雞西礦區(qū)低透煤層的煤層氣抽采技術(shù)

摘要 雞西礦區(qū)煤炭開采過程中瓦斯涌出量大，煤層滲透率低，嚴(yán)重威脅礦井的正常生產(chǎn)。目前礦區(qū)為治理瓦斯，加大煤層氣抽采，采用低透氣性煤層的高位巷道抽采、高位鉆場(chǎng)近水平鉆孔、煤層鉆場(chǎng)仰角鉆孔抽采、頂板大直徑水平鉆孔等抽采方法，取得了良好的抽采效果。關(guān)鍵詞 雞西礦區(qū)低透煤層煤層氣抽采礦區(qū)簡(jiǎn)介雞西礦區(qū)位于黑龍江省東南部，面積3375km²，礦區(qū)開采煤層大部分為高瓦斯煤層。70年代采用了本煤層抽采技術(shù)，抽采效果不理想。由于瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重制約了生產(chǎn)能力的發(fā)揮，威脅礦井的安全生產(chǎn)。2004年，礦區(qū)瓦斯總涌出量為257m³／min，礦井平均涌出量為16m³／min，最大涌出量達(dá)112m³／min，回采工作面瓦斯涌出量平均為7.6m³／min，最大達(dá)到了102M³／min。雞西礦區(qū)的煤層透氣性差，滲透率僅為O.0001～0.0004mdc(91年撫順分院)，全公司32個(gè)采煤隊(duì)，開采的工作面50％瓦斯涌出量大于5m³／min。

1.概述

1.1礦區(qū)簡(jiǎn)介

雞西礦區(qū)位于黑龍江省東南部，面積3375km²，礦區(qū)開采煤層大部分為高瓦斯煤層。70年代采用了本煤層抽采技術(shù)，抽采效果不理想。由于瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重制約了生產(chǎn)能力的發(fā)揮，威脅礦井的安全生產(chǎn)。2004年，礦區(qū)瓦斯總涌出量為257m³／min，礦井平均涌出量為16m³／min，最大涌出量達(dá)112m³／min，回采工作面瓦斯涌出量平均為7.6m³／min，最大達(dá)到了102M³／min。雞西礦區(qū)的煤層透氣性差，滲透率僅為O.0001～0.0004mdc(91年撫順分院)，全公司32個(gè)采煤隊(duì)，開采的工作面50％瓦斯涌出量大于5m³／min。

1.2抽采現(xiàn)狀

為吸取6.20瓦斯事故教訓(xùn)，礦區(qū)實(shí)施先抽后采的煤層氣抽采措施。自2002年以來全公司共建煤層氣集中抽采系統(tǒng)5處，抽采能力為998 M³／min，新建的抽采系統(tǒng)分別位于城子河礦、東山公司、東海礦、平崗礦、杏花礦，各礦的抽采能力分別為220m³／min、11OM³／min、200M³／min、234m³／min、234m³／min。共建有移動(dòng)式局部抽采泵46臺(tái)(23套)。

雞西礦區(qū)在抽采工藝上也已摸索出了較適合低透氣性煤層的高位巷道抽采、高位鉆場(chǎng)近水平鉆孔、煤層鉆場(chǎng)仰角鉆孔抽采、頂板大直徑水平鉆孔等抽采方法，取得了良好的抽采效果。由煤層氣抽采代替了過去高瓦斯工作面只能依靠風(fēng)排和尾排這樣落后且不安全的瓦斯治理手段，基本消除了尾排巷處理瓦斯的方法，3年來已安全地采出了28個(gè)高瓦斯采煤工作面。

