高瓦斯礦井工作面瓦斯綜合抽采技術(shù)研究

張玉明，魏 華

（陜西彬長胡家河礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽713600）

瓦斯屬于煤礦的重點災(zāi)害之一，但同時也是十分重要的清潔能源，合理利用瓦斯可減少災(zāi)害問題發(fā)生，同時還會對中國能源安全產(chǎn)生直接影響。預(yù)抽煤層瓦斯是減少煤礦瓦斯災(zāi)害的基礎(chǔ)措施之一，能保障煤礦安全開采。而礦井內(nèi)的瓦斯普遍是采空區(qū)內(nèi)流出的，做好采空區(qū)內(nèi)瓦斯抽采治理工作意義重大。

1 高瓦斯礦井瓦斯抽采技術(shù)研究必要性

瓦斯會對采煤工作的安全實施產(chǎn)生直接影響，采用有效的瓦斯抽采技術(shù)能保障煤礦安全開采，而瓦斯抽采始終是煤炭領(lǐng)域的重點研究內(nèi)容。隨著開采強(qiáng)度持續(xù)擴(kuò)大，煤炭開采深度進(jìn)一步增加，礦井內(nèi)部瓦斯量進(jìn)一步增加，為此需要利用有效開采技術(shù)，重視高瓦斯綜合抽采技術(shù)，提高煤礦開采效率和安全性[1]。

2 水力壓裂增透相關(guān)技術(shù)分析

2.1 技術(shù)原理

水力壓裂技術(shù)屬于煤礦進(jìn)行瓦斯治理的重要手段之一，煤層內(nèi)鉆孔注入高壓水，不但能促進(jìn)煤體內(nèi)原有裂隙繼續(xù)擴(kuò)張，還可以擴(kuò)大煤體裂隙，促進(jìn)裂隙彼此貫通，從而組建成一種互相交織裂隙網(wǎng)絡(luò)。在煤層內(nèi)部構(gòu)建互聯(lián)互通的排放通道，提高煤層滲透率，使那些呈現(xiàn)為吸附狀態(tài)的瓦斯能夠順利解析為自由狀態(tài)。瓦斯處于自由狀態(tài)下時能順著裂隙不斷朝外排放，提高煤層瓦斯抽采效果，減少工作面對應(yīng)煤層內(nèi)的瓦斯含量，提高工作面回采效果。

2.2 水力壓裂參數(shù)

水力壓裂技術(shù)參數(shù)是決定和影響煤層水力壓裂效果的主要因素，初步確定水力壓裂參數(shù)時，應(yīng)準(zhǔn)確把握工作面中的煤體強(qiáng)度，了解側(cè)壓系數(shù)以及地應(yīng)力大小，初步掌握各種基礎(chǔ)地質(zhì)參數(shù)，根據(jù)工作面相關(guān)圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)來準(zhǔn)確判斷水力壓裂注水時間以及注水壓力，掌握注水相關(guān)滲透半徑，初步明確水力壓裂鉆孔對應(yīng)間隔。

結(jié)合理論計算以及實驗分析掌握沁水煤田某一礦區(qū)中的煤圍巖對應(yīng)地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，其中水力壓裂增透鉆孔對應(yīng)間距初步設(shè)計為6 m，而瓦斯抽放鉆孔對應(yīng)間距為3 m，即在每2個抽放鉆孔內(nèi)對其中1個鉆孔實施水力壓裂。為了實現(xiàn)預(yù)期抽放目標(biāo)，鉆孔施工深度應(yīng)高出工作面70 m，將對應(yīng)抽放鉆孔深度控制在50 m以上，對工作面各個參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計，而需適度加深工作面對應(yīng)壓裂鉆孔以及抽放鉆孔深度。為了提高鉆孔對煤層覆蓋的效果，優(yōu)化封孔效果，避免出現(xiàn)各種卡鉆鉆孔問題，需將抽放鉆孔和壓裂鉆孔開孔高度控制在1.5 m以上，相關(guān)角度大于1°，孔徑為75 mm。針對部分煤層相對較厚的工作面，可以采取有效措施不斷提升開孔和鉆孔高度。煤層內(nèi)水力壓裂可以實施全長一次壓裂，而壓裂鉆孔深度應(yīng)該控制在15～25 m之間。

