高瓦斯矿井工作面瓦斯综合抽采技术研究

张玉明，魏 华

（陕西彬长胡家河矿业有限公司，陕西 咸阳713600）

瓦斯属于煤矿的重点灾害之一，但同时也是十分重要的清洁能源，合理利用瓦斯可减少灾害问题发生，同时还会对中国能源安全产生直接影响。预抽煤层瓦斯是减少煤矿瓦斯灾害的基础措施之一，能保障煤矿安全开采。而矿井内的瓦斯普遍是采空区内流出的，做好采空区内瓦斯抽采治理工作意义重大。

1 高瓦斯矿井瓦斯抽采技术研究必要性

瓦斯会对采煤工作的安全实施产生直接影响，采用有效的瓦斯抽采技术能保障煤矿安全开采，而瓦斯抽采始终是煤炭领域的重点研究内容。随着开采强度持续扩大，煤炭开采深度进一步增加，矿井内部瓦斯量进一步增加，为此需要利用有效开采技术，重视高瓦斯综合抽采技术，提高煤矿开采效率和安全性[1]。

2 水力压裂增透相关技术分析

2.1 技术原理

水力压裂技术属于煤矿进行瓦斯治理的重要手段之一，煤层内钻孔注入高压水，不但能促进煤体内原有裂隙继续扩张，还可以扩大煤体裂隙，促进裂隙彼此贯通，从而组建成一种互相交织裂隙网络。在煤层内部构建互联互通的排放通道，提高煤层渗透率，使那些呈现为吸附状态的瓦斯能够顺利解析为自由状态。瓦斯处于自由状态下时能顺着裂隙不断朝外排放，提高煤层瓦斯抽采效果，减少工作面对应煤层内的瓦斯含量，提高工作面回采效果。

2.2 水力压裂参数

水力压裂技术参数是决定和影响煤层水力压裂效果的主要因素，初步确定水力压裂参数时，应准确把握工作面中的煤体强度，了解侧压系数以及地应力大小，初步掌握各种基础地质参数，根据工作面相关围岩地质力学参数来准确判断水力压裂注水时间以及注水压力，掌握注水相关渗透半径，初步明确水力压裂钻孔对应间隔。

结合理论计算以及实验分析掌握沁水煤田某一矿区中的煤围岩对应地质力学参数，其中水力压裂增透钻孔对应间距初步设计为6 m，而瓦斯抽放钻孔对应间距为3 m，即在每2个抽放钻孔内对其中1个钻孔实施水力压裂。为了实现预期抽放目标，钻孔施工深度应高出工作面70 m，将对应抽放钻孔深度控制在50 m以上，对工作面各个参数进行合理设计，而需适度加深工作面对应压裂钻孔以及抽放钻孔深度。为了提高钻孔对煤层覆盖的效果，优化封孔效果，避免出现各种卡钻钻孔问题，需将抽放钻孔和压裂钻孔开孔高度控制在1.5 m以上，相关角度大于1°，孔径为75 mm。针对部分煤层相对较厚的工作面，可以采取有效措施不断提升开孔和钻孔高度。煤层内水力压裂可以实施全长一次压裂，而压裂钻孔深度应该控制在15～25 m之间。

2.3 液态二氧化碳驱替技术

液态二氧化碳驱替技术即在煤层液态CO2压注过程中，受到“低温冻结、置换、驱替”三种综合效应的影响，提高煤层瓦斯抽采效率。

在低温冻结及升温相变增压作用下，迫使煤体孔隙演化及原始裂隙扩张、延伸及新生裂隙产生，从而达到增透的目的。相变成气态的CO2在压力差与浓度梯度作用下渗流、扩散进入煤体，与对应吸附位上的CH4产生竞争吸附，最终在注入CO2的分压及浓度差作用下，置换并驱替煤基质中吸附位上CH4气体，使其沿着煤层瓦斯渗流通道运移扩散至瓦斯抽采钻孔，从而提高煤层瓦斯抽采效率[2]。

CO2属于温室气体，利用CO2实施煤层地质处理，能够发挥出置换瓦斯和废物处置的双重效益。煤体是裂隙和孔隙发育的重要介质，相关孔裂隙为煤层瓦斯气体提供了基础栖息地，同时也是储存CO2的有效空间。煤体是一种具有较强吸附能力的介质，多种原因影响下，其对不同气体存在一定的吸附差异。而大量实验证明，处于相同外界环境下，煤颗粒在CO2方面的吸附量远远超出瓦斯气体吸附量，从而为CO2煤层瓦斯驱替奠定了良好基础。

