高瓦斯矿井工作面瓦斯综合抽采技术分析_赵萌萌.pdf

煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 1前言 瓦斯是煤矿五大灾害之一，但也是一种清洁能 源， 加以有效利用不仅不会产生灾害， 而且对我国能 源安全起着至关重要的作用， 预抽煤层瓦斯是防治煤 矿瓦斯灾害的根本措施， 保证煤矿工作面安全开采的 重要手段。一般来说， 矿井瓦斯涌出量中有 30来自 于采空区瓦斯涌出， 对于高瓦斯矿井而言， 采空区瓦 斯涌出量则会占全矿井瓦斯涌出量的 40以上， 采 空区瓦斯的治理和抽放需要更加重视。 而对于煤体坚 硬裂隙不贯通， 或者煤体透气性差的煤层， 煤层瓦斯 预抽效果不理想， 瓦斯抽放困难， 需要采取有效的煤 层增透技术措施[1-2]。因此， 本文分析了高瓦斯工作面 煤层瓦斯综合抽采技术， 可为同类矿井提供参考。 2水力压裂增透技术 2.1水力压裂技术原理 水力压裂技术[3-6]是煤矿瓦斯治理中常用的技术 方法， 通过对钻孔在煤层中注入高压水， 既可以使煤 体中的原生裂隙张开扩展，又可以增加煤体的裂隙， 并可以使裂隙相互贯通， 形成一个相互交织的裂隙网 络，从而在煤层中形成互相联通的瓦斯排放通道， 使 煤层的渗透率增加， 可以使部分处于吸附状态的瓦斯 解析为自由状态， 自由状态的瓦斯则可通过裂隙向外 排出， 增加本煤层瓦斯的抽采效果， 降低工作面煤层 瓦斯含量， 保障工作面安全回采。 2.2水力压裂参数 水力压裂参数是煤层水力压裂效果的决定性因 素，在确定水力压裂参数时应调查工作面煤体强度、 地应力大小、 侧压系数等基本地质参数， 根据工作面 的围岩地质力学参数确定水力压裂的注水压力和注 水时间， 以及渗透半径， 从而确定水力压裂钻孔的间 距。 通过理论计算机实验分析沁水煤田长治矿区 3 煤围岩地质力学参数， 水力压裂增透钻孔间距初步确 定为 6m， 瓦斯抽放钻孔间距为 3m， 即每两个抽放钻 孔中有一个钻孔进行水力压裂。 为达到理想的抽放效 果， 需进行水力压裂的钻孔施工深度一般不少于工作 面长度的 70m， 抽放钻孔深度一般不少于 50m， 具体 需结合工作面参数进行确定， 面长的工作面压裂钻孔 高瓦斯矿井工作面瓦斯综合抽采技术分析 赵 萌 萌 （长治市煤矿安全技术培训中心 ，山西 长治 046000 ） 摘要 瓦斯抽采效果是保障高瓦斯工作面安全生产的前提。为了降低高瓦斯工作面前方煤体的瓦 斯含量， 防止采空区瓦斯涌入工作面造成瓦斯超标， 本文分析了采用水力压裂增加煤层透气性， 形成 相互交织的瓦斯抽放通道， 通过本煤层抽放钻孔提前预抽煤层瓦斯， 并通过高、 中位钻孔和穿透钻孔 抽放采空区瓦斯的工作面瓦斯综合抽采技术。 采用该技术可有效降低工作面前方煤体、 采空区和上隅 角的瓦斯含量， 保障工作面安全回采。 关键词 瓦斯抽采 ； 水力压裂 ； 本煤层抽采 ； 采空区抽采 中图分类号 TD712.62文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 01- 0080- 03 Analysis of Comprehensive Gas Drainage Technology in Working Face of High Gas Mine ZHAO Mengmeng （Changzhi Coal Mine SafetyTechnical TrainingCenter ， Changzhi 046000 ，China ） Abstract The effect ofgas extraction is the premise ofensuringthe safetyproduction ofhigh gas workingface. In order toreduce the gas con- tent of coal body in front of high gas working face and prevent gas