李亞鐵

(山煤集團(tuán)霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046600)

瓦斯是大部分煤層都存在的氣體，其含量多少取決于煤層的透氣性，一般而言，煤層地質(zhì)、透氣性差的煤層瓦斯含量較高，屬于高瓦斯煤層，這類煤層通常發(fā)生過瓦斯突出事件，所有又叫高突煤層。這類煤層由于低透氣性的緣故，導(dǎo)致煤層內(nèi)部的瓦斯沒法通過隙通道流出，因此會(huì)大量積聚，當(dāng)開采工作逐漸深入時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)大量瓦斯涌出的現(xiàn)象，并有極高概率引發(fā)瓦斯爆炸之類的事故問題，對(duì)礦業(yè)公司造成人身財(cái)產(chǎn)損失[1]。為解決低透氣性煤層瓦斯含量高的問題，工作人員會(huì)對(duì)礦井進(jìn)行瓦斯抽采作業(yè)，但因?yàn)楦咄幻簩拥慕Y(jié)構(gòu)狀態(tài)特殊，抽采作業(yè)往往成效不大，為解決這一問題，需要對(duì)高突煤層的瓦斯抽采技術(shù)進(jìn)行研究與革新，制定更有效的技術(shù)方案，從而保護(hù)工作人員進(jìn)行礦道作業(yè)時(shí)的人身安全。

1 工程背景

A煤井是我國山西地區(qū)的一座高瓦斯礦井，主采3#煤層，煤層埋深約為340 m，煤層厚度3.98 m～6.94 m，平均厚度4.78 m，煤層傾角平均為4°，采煤工作面的每日回采煤量在7 000 t～8 000 t，煤層瓦斯含量在7.71 m3/t～11.6 m3/t，平均瓦斯含量為8 m3/t，平均瓦斯壓力為0.14 MPa，煤層孔隙率為2.13%～3.04%，透氣性系數(shù)為0.087 4 m2/(MPa2·d)～0.182 1 m2/(MPa2·d)，瓦斯放散初速度Δp為1.3 kPa～2.1 kPa，煤層的瓦斯涌出衰減系數(shù)為0.042 d-1。該煤層的煤質(zhì)松軟程度較高，透氣性不佳，按照《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》規(guī)定，該礦井工作面在回采前，煤層的煤體瓦斯含量需<7.65 m3/t。

2 高突煤層的抽采難點(diǎn)

A煤井屬于高突松軟煤層，它的煤體結(jié)構(gòu)和一般煤層有很大不同，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度比一般煤層更低，在進(jìn)行瓦斯抽采作業(yè)時(shí)，非常容易發(fā)生卡鉆和抱鉆問題，作業(yè)人員無法將鉆孔深度達(dá)到事先預(yù)計(jì)深度，造成A煤井的瓦斯抽采深度大幅度縮減，加上煤層的透氣性差，瓦斯涌出衰減比一般煤層更大，造成了煤層的瓦斯賦存不均衡，鉆孔深孔施工的定位極其困難，而抽采的鉆孔布置也難以做到均勻有序，在抽采過程中出現(xiàn)了大量的無鉆孔空白區(qū)域和局部鉆孔密集區(qū)域，空白區(qū)域由于沒有及時(shí)鉆孔抽采，導(dǎo)致瓦斯量增多，當(dāng)掘進(jìn)生產(chǎn)時(shí)，必然會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)瓦斯?jié)舛瘸?、瓦斯巨量涌出的安全問題。且由于煤層的煤質(zhì)過于松軟，鉆孔作業(yè)如果產(chǎn)生的震動(dòng)過于激烈，有很大概率致使鉆孔周圍的煤層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)改變，嚴(yán)重情況可能發(fā)生煤層斷裂變形，使得鉆孔徑向閉合，抽采工作無法推進(jìn)。

3 增強(qiáng)抽采效果的技術(shù)方案

3.1 封孔技術(shù)方案

A煤井的封孔方案采用封堵兩端、中間注漿的“兩堵一注”式順層鉆孔封孔，在進(jìn)行施工作業(yè)時(shí)，灌注的水泥漿液會(huì)在壓力作用下對(duì)煤層中破碎煤體間的縫隙進(jìn)行填充，借助煤層煤體凹凸的表面和孔隙，水泥漿液能迅速擴(kuò)散到鉆孔縫隙當(dāng)中，在漿液凝固后鉆孔和封孔材料就不會(huì)出現(xiàn)裂隙問題，而經(jīng)過填充作業(yè)后，煤體的整體性能得到有效復(fù)原。這樣才進(jìn)行施工作業(yè)時(shí)，施工人員所打出鉆孔便能得到良好支撐和保護(hù)，確保掘進(jìn)作業(yè)時(shí)礦井的鉆孔有足夠的穩(wěn)定性，以避免瓦斯抽采作業(yè)后期造成煤層間出現(xiàn)裂隙通道，對(duì)施工作業(yè)造成影響[2]。

