長期穩(wěn)定高效抽放礦井煤層氣的措施

丁學(xué)平〔1〕中梁山礦務(wù)局，工程師，630052四川重慶市九龍坡區(qū)中梁山田壩二村摘 要 中梁山礦務(wù)局主要采用了多鉆孔預(yù)抽低透氣性煤層的瓦斯，同時還采取擴大采空區(qū)、鄰近層和圍巖的瓦斯抽放范圍和綜合瓦斯抽放措施。因此，實現(xiàn)了長期穩(wěn)定高效抽放礦井瓦斯，確保了安全生產(chǎn)，并為礦區(qū)居民提供新的能源。

    1 概述 中梁山礦務(wù)局是全國煤炭系統(tǒng)重點煤與瓦斯突出礦區(qū)，煤層氣儲量在-20m以上，有2044億m3，至1995年底可抽儲量為18億m3；-20m水平至-400m水平煤層氣儲量為150億m3。抽放礦井瓦斯始于1960年，至今已抽出煤層氣量6億m3以上。從1970年起全面推行預(yù)先抽放低透氣性煤層瓦斯技術(shù)。瓦斯抽放率逐步提高，現(xiàn)已達48%左右。近年來通過發(fā)展抽放技術(shù)和完善抽放工藝，推行密集網(wǎng)格式布孔和采空區(qū)瓦斯抽放新技術(shù)，進一步完善了瓦斯抽放措施，瓦斯抽放量穩(wěn)定在2000萬m3以上，實現(xiàn)了長期穩(wěn)定高效抽放礦井瓦斯。

    2 礦井概況及煤層氣賦存特征

    中梁山煤田為一準(zhǔn)對稱的覆舟狀背斜構(gòu)造，分南、北兩個井田開采，核定煤炭年產(chǎn)量80萬t，實際年產(chǎn)量約60萬t。煤系地層(二迭系龍?zhí)督M)厚約123m，平均傾角約68°，十層煤中有八層開采，煤層平均總厚96m，除K2（保護層)外，其余均為突出煤層，煤田內(nèi)斷層、褶曲構(gòu)造多而復(fù)雜，加上嚴(yán)重的瓦斯災(zāi)害，礦井開采和安全生產(chǎn)困難很大。

    煤系地層覆蓋(灰?guī)r，泥巖)厚度大，透氣性極小，滲透率為0007～00148md，背斜軸部未受到強烈侵蝕，煤層無露頭與地表相通，瓦斯從煤系向地表運移困難，構(gòu)成了保存瓦斯的條件；本煤田大都是逆掩斷層，處于斷層帶附近的煤體由于受到斷層的阻礙，構(gòu)成了瓦斯儲存的封閉地帶，開采接近這些地段，常常涌出大量瓦斯，極易發(fā)生煤與瓦斯突出。

    本煤田煤系底部為茅口石巖，溶洞裂隙發(fā)育，在溶洞裂隙內(nèi)儲集有大量瓦斯，經(jīng)生產(chǎn)統(tǒng)計表明，溶洞裂隙瓦斯涌出量約占礦井瓦斯涌出量的20%。1960年在南礦+390m水平掘穿1號溶洞，噴出瓦斯25萬m3，造成礦井一翼停產(chǎn)，爾后開始進行礦井瓦斯抽放(抽放溶洞瓦斯)，該溶洞涌出和抽出的瓦斯總量達6000萬m

    3。 中梁山煤田采空區(qū)瓦斯極為豐富。主要來源有兩個：一是復(fù)雜的地質(zhì)條件造成礦井回采率低，大量殘留煤留在采空區(qū)，集存有豐富的殘存瓦斯；二是來自圍巖及鄰近層的瓦斯，為采空區(qū)瓦斯主要來源。

