高突煤层的瓦斯抽采效果提升技术方案研究

李亚铁

(山煤集团霍尔辛赫煤业有限责任公司，山西 长治 046600)

瓦斯是大部分煤层都存在的气体，其含量多少取决于煤层的透气性，一般而言，煤层地质、透气性差的煤层瓦斯含量较高，属于高瓦斯煤层，这类煤层通常发生过瓦斯突出事件，所有又叫高突煤层。这类煤层由于低透气性的缘故，导致煤层内部的瓦斯没法通过隙通道流出，因此会大量积聚，当开采工作逐渐深入时，便会出现大量瓦斯涌出的现象，并有极高概率引发瓦斯爆炸之类的事故问题，对矿业公司造成人身财产损失[1]。为解决低透气性煤层瓦斯含量高的问题，工作人员会对矿井进行瓦斯抽采作业，但因为高突煤层的结构状态特殊，抽采作业往往成效不大，为解决这一问题，需要对高突煤层的瓦斯抽采技术进行研究与革新，制定更有效的技术方案，从而保护工作人员进行矿道作业时的人身安全。

1 工程背景

A煤井是我国山西地区的一座高瓦斯矿井，主采3#煤层，煤层埋深约为340 m，煤层厚度3.98 m～6.94 m，平均厚度4.78 m，煤层倾角平均为4°，采煤工作面的每日回采煤量在7 000 t～8 000 t，煤层瓦斯含量在7.71 m3/t～11.6 m3/t，平均瓦斯含量为8 m3/t，平均瓦斯压力为0.14 MPa，煤层孔隙率为2.13%～3.04%，透气性系数为0.087 4 m2/(MPa2·d)～0.182 1 m2/(MPa2·d)，瓦斯放散初速度Δp为1.3 kPa～2.1 kPa，煤层的瓦斯涌出衰减系数为0.042 d-1。该煤层的煤质松软程度较高，透气性不佳，按照《煤矿瓦斯抽采基本指标》规定，该矿井工作面在回采前，煤层的煤体瓦斯含量需<7.65 m3/t。

2 高突煤层的抽采难点

A煤井属于高突松软煤层，它的煤体结构和一般煤层有很大不同，其结构强度比一般煤层更低，在进行瓦斯抽采作业时，非常容易发生卡钻和抱钻问题，作业人员无法将钻孔深度达到事先预计深度，造成A煤井的瓦斯抽采深度大幅度缩减，加上煤层的透气性差，瓦斯涌出衰减比一般煤层更大，造成了煤层的瓦斯赋存不均衡，钻孔深孔施工的定位极其困难，而抽采的钻孔布置也难以做到均匀有序，在抽采过程中出现了大量的无钻孔空白区域和局部钻孔密集区域，空白区域由于没有及时钻孔抽采，导致瓦斯量增多，当掘进生产时，必然会导致出现瓦斯浓度超限、瓦斯巨量涌出的安全问题。且由于煤层的煤质过于松软，钻孔作业如果产生的震动过于激烈，有很大概率致使钻孔周围的煤层结构出现改变，严重情况可能发生煤层断裂变形，使得钻孔径向闭合，抽采工作无法推进。

3 增强抽采效果的技术方案

3.1 封孔技术方案

A煤井的封孔方案采用封堵两端、中间注浆的“两堵一注”式顺层钻孔封孔，在进行施工作业时，灌注的水泥浆液会在压力作用下对煤层中破碎煤体间的缝隙进行填充，借助煤层煤体凹凸的表面和孔隙，水泥浆液能迅速扩散到钻孔缝隙当中，在浆液凝固后钻孔和封孔材料就不会出现裂隙问题，而经过填充作业后，煤体的整体性能得到有效复原。这样才进行施工作业时，施工人员所打出钻孔便能得到良好支撑和保护，确保掘进作业时矿井的钻孔有足够的稳定性，以避免瓦斯抽采作业后期造成煤层间出现裂隙通道，对施工作业造成影响[2]。

3.2 预留瓦斯通道

A煤井因为煤层结构的松软性，其强度要远远低于一般煤层，煤层结构容易因钻孔作业的振动发生改变，产生垮塌现象，导致事故问题。故而在抽采过程中必须要为抽采空间预留通道，避免在煤层钻孔成孔后出现塌孔现象，导致煤层的瓦斯流动空间被阻塞，出现煤层瓦斯量剧增问题。流动通道可用高强度PE胶管建立，在矿井中设置以胶管为主体的人工预留通道，让瓦斯通过高强胶管进行流动，可使得抽采作业时即使钻孔不通，瓦斯依然能正常流动，不会出现因为低透气性而造成瓦斯集聚，从而实现高突煤层的瓦斯连续抽采作业[3]。

4 瓦斯抽采技术方案的实施

4.1 抽采准备

A煤井钻孔所用钻头直径为113 mm，扩孔所用钻头直径为260 mm，每个抽采评价单元按照60 m间隔布置，一个抽采评价单位有左、右两排钻孔，每排钻孔个数为10个，每个抽采评价单元的钻孔组数为12组，即A煤井每单元有120个孔。A矿井的钻孔、封孔和联孔所用道具有编织袋、PE胶管和QN水泥、聚氨酯黑白料等，聚氨酯黑料和聚氨酯白料均为5 kg，以1∶1比例配比。聚氨酯用于见矸段两端的封孔作业，中间部分使用水泥注浆填充破碎煤体间的缝隙，注浆方式为带压注浆，使用液压注浆泵进行注浆作业，浆液水灰质量比1∶1，注浆压力>4 MPa。矿井系统的风压需>0.5 MPa，风量要保持稳定，因此使用螺杆空压机进行钻孔排渣，防止孔内的钻屑积聚，降低喷孔事故发生率。见矸段区间和见煤段区间分别使用70 mm的套管护孔和花管护孔，穿层钻孔用蛇形管连接，并用“弹簧卡”固定连接处。使用普通硅酸盐水泥混凝土制作钻孔施工位置的钻机基础，并在规定位置用压板将钻机的4只地脚螺栓固定，拧紧螺母。在瓦斯抽采巷道的壁上掏槽，以4根丝杠对钻机进行稳固，然后借助起吊锚杆和手拉葫芦加固钻机位置，防止钻机歪倒。