3.2 預(yù)留瓦斯通道

A煤井因?yàn)槊簩咏Y(jié)構(gòu)的松軟性，其強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一般煤層，煤層結(jié)構(gòu)容易因鉆孔作業(yè)的振動(dòng)發(fā)生改變，產(chǎn)生垮塌現(xiàn)象，導(dǎo)致事故問題。故而在抽采過程中必須要為抽采空間預(yù)留通道，避免在煤層鉆孔成孔后出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，導(dǎo)致煤層的瓦斯流動(dòng)空間被阻塞，出現(xiàn)煤層瓦斯量劇增問題。流動(dòng)通道可用高強(qiáng)度PE膠管建立，在礦井中設(shè)置以膠管為主體的人工預(yù)留通道，讓瓦斯通過高強(qiáng)膠管進(jìn)行流動(dòng)，可使得抽采作業(yè)時(shí)即使鉆孔不通，瓦斯依然能正常流動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)因?yàn)榈屯笟庑远斐赏咚辜郏瑥亩鴮?shí)現(xiàn)高突煤層的瓦斯連續(xù)抽采作業(yè)[3]。

4 瓦斯抽采技術(shù)方案的實(shí)施

4.1 抽采準(zhǔn)備

A煤井鉆孔所用鉆頭直徑為113 mm，擴(kuò)孔所用鉆頭直徑為260 mm，每個(gè)抽采評(píng)價(jià)單元按照60 m間隔布置，一個(gè)抽采評(píng)價(jià)單位有左、右兩排鉆孔，每排鉆孔個(gè)數(shù)為10個(gè)，每個(gè)抽采評(píng)價(jià)單元的鉆孔組數(shù)為12組，即A煤井每單元有120個(gè)孔。A礦井的鉆孔、封孔和聯(lián)孔所用道具有編織袋、PE膠管和QN水泥、聚氨酯黑白料等，聚氨酯黑料和聚氨酯白料均為5 kg，以1∶1比例配比。聚氨酯用于見矸段兩端的封孔作業(yè)，中間部分使用水泥注漿填充破碎煤體間的縫隙，注漿方式為帶壓注漿，使用液壓注漿泵進(jìn)行注漿作業(yè)，漿液水灰質(zhì)量比1∶1，注漿壓力>4 MPa。礦井系統(tǒng)的風(fēng)壓需>0.5 MPa，風(fēng)量要保持穩(wěn)定，因此使用螺桿空壓機(jī)進(jìn)行鉆孔排渣，防止孔內(nèi)的鉆屑積聚，降低噴孔事故發(fā)生率。見矸段區(qū)間和見煤段區(qū)間分別使用70 mm的套管護(hù)孔和花管護(hù)孔，穿層鉆孔用蛇形管連接，并用“彈簧卡”固定連接處。使用普通硅酸鹽水泥混凝土制作鉆孔施工位置的鉆機(jī)基礎(chǔ)，并在規(guī)定位置用壓板將鉆機(jī)的4只地腳螺栓固定，擰緊螺母。在瓦斯抽采巷道的壁上掏槽，以4根絲杠對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行穩(wěn)固，然后借助起吊錨桿和手拉葫蘆加固鉆機(jī)位置，防止鉆機(jī)歪倒。

