鸡西矿区采动区地面井“一井多用”瓦斯抽采治理技术应用

文/刘贤君

瓦斯具有易燃易爆的危险特性，是煤炭企业安全生产的头号天敌。随着矿井开采深度日益增加，瓦斯灾害更加严重。黑龙江龙煤集团鸡西矿业公司切实贯彻新发展理念，以“双碳”目标愿景为引领，以科学治理灾害、保障矿井安全高效发展为宗旨，在鸡西矿区杏花矿等矿井采用“一井多用”瓦斯抽采治理技术，既开发了清洁能源，又创造了可观的经济价值，综合效果显著。

一、采动区井“一井多用”“多期抽采”技术模式

鸡西矿业公司从采动区裂隙圈垂向及平面发育、地面井抽采影响半径、采动岩层位移及井孔稳定、地面井场等角度，优选设计地面瓦斯抽采井井位。设计了可保持地面井井身结构稳定性的三开井身结构、双层套管多层固井、悬挂筛管完井工艺，选型并验证了采动区地面井抽采设备与监测设备。

建设于鸡西矿区杏花矿28煤左二面、30煤左二面的地面瓦斯抽采井黑鸡地4井，在28煤回采期间作为采动区瓦斯抽采井，在28煤回采结束后转换为采空区瓦斯抽采井；在下伏30煤回采后，又转换为30煤采动区井+28煤采空区井。其经历了28煤采动抽采期、28煤采空抽采期、下伏30煤采动抽采+上覆28煤采空抽采期。单口井实现了煤层群条件下“一井多用”“多期抽采”。28煤采动抽采期：28煤采动过程中抽采28煤采动期本煤层及上下裂隙带瓦斯；28煤采空抽采期：28煤回采结束后，抽采28煤采空区及上下裂隙带瓦斯；下伏30煤采动抽采+上覆28煤采空抽采期：30煤回采过程中，抽采30煤采动期本煤层及上下裂隙带瓦斯，并抽采28煤采空区及上下裂隙带瓦斯。

二、地面井抽采效果

自2019年11月24日至2021年4月24日，黑鸡地4井抽采总混合气量801.49×104m3，折纯CH4总量605.47×104m3，平均CH4浓度75.54%。

28煤采动抽采期抽采效果：抽采时间为2019年11月24日～2020年4月14日，黑鸡地4井抽采总混合气量397.41×104m3，折纯CH4总量320.80×104m3，平均CH4浓度80.72%。

28煤采空抽采期抽采效果：抽采时间为2020年8月7日～2020年11月28日，黑鸡地4井抽采混合气总量179.63×104m3，折纯CH4总量127.53×104m3，平均CH4浓度71.00%。

下伏30煤采动抽采期+上覆28煤采空抽采期抽采效果：抽采时间为2020年11月29日～2021年4月24日，黑鸡地4井抽采混合气总量224.45×104m3，折CH4纯量157.14×104m3，平均CH4浓度70.01%。

三、地面井抽采对井下瓦斯治理效果

1．东一采区左二面28煤层采动期

（1）井下通风甲烷控制效果。东一采区左二面28煤采动抽采期，抽采过程中工作面回风、转角CH4浓度平均不超过0.5%，风流甲烷含量低，利于煤炭井下安全生产。黑鸡地4井抽采前井下回风、工作面、转角等瓦斯浓度呈现增加趋势明显，4井抽采后井下回风、工作面、转角等瓦斯浓度均有不同程度的下降。

（2）井下瓦斯治理效果。黑鸡地4井抽采期间仰角、底抽巷CH4平均浓度远低于抽采前，黑鸡地4井抽采期间有效降低了井下钻孔、巷道的甲烷抽采浓度（仰角钻孔，底抽巷抽采甲烷浓度降幅近50%），在一定条件下，具有替代仰角钻孔、底抽巷的作用，显示了较好的瓦斯治理效果。

（3）抽采量对比。黑鸡地4井煤层气抽采试验从2019年12月4日开始，连续抽采到2020年3月30日28煤采面结束，一共抽采了117天，其中，由于2019年底的安全检查及新冠肺炎疫情影响，井下停产46天，井上下联合抽采共71天，井下采面通风、仰角和高抽、底抽和降温巷等联合抽采方式累计抽采瓦斯纯量143.46×104m3，黑鸡地4井累计抽采瓦斯纯量152.65×104m3，地面井的抽采量为井下风排及抽采总量的106.41%。

