瓦斯基本参数及抽放指标参数见表1，2.

表1 煤层瓦斯基本参数表

表2 煤层瓦斯抽放指标参数表

2 综合瓦斯抽采技术的应用

针对矿井不同煤层的瓦斯赋存状况特点，不同的开采巷道布置和开采技术，不同的瓦斯来源和治理要求，根据多年的瓦斯治理经验，杜儿坪矿确定了矿井瓦斯治理模式：通过井下煤层增透、钻孔护孔等技术的应用，开展低透气性、松软煤层大面积区域预抽；推进切顶护巷技术，构成高位大孔径钻孔代替高抽巷、同层位本煤层采前预抽和回采期间卸压抽采、同层位大直径钻孔尾抽、底抽巷卸压抽采等相结合的综合立体抽采方式，实现高瓦斯矿井低瓦斯状态开采，达到“以抽促用，以用促抽”的良性循环。

2.1 长距离顺层钻孔区域预抽

针对矿井瓦斯含量大、衰减系数大、透气性差等特点，为充分降低煤层瓦斯含量，提高预抽效果，矿井在整体衔接安排上，制定了“三区联动”规划，提出在未采区域施工区域瓦斯预抽巷，在巷道两帮施工长距离顺层钻孔。工程完工后，封闭巷道进行长时间预抽，预抽时间保证在3年以上，既可以保证瓦斯抽采和抽采浓度的稳定，为瓦斯利用提供可靠的气源，也可以通过长时间的抽采，克服煤层透气性差、衰减快的缺点，进而充分提高煤层抽采量，还可以简化通风系统，降低风排瓦斯量。

68305预抽巷两侧施工本煤层钻孔，钻孔设计平面示意图见图1,共计钻孔498个，进尺154 000 m，平均孔间距10 m，平均孔深为310 m， 钻孔施工期间抽采浓度50%，抽采纯量8 m3/min，巷道封闭后抽采浓度60%左右，抽采纯量最高为14 m3/min. 从2009年开始预抽，到工作面回采前预抽时间达到8年，抽采瓦斯总量累计达到2 480万m3，煤层瓦斯含量从9.77 m3/t降低到5.5 m3/t，预抽率达到44%.

图1 68305瓦斯预抽巷本煤层钻孔设计平面示意图

2.2 顶板裂隙钻孔抽采裂隙带瓦斯

工作面回采期间，后部采空区集聚大量的瓦斯，其中部分瓦斯会涌向工作面，因此抽采裂隙带瓦斯对于工作面瓦斯治理也是一项技术手段。根据多年来的实际经验数据分析，裂隙带一般位于工作面顶板上方10～15倍采高位置，钻孔布置在此范围内，钻孔抽采浓度高，流量较大，抽采效果好。

62515瓦斯治理巷施工顶板裂隙钻孔180个，孔深70 m，孔径113 mm，间距10 m，倾角36°～39°，终孔垂高40～45 m，正常可抽钻孔30个，瓦斯抽采纯量为15 m3/min左右，占工作面瓦斯涌出量的68%. 单孔抽采浓度在50%～70%，单孔抽采量最大为1 m3/min，单孔抽采时间可达到1.5个月。62515工作面倾向顶板钻孔设计示意图见图2.

图2 62515工作面倾向顶板钻孔设计示意图

2.3 高抽巷+裂隙钻孔与巷道-钻孔联合抽采

高抽巷沿煤巷施工缓解了岩巷施工的衔接问题，降低了工程成本[8]，施工裂隙钻孔弥补了高抽巷层位不足的问题，抽采效果达到了预期目标。68306高抽巷施工在6#煤层中，距离8#煤顶板35 m左右，施工顶板裂隙钻孔252个，孔深80 m，孔径113 mm，间距5 m，倾角5°～7°，钻孔抽采浓度在55%左右，巷道抽采浓度在20%左右，混合处浓度在40%左右，抽采量达到15 m3/min. 北三8#煤盘区回采工作面高抽巷钻孔设计示意图见图3，4.

图3 北三8#煤盘区回采工作面高抽巷钻孔设计平面示意图

图4 北三8#煤盘区回采工作面钻孔设计剖面示意图

2.4 CO2预裂与水力压裂增透

针对目前煤层低透气、吸附强、衰减快、煤层松软等特点，为提高本煤层的抽采效果，杜儿坪矿采取了CO2预裂增透、水力压裂增透等技术，以提高钻孔的单孔抽采浓度和抽采量。

在北三68310回风巷进行CO2预裂增透技术，预裂间距为10 m，隔一个钻孔预裂一个，通过预裂后钻孔浓度稳定在45%～72%， 单孔抽采量由0.005 m3/min提高到0.018 m3/min，提高了2.6倍，提高了单孔抽采量，稳定了抽采浓度。68310回风巷大孔径高位钻孔布置剖面示意图见5.

图5 68310回风巷大孔径高位钻孔布置剖面示意图

在北一皮带大巷试验水力压裂增透技术，从8#煤层向9#煤层施工穿层底板孔，利用8#、9#煤层间岩层作为保护层进行压裂，钻孔深度80 m，钻孔间距5 m，孔径113 mm. 从单孔抽采情况看，抽采周期在3个月，单孔浓度稳定在80%左右，单孔抽采量在0.02 m3/min，单孔的抽采浓度和抽采量比未进行压裂的钻孔，压裂增透效果好，可以进行推广使用。

2.5 瓦斯抽采“以孔代巷”

在工作面回风巷施工钻场，使用ZDY15000LD型履带大功率定向钻机施工长距离大孔径高位定向钻孔，钻孔轨迹覆盖工作面上部裂隙带，抽采裂隙带内积聚的高浓度瓦斯。 通过使用该技术，在稳定抽采高浓度瓦斯的同时，减少了全岩高抽巷施工成本。

在工作面瓦斯治理巷和工作面回风巷，引进Z90/120型大直径履带坑道钻机施工大直径钻孔埋管抽采代替横川，利用矿井低浓抽采系统进行抽采，可以有效治理工作面回采期间上隅角瓦斯。大直径履带式坑道钻机施工方案图见图6.

图6 大直径履带式坑道钻机施工方案图

3 结 论

杜儿坪矿通过不断丰富矿井瓦斯抽采工艺，对不同煤层采用不同的瓦斯抽采方式，并在实际过程中分析抽采工艺的使用效果，引进吸收瓦斯治理新工艺、新技术，新设备，完善各项瓦斯治理措施，提升矿井瓦斯综合治理水平，实现了高瓦斯矿井低瓦斯状态开采，最终形成“以抽保用，以用促抽”的瓦斯治理新格局，保证了矿井的安全高效生产。