    根據(jù)本煤田瓦斯賦存特點，把預(yù)抽瓦斯與擴大采空區(qū)瓦斯抽放相結(jié)合，有利于提高礦井瓦斯抽放率。

    3 提高礦井瓦斯抽放率的措施 中梁山礦務(wù)局提高礦井瓦斯抽放率的主要措施有：

    (1)將抽放礦井瓦斯納入礦井開采程序，保持掘、抽、采平衡 礦井瓦斯抽放不僅需要掘進巷道，開鑿鉆場、打鉆、封孔等工程，若預(yù)抽低透氣性煤層瓦斯，還必須保證有足夠的預(yù)抽時間，才能實現(xiàn)掘、抽、采平衡。因此，必須把瓦斯抽放納入礦井開采程序。 中梁山礦務(wù)局從抽溶洞裂隙瓦斯到抽鄰近層瓦斯，歷時10年，始終未能解決保護層開采時瓦斯大量涌出帶來的安全生產(chǎn)難題。70年代初，采取了大面積預(yù)抽煤層瓦斯，提高抽放負(fù)壓，延長鉆孔服務(wù)時間等方法，使礦井瓦斯抽放量有了很大提高，基本保證了保護層正常開采。同時，在采掘布署上也作了重大調(diào)整，采用大后退式回采，提前數(shù)年開拓集中運輸巷和瓦斯抽放巷，預(yù)抽1～5年后再開采保護層。其次，把瓦斯抽放巷道由K7改在茅口灰?guī)r中，由于抽放巷道圍巖致密，且不受采動影響，提高了封孔質(zhì)量，使鉆孔在較高抽放負(fù)壓下不漏氣。中梁山煤田透氣性低，煤層多，層間距小，圍巖富集瓦斯，許多鉆孔預(yù)抽期長達10年，抽出瓦斯量較穩(wěn)定，衰減不明顯。我局調(diào)整后的開拓、采煤布置方式能與抽放瓦斯相適應(yīng)，保證有足夠的時間預(yù)抽瓦斯，從而實現(xiàn)了掘、抽、采平衡。

    (2)合理延長鉆孔服務(wù)時間 我局以K2作保護層，上鄰近層(K1)是本煤田最厚的一層煤，平均厚25m，煤與瓦斯突出也最嚴(yán)重，K1與K2相距僅5～7m，下鄰近層K3與K2相距4m，開采K2時，鄰近層的瓦斯大量涌入保護層，這時鉆孔預(yù)抽瓦斯結(jié)束，即轉(zhuǎn)入抽卸壓瓦斯的最佳時期，此時單孔抽放量最高可達1m3/min，但最佳抽放期只有3～5個月，保護層采過鉆孔150m之后，卸壓瓦斯便急劇下降，但抽出量仍比預(yù)抽量大，對這樣的鉆孔安裝可調(diào)開關(guān)，加強檢查，及時調(diào)整抽放負(fù)壓和抽放瓦斯?jié)舛龋沙橹撩合蹈髅簩娱_采結(jié)束。瓦斯抽放鉆孔從投入預(yù)抽到各煤層開采結(jié)束止，服務(wù)期最長達10年，單孔總抽出量最高達25萬m3以上。

    (3)推行網(wǎng)格式密集布孔，發(fā)展預(yù)抽技術(shù) 中梁山煤層透氣性低，其系數(shù)為00028～00059md。在低透氣性煤層中，鉆孔抽出的瓦斯只能限于有限的范圍內(nèi)，要選擇最佳預(yù)抽期，必須確定合理的鉆孔間距。根據(jù)我局實測，經(jīng)過預(yù)抽后，鉆孔周圍即有卸壓效應(yīng)產(chǎn)生，如果兩鉆孔之間卸壓帶重迭，則透氣性將會得到改善，這將有利于抽放，現(xiàn)我局抽放瓦斯鉆孔間距為5～8m，預(yù)抽一年影響半徑504m，預(yù)抽一年左右即可出現(xiàn)上述現(xiàn)象，預(yù)抽量在3年內(nèi)無明顯下降，合理預(yù)抽期為3年，3年以后乃至更長時間仍然可抽，預(yù)抽量隨時間延長緩慢衰減。由于中梁山煤田的特定環(huán)境及瓦斯賦存特征，衰減的速度極慢，增加鉆孔密度可提高礦井瓦斯抽出量。在礦井開采強度大幅度降低的情況下，我局瓦斯抽放量仍保持在2000萬m3/a以上，礦井瓦斯抽放率逐年提高，現(xiàn)為48%。