4.2 煤層瓦斯預(yù)抽方案

A煤井的平均煤層傾角為4°，這種煤層傾斜角度影響到工作面的抽采鉆孔位置布置，直接將抽采鉆孔布置在A煤井工作面兩側(cè)的順槽布置，煤體中的水份將會(huì)影響到工作側(cè)面，減弱煤井的鉆孔抽采效果和抽采效率，因此，本煤層提前抽采的鉆孔均布置在工作面一側(cè)的巷道。抽采單元布置在運(yùn)輸順槽，抽采單元間隔60 m，鉆孔直徑為113 mm，每個(gè)鉆孔間隔0.6 m，運(yùn)輸順槽和鉆孔間的夾角控制在30°～90°，鉆孔的深度控制在60 m～170 m，煤層底板和開孔位置間的間距為1.0 m，工作面煤層和鉆孔傾斜角度保持平行狀態(tài)。以瓦斯抽采巷道頂上距左幫的第一根錨索為起點(diǎn)，敷設(shè)一趟Φ355 mm的抽采主管路，管路的距頂間距為300 mm，所有抽采單元從主管路上單獨(dú)出一趟Φ280 mm的支管路，支管路與主管路采取統(tǒng)一的吊鏈吊掛方式，掛于瓦斯抽采巷道的兩側(cè)幫上，管路的距頂間距為1.5 m。管路之間的接頭連接采用快速接頭，以兩根吊鏈安裝起吊，以絕緣皮包裹吊鏈和管路的接觸處，同時(shí)在抽采管路上安設(shè)蝶閥、計(jì)量裝置、放水器和孔板流量計(jì)。蝶閥安裝間隔為500 m，自動(dòng)放水器安裝間隔為200 m，抽采單元的自動(dòng)計(jì)量裝置和自動(dòng)放水器需要和抽采管路的自動(dòng)計(jì)量裝置和自動(dòng)放水器區(qū)分，以獨(dú)立形式進(jìn)行安設(shè)，自動(dòng)計(jì)量裝置和自動(dòng)放水器負(fù)責(zé)對(duì)抽采系統(tǒng)的流量、濃度、負(fù)壓和抽采總量等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)記錄檢測(cè)數(shù)據(jù)。每個(gè)單元有120個(gè)鉆孔，每個(gè)鉆孔都需要安裝一個(gè)孔板，作業(yè)人員需以日為單位按時(shí)對(duì)孔板參數(shù)進(jìn)行人工測(cè)定，在工作面回采前按照相關(guān)規(guī)定對(duì)瓦斯抽采巷道的每個(gè)抽采單元進(jìn)行評(píng)價(jià)。在瓦斯管路鋪設(shè)完成后，需檢查系統(tǒng)氣密性，確保壓力≥0.2 MPa，且10 min不能有壓力降。

4.3 施工工藝

用全液壓坑道鉆機(jī)配合防爆型螺桿空壓機(jī)進(jìn)行A煤井的鉆孔作業(yè)，用金剛石復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)20 m，然后使用液壓注漿泵對(duì)瓦斯抽采巷道的鉆孔以超過煤層瓦斯壓力的注漿壓力進(jìn)行全孔帶壓注漿，同時(shí)固定套管和護(hù)孔，注漿完成之后等待水泥48 h，確保水泥注漿凝固，再使用金剛石復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)成孔。掘進(jìn)工作面抽采總混合瓦斯量為2.89 m3/min～4.08 m3/min，平均3.34 m3/min；抽采濃度9.78%～16.56%，平均抽采濃度12.80%；抽采純瓦斯量0.31 m3/min～0.41 m3/min，平均抽采純瓦斯量0.36 m3/min，鉆孔抽采時(shí)間為6.6 h～7.8 h，平均7 h；平均每個(gè)單日的循環(huán)抽采總瓦斯純量約76.25 m3～106.54 m3，單日的抽采總純量90.32 m3。

A礦井抽采區(qū)域的內(nèi)煤層儲(chǔ)量有209.8 t，瓦斯含量在7.71 m3/t～11.6 m3/t之間，平均瓦斯含量為8 m3/t，瓦斯抽采的鉆孔區(qū)域中的煤層瓦斯儲(chǔ)量為1 678.4 m3，經(jīng)過10 d的抽采實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，A礦井每日的抽采總純量達(dá)到90.32 m3/min，抽采瓦斯量占瓦斯儲(chǔ)量的5.38%，抽采區(qū)域瓦斯含量下降約0.48 m3/t，平均瓦斯含量降低到7.52 m3/t，符合《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》的回采規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，這表明，該瓦斯抽采技術(shù)方案的鉆孔抽采效果較好，A煤井經(jīng)過該抽采技術(shù)的瓦斯抽采作業(yè)后，瓦斯抽采量及濃度有較明顯的衰減，因此該方案能夠有效運(yùn)用于高突煤層，減少礦井的瓦斯含量，保證作業(yè)安全性，提高礦井產(chǎn)量。

5 結(jié)語

瓦斯積聚將為煤井掘進(jìn)帶來很大的安全隱患，影響到煤井生產(chǎn)和作業(yè)人員的人生安全，以A煤井工作面地質(zhì)條件作為研究對(duì)象，對(duì)高瓦斯礦井低透氣性煤層的瓦斯涌出情況進(jìn)行了分析，對(duì)該煤層的瓦斯抽采技術(shù)方案提出了優(yōu)化建議，將該高突煤層的煤體瓦斯含量降低到7.65 m3/t以下，這表明該抽采工藝和流程能起到良好的瓦斯抽采效果，增強(qiáng)高瓦斯低透氣性松軟煤層的抽采鉆孔成孔率，避免施工抽采孔噴孔造成的局部瓦斯超限。在高突煤層抽采中能起到良好的安全保障和技術(shù)支撐，適宜在煤井作業(yè)和瓦斯抽采中推廣。