2.3 液態(tài)二氧化碳驅(qū)替技術(shù)

液態(tài)二氧化碳驅(qū)替技術(shù)即在煤層液態(tài)CO2壓注過程中，受到“低溫凍結(jié)、置換、驅(qū)替”三種綜合效應(yīng)的影響，提高煤層瓦斯抽采效率。

在低溫凍結(jié)及升溫相變增壓作用下，迫使煤體孔隙演化及原始裂隙擴(kuò)張、延伸及新生裂隙產(chǎn)生，從而達(dá)到增透的目的。相變成氣態(tài)的CO2在壓力差與濃度梯度作用下滲流、擴(kuò)散進(jìn)入煤體，與對應(yīng)吸附位上的CH4產(chǎn)生競爭吸附，最終在注入CO2的分壓及濃度差作用下，置換并驅(qū)替煤基質(zhì)中吸附位上CH4氣體，使其沿著煤層瓦斯?jié)B流通道運(yùn)移擴(kuò)散至瓦斯抽采鉆孔，從而提高煤層瓦斯抽采效率[2]。

CO2屬于溫室氣體，利用CO2實施煤層地質(zhì)處理，能夠發(fā)揮出置換瓦斯和廢物處置的雙重效益。煤體是裂隙和孔隙發(fā)育的重要介質(zhì)，相關(guān)孔裂隙為煤層瓦斯氣體提供了基礎(chǔ)棲息地，同時也是儲存CO2的有效空間。煤體是一種具有較強(qiáng)吸附能力的介質(zhì)，多種原因影響下，其對不同氣體存在一定的吸附差異。而大量實驗證明，處于相同外界環(huán)境下，煤顆粒在CO2方面的吸附量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出瓦斯氣體吸附量，從而為CO2煤層瓦斯驅(qū)替奠定了良好基礎(chǔ)。

3 煤層瓦斯抽采工藝技術(shù)

可以在煤層工作面的兩個順槽當(dāng)中合理設(shè)置瓦斯抽放鉆孔，隨著工作面持續(xù)深入推進(jìn)，提前對工作面前方現(xiàn)有瓦斯進(jìn)行預(yù)抽處理，幫助減少瓦斯含量，確保在某種低瓦斯區(qū)域內(nèi)實施工作面回采，提高工作面回采安全性。聯(lián)系前面所述內(nèi)容，分析水力壓裂的鉆孔設(shè)置方案，工作面特定煤層內(nèi)的瓦斯抽放鉆孔具體可以采取壓裂抽放以及抽放鉆孔相融合的一體化鉆孔措施。合理布置上排抽放鉆孔，并在下排設(shè)置壓裂抽放鉆孔，使上下兩排之間呈現(xiàn)為某種三花設(shè)置形式。其中上排鉆孔間距應(yīng)該控制在6 m左右，對應(yīng)開孔高度超出2 m，下排對應(yīng)鉆孔間距維持在6 m左右，整體開孔高度大于1.5 m，鉆孔仰視角至少應(yīng)該大于1°。鉆孔過程中的各種操作參數(shù)可以根據(jù)工作面煤層對應(yīng)的傾斜度、煤層厚度參數(shù)來確定。

4 采空區(qū)中的瓦斯抽采技術(shù)

在工作面開采作業(yè)時，容易出現(xiàn)頂板上覆巖層移動問題，導(dǎo)致大面積離層裂隙出現(xiàn)，因為瓦斯氣體密度相對較小，導(dǎo)致瓦斯氣體順著工作面頂板上方裂隙流出，從而在工作面后層采空區(qū)頂板裂隙帶部位集聚，采空區(qū)內(nèi)流入大量瓦斯，使工作面中的瓦斯含量超出基礎(chǔ)限制，在不斷強(qiáng)化工作面煤層瓦斯預(yù)抽的基礎(chǔ)上，還需要做好采空區(qū)洼地治理工作。