    (4)發(fā)展采空區(qū)抽放技術(shù) 我局于1960年在南礦+500m水平5311采區(qū)進行過采空區(qū)瓦斯抽放，由于瓦斯?jié)舛容^低，K1是發(fā)火煤層，抽放技術(shù)和裝備都極其落后，試抽不久即終止。80年代初期我局全面推行下行通風(fēng)，長期觀測表明，采用下行通風(fēng)后，回采工作面采空區(qū)瓦斯?jié)舛缺壬闲型L(fēng)高、瓦斯集中分布于采空區(qū)的后上方。如南礦2312采區(qū)，采用上行通風(fēng)，絕對瓦斯涌出量6m3/min，其中煤壁涌出瓦斯275m3/min，采空區(qū)涌出瓦斯325m3/min，因回風(fēng)瓦斯超限而停產(chǎn)，改為下行通風(fēng)后，絕對瓦斯涌出量下降至24m3/min，采空區(qū)瓦斯全被抑制住，采空區(qū)瓦斯?jié)舛茸罡邥r為80%，非常有利于采空區(qū)瓦斯抽放。隨即，在北礦1321和1322采區(qū)，采用下行通風(fēng)并結(jié)合抽放采空區(qū)瓦斯，用石門密閉插管或由石門向采空區(qū)內(nèi)打鉆孔抽放，鉆孔間距50m，采空區(qū)內(nèi)的瓦斯抽放量平均25m3/min，瓦斯?jié)舛葹?0～65%，采空區(qū)抽放率大于80%。近年來，我局開發(fā)煤層多采用柔性掩護支架，工作面通風(fēng)斷面小，瓦斯超限較頻繁，采用下行通風(fēng)結(jié)合抽放采空區(qū)瓦斯措施后，基本杜絕了采空區(qū)浮煤自燃，提高了礦井瓦斯抽放率。 除此之外，對礦井報廢水平的老采空區(qū)的瓦斯繼續(xù)抽放，我局采空區(qū)瓦斯抽出量達到了120萬m3/a。

    (5)石門預(yù)抽瓦斯后揭煤 我局進入+130m，+140m水平深部開采后，煤與瓦斯突出災(zāi)害更趨嚴(yán)重，尤以石門揭煤為最。為預(yù)防煤與瓦斯突出，多年來，石門揭煤前采用分組分層鉆孔自然排放瓦斯，因煤層透氣性低，需長時間排放，瓦斯壓力才能下降至《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定水平，同時，因為層間距小，測壓孔短路漏氣，分層測壓極不準(zhǔn)確，多次出現(xiàn)瓦斯壓力為“0”，揭煤時卻發(fā)生突出，石門揭煤速度極慢。1981年南礦試驗用鉆孔一次打穿一翼煤層預(yù)抽瓦斯，每個石門布置15個鉆孔，預(yù)抽半年至3年后再依次揭開各煤層(K10～K1)，揭完兩個石門20層煤未發(fā)生突出。之后，全局所有石門都預(yù)抽后揭煤，石門抽放孔由15個增加至30個，預(yù)抽時間半年以上。到目前為止，全局經(jīng)預(yù)抽后揭開石門80余個，總計800余層煤，僅發(fā)生三次突出(兩次因預(yù)抽時間不夠，一次預(yù)抽鉆孔分布不均)，石門抽出瓦斯量累計4500萬m3以上。