2002年礦區(qū)煤層氣抽采量為69萬(wàn)M³／年，2003年抽采量為586萬(wàn)M³／年，2004年抽采量為1665萬(wàn)m³／年，2005年預(yù)計(jì)礦區(qū)煤層氣抽采量可達(dá)到5000萬(wàn)m³／年以上，礦井瓦斯抽采率由2002年的6.5％上升到2003年的11.29％，2004年抽采率最高的礦井煤層氣抽采率可達(dá)35.5％，其中采面抽采率最高達(dá)到68.6％。雞西礦區(qū)共有9個(gè)礦先后建立了局部抽采系統(tǒng)，占礦區(qū)礦井總數(shù)的75％。由于煤層氣抽采工作的不斷強(qiáng)化，礦井的生產(chǎn)能力得到了解放，雞西礦區(qū)煤炭生產(chǎn)總量每年以100萬(wàn)噸以上遞增，2003年960萬(wàn)噸，2004年為1050萬(wàn)噸，2005年預(yù)計(jì)1150萬(wàn)噸，杜絕了瓦斯煤塵事故。

2.抽采技術(shù)

根據(jù)采礦理論：工作面回采后，煤層頂板呈現(xiàn)三帶，即垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。對(duì)于低透氣煤層采用本層抽采效果差，可以利用裂隙帶抽采臨近層及老空區(qū)瓦斯，也可以掘進(jìn)工作面開鑿后產(chǎn)生松動(dòng)圈進(jìn)行邊掘邊抽。

雞西礦區(qū)主要利用頂板高位巷道、煤層鈷場(chǎng)仰角鉆孔、巖石鉆場(chǎng)高位鉆孔、高位鉆場(chǎng)近水平鉆孔和近水平大直徑鉆孔等抽采頂板裂隙帶高濃度瓦斯及綜合抽采。根據(jù)松動(dòng)圈原理利用本煤層巷幫鉆孔對(duì)巷道進(jìn)行抽采。

2.1頂板高位巷道及煤層鉆場(chǎng)仰角鉆孔布置

城子河礦西二采區(qū)3^#B層的145采煤工作面瓦斯涌出量高達(dá)102m³/min.，該采煤工作面走向長(zhǎng)為800米，工作面長(zhǎng)為220米，采高3.3米，可采儲(chǔ)量為74萬(wàn)噸，月產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)了12萬(wàn)噸：與上一個(gè)工作面相比，瓦斯涌出量?jī)H50m³／min，月產(chǎn)僅達(dá)到6萬(wàn)噸。在如此高的瓦斯涌出量條件下實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)的關(guān)鍵在于瓦斯的綜合治理到位，通達(dá)145工作面生產(chǎn)實(shí)際，總結(jié)了適合低透氣煤層的瓦斯治理方法，為今后的瓦斯治理工作提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。如圖2、3所示，在距3#B煤層頂板36-38米沿4#層、距回風(fēng)巷30m處掘送一條瓦斯抽放巷；在采煤工作面回風(fēng)巷內(nèi)施工仰角∮94mm鉆孔：長(zhǎng)100-120m，鉆場(chǎng)間距80米，每個(gè)鉆場(chǎng)8-10個(gè)孔，終孔位置距開采煤層24-26米。實(shí)際觀測(cè)高抽巷抽放純量可達(dá)72米³／min，占70％，鉆孔抽放為24米³／min，占23.5％，風(fēng)排6m³／min，只6.5％?；仫L(fēng)瓦斯?jié)舛?.6％。

2.2高位鉆場(chǎng)近水平鉆孔應(yīng)用

東一采區(qū)23#煤層其厚度為1.9m，煤層傾角8°～12°。其上覆巖層的直接頂為1.3m的細(xì)砂巖、粉砂巖；老項(xiàng)為細(xì)砂巖、中砂巖、粉砂巖，厚度6m，老頂上方為O.3m厚的泥頁(yè)巖，泥頁(yè)巖上方為O.58m厚的22#煤層。