地面井未抽采时，井下瓦斯纯量随掘进日产量逐渐增加。日产量从1.25×104m3/d增加到2.86×104m3/d，平均2.48×104m3/d；黑鸡地4井开始抽采后，井下抽采量在1.25～2.57×104m3/d，平均2.00×104m3/d，总体呈地面井连续抽采后井下抽放量逐渐下降，地面井抽放量逐渐增加0.88～3.06×104m3/d，平均2.14×104m3/d。

28煤层采动期内，地面井抽采纯量高于井下瓦斯抽采及风排纯量。随地面井抽采时间的增长，地面井抽采纯量逐渐超过井下风排及抽采纯量。地面井初始抽采期（2019年12月5日～12月25日），地面井日抽采纯量为井下抽采及风排纯量的42.16%～80.16%，平均为55.92%；地面井稳定抽采期（2019年12月25日～2020年1月10日），地面井抽采纯量为井下抽采及风排纯量的83.58%～116.62%，平均为102.92%；地面井高效抽采期（2020年1月11日～3月30日），地面井抽采量为井下抽采量的111.00%～188.38%，平均为141.13%。

（4）采煤进尺保障。地面井抽采，可保障28煤工作面日进尺在不超过4.7m的前提下，回风及转角瓦斯不超限。28煤层东一采区左二面从2019年10月至2020年3月累计进尺586.38m，采掘时间133天，平均日进尺4.51m，总体呈前期快—慢—快的特征。

2．东一采区左二面30煤层采动期

黑鸡地4井地面井抽采对30煤井下瓦斯治理效果较为显著，对井下采面安全、掘进速度起到很好保障作用。主要表现在：30煤层136工作面取消井下仰角钻场和底抽；工作面、转角、抽排汇合、回风内CH4浓度均保持在较低（＜0.5%）；地面抽采总CH4量为井下通风总CH4量的1.91倍。

（1）井下通风效果。

①井下通风与地面抽采时间。

杏花矿30煤层136工作面回采时间：自2020年11月18日开始回采，2021年1月20日过黑鸡地4井井孔。

地面井抽采时间：2020年11月18日至11月26日连续抽采；11月26日至11月29日停泵；11月29日至12月20日连续抽采；12月20日至2021年1月22日，受发电站建设、调试影响，抽采断续停泵；1月22日至2月8日抽采、新风影响；2月8日至3月9日停泵；3月9日至4月14日抽采（流量减低）；2021年4月14日停泵。

②井下风流甲烷浓度控制效果佳。地面井抽采期间，转角CH4浓度明显降低，平均浓度0.43%（0.2%～1.33%）。具体为：自回采至11月26日，由0.2%升至0.4%；11月26日至11月29日地面抽采停泵，由0.4%快速上升至0.9%；11月29日至12月20日连续抽采，由1.34%降至0.5%；12月20日至2021年1月22日抽采断续停泵，由0.57%降至0.4%；1月22日至2月8日抽采、新风影响，由0.4%降至0.3%；2月8日至3月9日停泵稳定于0.3%；3月9日至4月14日抽采（流量减低），由0.3%升至0.5%；2021年4月14日停泵后稳定于0.5%。

回风CH4浓度最大0.21%（0.1%～0.3%），自回采至工作面推进700m，CH4浓度稳定在0.2%（0.1%～0.2%），此后稳定于0.3%。

（2）井下抽采甲烷浓度变化。

抽排汇合CH4浓度为0.37%（0.3%～0.5%），随工作面推进CH4浓度曲线呈“右倾二级阶梯状”。自回采至1月3日稳定在0.5%（0.4%～0.5%）；1月3日至1月12日，由0.5%降至0.3%；1月12日后稳定于0.3%。

抽排出口CH4浓度为2.39%（0.7%～7.0%），自回采至采面过井口CH4浓度曲线呈逐渐降低的趋势；此后稳定至3月13日；3月13日后地面抽采流量降低，CH4浓度自0.9%升至2.5%，CH4浓度曲线呈“左倾三级阶梯状”。

埋管CH4浓度为4.05%（1.1%～7.63%），随工作面推进CH4浓度曲线呈先升后降趋势，最高达7.63%；工作面过井孔至过孔270m，自4.7%降至3.7%；工作面过孔270m至完结，浓度稳定于3.7%。

四、抽采经济效益

地面井抽采经济效益可划分为抽采气体产生的经济效益、井下瓦斯治理及安全效益。该井合计产生效益约3330万元，其中抽采气体按发电计算，经济效益为1386.6万元，井下瓦斯治理及安全效益可达1944万元。