4.1 中、高位抽采鉆孔

在工作面順槽相關(guān)保護(hù)煤柱外圍合理設(shè)置瓦斯抽放鉆場，在鉆場內(nèi)部可以借助千米鉆機(jī)朝工作面采空區(qū)相關(guān)裂隙帶提前做好高位鉆孔工作。其中高位鉆孔數(shù)量大于3個，對應(yīng)鉆孔深度在300 m左右，而鉆孔終點孔位可以分布于工作面順槽以內(nèi)的40 m、60 m、80 m這3種位置，分布于裂隙帶上層，和煤層頂板相距6～8倍的采高，相關(guān)位置參數(shù)需要進(jìn)一步根據(jù)頂板裂隙帶高度以及工作面參數(shù)進(jìn)行有效確定。中位鉆孔數(shù)量應(yīng)該至少大于6個，對應(yīng)鉆孔深度為260 m，而鉆孔終點位置主要分布于工作面順槽以內(nèi)的75 m、85 m、65 m、55 m、45 m以及35 m這6種位置，分布于裂隙帶下方，和煤層頂板之間相距3倍采高，相關(guān)位置參數(shù)應(yīng)該進(jìn)一步根據(jù)頂板裂隙帶高度以及工作面參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置。

4.2 鉆孔穿透抽采

在工作面的順槽對應(yīng)保護(hù)煤柱外部2個橫穿之間進(jìn)行穿透鉆孔，對應(yīng)鉆孔間距維持在5～10 m之間，而鉆孔開的孔高度也應(yīng)該限制在1 m以下，鉆孔的終孔應(yīng)該設(shè)置于保護(hù)煤柱內(nèi)側(cè)的巷道頂板相距0.5 m位置，促進(jìn)鉆孔全面貫穿煤柱。同時在鉆孔空口中合理下放套管，全面封孔，在結(jié)束控制閥門以及測點安裝工作后，連接到瓦斯抽放鉆孔對應(yīng)的核心管路當(dāng)中，工作面前方的鉆孔閥門在整個操作中始終處于關(guān)閉狀態(tài)，工作面回采操作中，還可以借助支架尾梁穿透鉆孔中啟動閥門，促進(jìn)裝置正式投入運(yùn)行，合理調(diào)控閥門。

4.3 防滅火措施

不斷強(qiáng)化通風(fēng)系統(tǒng)管理，根據(jù)工作面的實際需求風(fēng)量進(jìn)行準(zhǔn)確計算，除此之外，還可以綜合考慮初采過程中高抽巷的抽采作用限制。在初采抽放過程中，工作切眼配風(fēng)為每秒2 280 m3。為了提高通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)范性，保障通風(fēng)斷面合理性，需要每天定期實施風(fēng)量測定，提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。回采前，可以在與切眼相距30 m左右的位置，對上隅角傳輸管路實施合理改造，額外設(shè)置三通，在工作面上隅角設(shè)置瓦斯抽采管路，從而針對上隅角瓦斯進(jìn)行全面抽采。相關(guān)抽采系統(tǒng)屬于高流量低負(fù)壓。而初采及初放過程中，大量瓦斯被全面卸壓釋放，應(yīng)使整個管道傳輸通路保持暢通，及時清理其中的各種雜物，及時清除涌出的瓦斯，促進(jìn)系統(tǒng)整體抽采效率全面提升。

在工作面內(nèi)回采前，應(yīng)在施工煤層中合理實施鉆孔抽采，進(jìn)一步減少工作面巷道中的瓦斯涌入數(shù)量，初采過程中，盡量將抽采管對應(yīng)拆除工作延后，將抽采管對應(yīng)超前工作面的煤壁限制在5 m以下，強(qiáng)化該煤層內(nèi)的卸壓瓦斯抽采工作。

5 結(jié)語

綜上所述，瓦斯抽采可以進(jìn)一步幫助高瓦斯工作面維持相對穩(wěn)定、安全的生產(chǎn)狀態(tài)，為了進(jìn)一步減少高瓦斯工作面前方的瓦斯含量，應(yīng)該合理控制采空區(qū)內(nèi)進(jìn)入工作面的瓦斯量，避免產(chǎn)生瓦斯超標(biāo)現(xiàn)象。需針高瓦斯礦井工作面瓦斯綜合抽采技術(shù)進(jìn)行深入研究，掌握科學(xué)有效的瓦斯抽采技能，提高瓦斯抽采效率。