23#層右六工作面走向長(zhǎng)度11OOm，傾斜長(zhǎng)度160m，可采儲(chǔ)量50萬(wàn)噸。工作面瓦斯絕對(duì)涌出量14m³／Min.，相對(duì)涌出量8.2m³/t，工作面配風(fēng)11O0m³/min。沿工作面傾斜方向的上方為23#層右五采空區(qū)，工作面的回風(fēng)巷右五付巷距右五巷只有3m的煤柱。鉆場(chǎng)間距80-100米，距煤層高度15-18米，孔徑94毫米，鉆孔長(zhǎng)度為100-120米。如圖4所示，由于23#層頂板11米處有-0.58米的煤層和泥巖，仰角鉆孔經(jīng)過反孔；采用在采煤工作面回風(fēng)巷下幫向煤層頂板掘送巖石上山，長(zhǎng)度為20米，傾角30度，鉆場(chǎng)間距100米；在上山中施工鉆場(chǎng)，施工近水平鉆孔。實(shí)際生產(chǎn)中抽放量達(dá)27米³／Min.抽放率為68％。

23#層左八工作面走向長(zhǎng)度400m，傾斜長(zhǎng)度160m，可采儲(chǔ)量19萬(wàn)噸。工作面瓦斯絕對(duì)涌出量13.6m³／min，相對(duì)涌出量7.8M³／t，采取下行風(fēng)，工作面配風(fēng)800m³／min。

沿工作面傾斜方向的上方為23#層左七采空區(qū)，工作面的回風(fēng)巷兼運(yùn)輸巷與左七巷之間只有4m煤柱。見下圖。如圖5所示，亦采用高位鉆場(chǎng)，施工孔徑200毫米的大孔徑鉆孔，孔長(zhǎng)200-220米，鉆場(chǎng)間距為180-200米，每個(gè)鉆場(chǎng)施工4個(gè)孔。實(shí)際抽放量為28米³／min，抽率為70％。

2.3掘進(jìn)工作面邊抽邊掘

利用松動(dòng)圈原理，對(duì)掘進(jìn)巷幫進(jìn)行抽采減少巷幫涌出瓦斯到回風(fēng)中，避免掘進(jìn)工作面回風(fēng)超限。如圖6所示，沿掘進(jìn)巷道的兩幫，每隔20米兩幫交替施工鉆場(chǎng)，用德國(guó)產(chǎn)風(fēng)煤鉆施工∮74mm的鉆孔，鉆孔沿巷幫布置，每個(gè)鉆場(chǎng)3-4個(gè)，終孔距巷幫2-4米，百孔抽放量為2.4M³／min，有效地解決了回風(fēng)超限問題。

2.4高位鉆場(chǎng)大直徑近水平鉆孔

如圖7所示，城子礦由于接續(xù)緊張，高抽巷差300米工程，采用大直徑鉆孔補(bǔ)抽，在采區(qū)回風(fēng)巷內(nèi)直接向回采工作面頂板施工4個(gè)∮200MM孔徑的鉆孔，長(zhǎng)300米，終孔距煤層30M，實(shí)際抽量為40M³／min，保證了生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