3 煤层瓦斯抽采工艺技术

可以在煤层工作面的两个顺槽当中合理设置瓦斯抽放钻孔，随着工作面持续深入推进，提前对工作面前方现有瓦斯进行预抽处理，帮助减少瓦斯含量，确保在某种低瓦斯区域内实施工作面回采，提高工作面回采安全性。联系前面所述内容，分析水力压裂的钻孔设置方案，工作面特定煤层内的瓦斯抽放钻孔具体可以采取压裂抽放以及抽放钻孔相融合的一体化钻孔措施。合理布置上排抽放钻孔，并在下排设置压裂抽放钻孔，使上下两排之间呈现为某种三花设置形式。其中上排钻孔间距应该控制在6 m左右，对应开孔高度超出2 m，下排对应钻孔间距维持在6 m左右，整体开孔高度大于1.5 m，钻孔仰视角至少应该大于1°。钻孔过程中的各种操作参数可以根据工作面煤层对应的倾斜度、煤层厚度参数来确定。

4 采空区中的瓦斯抽采技术

在工作面开采作业时，容易出现顶板上覆岩层移动问题，导致大面积离层裂隙出现，因为瓦斯气体密度相对较小，导致瓦斯气体顺着工作面顶板上方裂隙流出，从而在工作面后层采空区顶板裂隙带部位集聚，采空区内流入大量瓦斯，使工作面中的瓦斯含量超出基础限制，在不断强化工作面煤层瓦斯预抽的基础上，还需要做好采空区洼地治理工作。

4.1 中、高位抽采钻孔

在工作面顺槽相关保护煤柱外围合理设置瓦斯抽放钻场，在钻场内部可以借助千米钻机朝工作面采空区相关裂隙带提前做好高位钻孔工作。其中高位钻孔数量大于3个，对应钻孔深度在300 m左右，而钻孔终点孔位可以分布于工作面顺槽以内的40 m、60 m、80 m这3种位置，分布于裂隙带上层，和煤层顶板相距6～8倍的采高，相关位置参数需要进一步根据顶板裂隙带高度以及工作面参数进行有效确定。中位钻孔数量应该至少大于6个，对应钻孔深度为260 m，而钻孔终点位置主要分布于工作面顺槽以内的75 m、85 m、65 m、55 m、45 m以及35 m这6种位置，分布于裂隙带下方，和煤层顶板之间相距3倍采高，相关位置参数应该进一步根据顶板裂隙带高度以及工作面参数进行合理设置。

4.2 钻孔穿透抽采

在工作面的顺槽对应保护煤柱外部2个横穿之间进行穿透钻孔，对应钻孔间距维持在5～10 m之间，而钻孔开的孔高度也应该限制在1 m以下，钻孔的终孔应该设置于保护煤柱内侧的巷道顶板相距0.5 m位置，促进钻孔全面贯穿煤柱。同时在钻孔空口中合理下放套管，全面封孔，在结束控制阀门以及测点安装工作后，连接到瓦斯抽放钻孔对应的核心管路当中，工作面前方的钻孔阀门在整个操作中始终处于关闭状态，工作面回采操作中，还可以借助支架尾梁穿透钻孔中启动阀门，促进装置正式投入运行，合理调控阀门。

4.3 防灭火措施

不断强化通风系统管理，根据工作面的实际需求风量进行准确计算，除此之外，还可以综合考虑初采过程中高抽巷的抽采作用限制。在初采抽放过程中，工作切眼配风为每秒2 280 m3。为了提高通风系统运行规范性，保障通风断面合理性，需要每天定期实施风量测定，提高系统运行稳定性。回采前，可以在与切眼相距30 m左右的位置，对上隅角传输管路实施合理改造，额外设置三通，在工作面上隅角设置瓦斯抽采管路，从而针对上隅角瓦斯进行全面抽采。相关抽采系统属于高流量低负压。而初采及初放过程中，大量瓦斯被全面卸压释放，应使整个管道传输通路保持畅通，及时清理其中的各种杂物，及时清除涌出的瓦斯，促进系统整体抽采效率全面提升。

在工作面内回采前，应在施工煤层中合理实施钻孔抽采，进一步减少工作面巷道中的瓦斯涌入数量，初采过程中，尽量将抽采管对应拆除工作延后，将抽采管对应超前工作面的煤壁限制在5 m以下，强化该煤层内的卸压瓦斯抽采工作。

5 结语

综上所述，瓦斯抽采可以进一步帮助高瓦斯工作面维持相对稳定、安全的生产状态，为了进一步减少高瓦斯工作面前方的瓦斯含量，应该合理控制采空区内进入工作面的瓦斯量，避免产生瓦斯超标现象。需针高瓦斯矿井工作面瓦斯综合抽采技术进行深入研究，掌握科学有效的瓦斯抽采技能，提高瓦斯抽采效率。