    (6)完善綜合抽放瓦斯方法，推行沿層鉆孔抽放瓦斯

    1978年，我局在南礦2453采區(qū)沿K5和K1煤層打預(yù)抽瓦斯鉆孔30余個，孔深50～90m，單孔抽出瓦斯量最高為1m3/min，當(dāng)時只能用水泥封孔，封孔深度達不到要求，抽放15～30天后孔口嚴(yán)重漏氣，不能繼續(xù)抽放。但試驗結(jié)果表明，只要封孔材料選用得當(dāng)，加大封孔深度，沿層鉆孔抽放瓦斯效果是非常明顯的，與穿層鉆孔抽放相比較，沿煤層鉆孔速度快，單孔瓦斯抽出量高。目前，我局進入深部水平開采面，保護層K2多次出現(xiàn)動力現(xiàn)象，有的區(qū)域K2煤層因地質(zhì)構(gòu)造影響，開采極困難；我局與日本石炭技術(shù)研究所合作，引進了性能優(yōu)良、沿煤層鉆深孔的鉆機，解決了鉆孔機具和封孔技術(shù)難題，沿層鉆孔抽放瓦斯方法得到進一步完善，提高了礦井瓦斯抽放量，防止了煤與瓦斯突出，礦井實現(xiàn)安全生產(chǎn)。 我局長期實踐證明，在被保護層內(nèi)開展沿層鉆孔抽放瓦斯是防止煤與瓦斯突出的有效措施，是提高礦井瓦斯抽放量的有效措施。

    4 抽放瓦斯的效果和效益

    (1)效果

    中梁山礦務(wù)局歷年通過瓦斯抽放和風(fēng)機排放的純瓦斯量達10億m3以上，平均產(chǎn)出1噸煤炭釋放瓦斯795m3，使生產(chǎn)活動中瓦斯超限現(xiàn)象大為下降。全局絕對瓦斯涌出量平均由最高的1960年5016萬m3降到最低的1976年2440萬m3，相對瓦斯涌出量南礦由最高的1963年1028m3/t降低到1975年的2542m3/t，北礦由最高的1963年35327m3/t降低到最低的1979年321m3/t，1961年以來避免了瓦斯爆炸死亡事故；1983年以來避免了煤與瓦斯突出死亡事故；南礦自1982年2以來，北礦自1987年8月以來沒有發(fā)生煤與瓦斯突出事故，實現(xiàn)了安全生產(chǎn)，并且交瓦斯變害為利，開辟出新能源，造福人類。

    (2)效益

    礦井瓦斯的長期、穩(wěn)定、高效抽放，給瓦斯利用創(chuàng)造了良好條件。目前，中梁山礦務(wù)局抽放的瓦斯已供應(yīng)23000余戶居民作為燃料，創(chuàng)造了良好的社會經(jīng)濟綜合效益。

    年利用瓦期2000萬m3以上，全抽全用，節(jié)煤量折合標(biāo)煤605萬t，節(jié)煤效益按市價折算達800萬元以上。

    保護了環(huán)境，大大減少了大氣污染。一方面礦井瓦斯對空排放量大大降低，減少了大氣污染；另一方面部分居民不再燃煤，大大減少了SO2、CO2等有害氣體對環(huán)境的污染，大大減少了引火木柴的使用量和灰渣的排放量，創(chuàng)造了良好的社會效益，見下表1：

    表1

    中梁山煤田瓦斯利用效益表

    序號 項 目 單 位 效 益

    1節(jié)煤替煤量(標(biāo)煤) t/a 605362 少排SO

    2量 t/a 3955

    3 少排飛灰量 t/a 8470

    4 節(jié)省黃土量 t/a 70595 節(jié)省木材量

    5t/a 3666 少排爐渣量

    6t/a 141167

    7少排CO2量 1萬m3/d 135377