4.2 煤层瓦斯预抽方案

A煤井的平均煤层倾角为4°，这种煤层倾斜角度影响到工作面的抽采钻孔位置布置，直接将抽采钻孔布置在A煤井工作面两侧的顺槽布置，煤体中的水份将会影响到工作侧面，减弱煤井的钻孔抽采效果和抽采效率，因此，本煤层提前抽采的钻孔均布置在工作面一侧的巷道。抽采单元布置在运输顺槽，抽采单元间隔60 m，钻孔直径为113 mm，每个钻孔间隔0.6 m，运输顺槽和钻孔间的夹角控制在30°～90°，钻孔的深度控制在60 m～170 m，煤层底板和开孔位置间的间距为1.0 m，工作面煤层和钻孔倾斜角度保持平行状态。以瓦斯抽采巷道顶上距左帮的第一根锚索为起点，敷设一趟Φ355 mm的抽采主管路，管路的距顶间距为300 mm，所有抽采单元从主管路上单独出一趟Φ280 mm的支管路，支管路与主管路采取统一的吊链吊挂方式，挂于瓦斯抽采巷道的两侧帮上，管路的距顶间距为1.5 m。管路之间的接头连接采用快速接头，以两根吊链安装起吊，以绝缘皮包裹吊链和管路的接触处，同时在抽采管路上安设蝶阀、计量装置、放水器和孔板流量计。蝶阀安装间隔为500 m，自动放水器安装间隔为200 m，抽采单元的自动计量装置和自动放水器需要和抽采管路的自动计量装置和自动放水器区分，以独立形式进行安设，自动计量装置和自动放水器负责对抽采系统的流量、浓度、负压和抽采总量等参数进行监测，同时记录检测数据。每个单元有120个钻孔，每个钻孔都需要安装一个孔板，作业人员需以日为单位按时对孔板参数进行人工测定，在工作面回采前按照相关规定对瓦斯抽采巷道的每个抽采单元进行评价。在瓦斯管路铺设完成后，需检查系统气密性，确保压力≥0.2 MPa，且10 min不能有压力降。

4.3 施工工艺

用全液压坑道钻机配合防爆型螺杆空压机进行A煤井的钻孔作业，用金刚石复合片钻头钻进20 m，然后使用液压注浆泵对瓦斯抽采巷道的钻孔以超过煤层瓦斯压力的注浆压力进行全孔带压注浆，同时固定套管和护孔，注浆完成之后等待水泥48 h，确保水泥注浆凝固，再使用金刚石复合片钻头钻进成孔。掘进工作面抽采总混合瓦斯量为2.89 m3/min～4.08 m3/min，平均3.34 m3/min；抽采浓度9.78%～16.56%，平均抽采浓度12.80%；抽采纯瓦斯量0.31 m3/min～0.41 m3/min，平均抽采纯瓦斯量0.36 m3/min，钻孔抽采时间为6.6 h～7.8 h，平均7 h；平均每个单日的循环抽采总瓦斯纯量约76.25 m3～106.54 m3，单日的抽采总纯量90.32 m3。

A矿井抽采区域的内煤层储量有209.8 t，瓦斯含量在7.71 m3/t～11.6 m3/t之间，平均瓦斯含量为8 m3/t，瓦斯抽采的钻孔区域中的煤层瓦斯储量为1 678.4 m3，经过10 d的抽采实验后发现，A矿井每日的抽采总纯量达到90.32 m3/min，抽采瓦斯量占瓦斯储量的5.38%，抽采区域瓦斯含量下降约0.48 m3/t，平均瓦斯含量降低到7.52 m3/t，符合《煤矿瓦斯抽采基本指标》的回采规定标准，这表明，该瓦斯抽采技术方案的钻孔抽采效果较好，A煤井经过该抽采技术的瓦斯抽采作业后，瓦斯抽采量及浓度有较明显的衰减，因此该方案能够有效运用于高突煤层，减少矿井的瓦斯含量，保证作业安全性，提高矿井产量。

5 结语

瓦斯积聚将为煤井掘进带来很大的安全隐患，影响到煤井生产和作业人员的人生安全，以A煤井工作面地质条件作为研究对象，对高瓦斯矿井低透气性煤层的瓦斯涌出情况进行了分析，对该煤层的瓦斯抽采技术方案提出了优化建议，将该高突煤层的煤体瓦斯含量降低到7.65 m3/t以下，这表明该抽采工艺和流程能起到良好的瓦斯抽采效果，增强高瓦斯低透气性松软煤层的抽采钻孔成孔率，避免施工抽采孔喷孔造成的局部瓦斯超限。在高突煤层抽采中能起到良好的安全保障和技术支撑，适宜在煤井作业和瓦斯抽采中推广。