3.幾種抽采方法的對(duì)比

3.1頂板瓦斯巷抽采

頂板高位瓦斯巷是抽采瓦斯的一種最有效的方法，這種方法抽采效率高、抽采能力大、效果好；缺點(diǎn)：工程量大，工期長(zhǎng)、投入大。

3.2煤層鉆場(chǎng)仰角鉆孔抽采

煤層鉆場(chǎng)仰角鉆孔抽采的鉆場(chǎng)沿煤層施工，方便、簡(jiǎn)單，減少掘進(jìn)工程量：便于人員行走及運(yùn)送鉆機(jī)；瓦斯有異常變化時(shí)，補(bǔ)孔快，便于采取補(bǔ)救措施。這種技術(shù)的缺點(diǎn)是：鉆場(chǎng)位置固定在上巷，鉆孔仰角及與上巷夾角增大，導(dǎo)致鉆孔的有效利用長(zhǎng)度受到限制，所以鉆場(chǎng)間距及鉆孔長(zhǎng)度受到限制，不利于大功率鉆機(jī)、長(zhǎng)距離鉆孔的推廣應(yīng)用。將導(dǎo)致頻繁挪鉆機(jī)，頻繁給仰角、方位，頻繁開孔封孔，工程量增大，材料浪費(fèi)；在煤層中開孔，不利于鉆孔封閉。如果上一片盤為采空區(qū)，受上片盤采動(dòng)影響回風(fēng)巷巖裂隙發(fā)育，鉆孔的封孔長(zhǎng)度難以確定；對(duì)煤層頂板內(nèi)含泥巖或軟巖層的工作面，鉆孔及封孔技術(shù)難度更大：施工鉆孔時(shí)，對(duì)采煤工作面的正常生產(chǎn)會(huì)造成一定的影響。

3.3高位鉆場(chǎng)近水平鉆孔抽采

技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：由于鉆場(chǎng)抬高了開孔位置，也縮短了開孔點(diǎn)與進(jìn)風(fēng)巷道的距離，從而使鉆孔的傾角和與上巷夾角減小，這增加了鉆孔的有效利用長(zhǎng)度，提高了鉆孔利用率；可根據(jù)鉆機(jī)性能及頂板巖性情況和巷道狀況，合理地選擇鉆場(chǎng)間距及鉆孔長(zhǎng)度。在巖層內(nèi)開孔，并且能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，避開因上一片盤采動(dòng)影響而形成的裂隙帶，有利于鉆孔的封閉：鉆場(chǎng)深入工作面內(nèi)，有利于增加鉆孔控制工作的范圍：對(duì)于頂板含有泥頁(yè)巖的區(qū)域，鉆場(chǎng)可越過防止泥頁(yè)巖遇水膨脹而堵塞鉆孔，利于鉆孔、施工、封孔和抽采：在回采過程中施工鉆孔時(shí)，不會(huì)對(duì)采煤工作面回風(fēng)及運(yùn)輸造成影響。

技術(shù)的不足是：高位鉆場(chǎng)一般都采取大坡度施工(30度以上)，不利于鉆機(jī)的運(yùn)輸及人員行走。增加了巖石工程量，掘進(jìn)施工比較困難。鉆場(chǎng)深度超過擴(kuò)散通風(fēng)的有效范圍，同時(shí)鉆場(chǎng)施工完以后，需及時(shí)封閉，增加了局部通風(fēng)工作量。當(dāng)采煤工作面超前壓力波及到高位鉆場(chǎng)時(shí)，需加大鉆場(chǎng)內(nèi)的支護(hù)。當(dāng)工作面推過高位鉆場(chǎng)時(shí)，也給上口支護(hù)造成一定的難度。

3.4需要進(jìn)一步研究和解決的問題

盡管目前雞西礦區(qū)現(xiàn)有的抽采效果很好，但還只是邊采(掘)邊抽，沒有做到先抽后采，預(yù)抽技術(shù)在低透氣煤層還沒有成形的技術(shù)；煤層氣抽采的參數(shù)僅憑實(shí)踐來摸索，缺乏理論指導(dǎo)和模型；煤層氣抽采量不夠穩(wěn)定，影響因素難以確定；軟巖和煤層反孔的問題還不能得到徹底解決。今后雞西礦區(qū)還應(yīng)該在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高鉆孔的利用率，加大大功率鉆機(jī)的使用，利用大直徑、長(zhǎng)鉆孔促進(jìn)抽采工作，進(jìn)一步解決上述問題，加強(qiáng)煤層氣利用，減少溫室氣體的排放，確保煤礦安全。

裴明順(1962.10 )84年畢業(yè)于黑龍江礦業(yè)學(xué)院采礦系，采礦高級(jí)工程師，現(xiàn)任黑龍江雞西礦業(yè)集團(tuán)公司副總工程師、通風(fēng)部長(zhǎng)。 所在單位:黑龍江雞西礦業(yè)集團(tuán)公司