gushing into working face in goaf from causing gas exceeding the standard. In this paper, hydraulic fracturingis used toincrease the permeabilityofcoal seamand interwoven gas drainage channels. The gas in coal seam is pre- pumped through the drainage boreholes in this coal seam in advance, and the comprehensive gas drainage technology in the working face of gas drainage in goaf through high, medium and penetrating boreholes is analyzed. This technology can effectively reduce the gas content in the coal body, goafand upper corner in front ofthe workingface, and ensure the safe miningofthe workingface. Key words gas drainage ； hydraulic fracturing； seamdrainage ； goafextraction 80 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 和抽放钻孔的深度均应适当加深。 为保证钻孔对工作 面内煤层的覆盖效果和封孔效果以及防止可能出现 的卡钻钻孔情况，压裂和抽放钻孔开孔高度不小于 1.5m， 角度不小于 1， 孔径选取 75mm， 对于煤层较 厚的工作面， 应适当提高钻孔开孔高度。煤层水力压 裂采用全长一次压裂，压裂钻孔封孔深度为 15～ 25m， 水力压裂仅对钻孔封孔长度以里进行压裂。 3本煤层瓦斯抽采技术 在工作面两顺槽布置本煤层瓦斯抽放钻孔， 随着 工作面的推进，提前对工作面前方煤体瓦斯进行预 抽， 可有效降低工作面的瓦斯含量， 使得工作面回采 时处于低瓦斯区域， 从而保证工作面的回采安全。 结合前述水力压裂钻孔布置方案， 工作面本煤层 瓦斯抽放钻孔分为抽放钻孔和压裂抽放一体钻孔， 抽 放钻孔布置在上排， 压裂抽放钻孔布置在下排， 上下 两排呈 “三花” 布置。 上排钻孔间距 6m， 开孔高度不小 于 2m,下排钻孔间距 6m， 开孔高度不小于 1.5m， 钻孔 仰角均不小于 1， 钻孔具体参数需结合工作面煤层 厚度、 倾角等参数确定。钻孔布置参数如图 1 所示。 （a ）钻孔布置平面图 （b）钻孔布置剖面图 图 1工作面本煤层瓦斯抽采钻孔布置图 4采空区瓦斯抽采技术 工作面开采会造成顶板上覆岩层移动， 形成大范 围的离层裂隙带， 由于瓦斯气体密度小， 瓦斯气体会 通过工作面顶板上部裂隙大量积聚在工作面后方采 空区顶板裂隙带， 采空区瓦斯的大量积聚会流入工作 面， 造成工作面瓦斯超限， 在加强工作面本煤层超前 预抽瓦斯的同时， 还需注重采空区洼地的治理。 4.1高、 中位钻孔抽采 在工作面顺槽保护煤柱外侧布置瓦斯抽放钻场， 在钻场内采用千米钻机提前向工作面采空区裂隙带 施工高位钻孔。 1 ） 高位不少于 3 个， 钻孔深度 300m， 钻孔终孔位 置在工作面顺槽以里 40m、 60m 和 80m 三个位置， 位 于裂隙带上部， 距离煤层顶板 6～8 倍采高， 具体位置 参数需结合工作面参数和顶板裂隙带高度确定。 见图 2 所示。 2 ） 中位钻孔不少于 6 个， 钻孔深度 260m， 钻孔终 孔位置在工作面顺槽以里 35m、 45m、 55m、 65m、 75m 和 85m六个位置， 位于裂隙带下部， 距离煤层顶板约 3 倍采高， 具体位置参数需结合工作面参数和顶板裂 隙带高度确定。 （a ）钻孔布置平面图 （b）钻孔布置剖面图 图 2工作面采空区高、 中位抽放钻孔布置图 4.2穿透钻孔抽采 在工作面顺槽保护煤柱外侧两个横穿中间施工 穿透钻孔， 钻孔间距 5～10m 之间， 钻孔开孔高度不 小于 1m，钻孔终孔位置在保护煤柱内侧巷道顶板 0.5m处，钻孔贯穿煤柱。在钻孔孔口下套管进行封 孔， 安装测点和控制阀门后连接至瓦斯抽放钻孔的主 管路上，工作面前方穿透钻孔阀门处于关闭状态， 在 工作面回采支架尾梁推过穿透钻孔时开启阀门投入 运行， 根据钻孔抽放瓦斯纯度进行调控阀门。钻孔布 置见图 3 所示。 （a ）钻孔布置平面图（b）钻孔布置剖面图 图 3工作面穿透钻孔布置图 5结语 1 ） 瓦斯抽采是解决高瓦斯矿井工作面瓦斯的根 （下转第 84 页） 81 ChaoXing （上接第 81 页） 本方法， 水力压裂可以使煤体闭合的裂隙扩张， 并使 裂隙之间相互贯通，形成相互交织的瓦斯流动通道， 使煤体中处于自由状态的瓦斯通过裂隙被抽出， 从而 有效降低工作面煤层瓦斯含量。 2 ） 采空区瓦斯向工作面内涌出是工作面瓦斯超 标的重要因素，在进行工作面超前预抽瓦斯的同时， 必须加强工作面采空区瓦斯的治理和抽采， 在工作面 前方布置钻场施工高、 中位钻孔对采空区的上部裂隙 带的瓦斯进行抽采， 并配合穿透钻孔， 抽采工作面上 隅角瓦斯， 可以有效降低工作面采空区瓦斯含量。 3 ） 采用工作面瓦斯综合抽放技术，提前压裂煤 体， 增加瓦斯抽放通道， 对工作面前方煤体、 采空区顶 板裂隙带和工作面上隅角瓦斯进行综合抽放治理， 可 以有效保障工作边生产安全， 为高瓦斯工作面瓦斯治 理提供了一个新的技术措施。 参考文献 [1] 徐景德， 杨鑫， 赖芳芳， 等.国内煤矿瓦斯强化抽采增透技 术的现状及发展 [J]. 矿业安全与环保， 2014， 41 （4） 100- 103. [2] 王 珂.本煤层钻孔水力压裂增透技术研究[J].山西煤炭， 2015， 35（3） 31- 33. [3] 常利铭.水力压裂技术在煤矿瓦斯治理方面的应用[J].矿 业安全与环保， 2015， 42 （02） 96- 99. [4] 任梅青， 沈永红.煤矿井下水力压裂技术抽采煤层瓦斯应 用及前景[J].华北科技学院学报， 2015， 12 （04） 58- 63. [5] 张文章， 王璨.水力压裂技术在难抽放煤层中的应用[J]. 煤矿支护， 2011 （10） 85- 86， 88. [6] 左文兵， 张 斌， 李晓绅， 等.水力压裂增透技术在本煤层 瓦斯抽采中的应用 [J]. 煤炭与化工， 2016， 39（10） 32- 34， 38. 作者简介 赵萌萌 （1983-） ， 男， 山西武乡人， 重庆大学采矿工程专 业毕业， 从事煤矿安全技术培训工作。 （收稿日期 2019- 1- 24） 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 置，上排注浆钻孔参数与 2.2 中介绍的布置方式一 致。如图 6 所示。 图 5改进后瓦斯抽放钻孔插管示意图 图 6改进后深孔注浆钻孔布置示意图 3.3效果考察 现场实践表明， 改进后设计对瓦斯抽放和深孔注 浆均未产生不利影响，对于 1308 工作面 255m 断层 影响区域， 可以节约 30 个下排钻孔， 按照孔深 105m 计算， 节约 φ94mm 钻孔进尺约 3150m， 按照 300 元 /m计算， 节约成本 94.5 万元。 4结论 1 ） 对于高瓦斯煤层构造区， 需要施工本煤层瓦斯 抽放钻孔和深孔注浆钻孔， 两者有所重合， 造成施工 浪费； 2 ） 分析了本煤层瓦斯抽放钻孔和深孔注浆钻孔 的设计原则， 两者有较多相似之处， 主要不同点在上 排孔层位和孔口管选择上； 3 ） 一体化设计方式为， 深孔注浆下排钻孔可以直 接利用瓦斯抽放孔， 上排钻孔需要单独打设， 将孔口 0.5mPVC管换成钢管； 4 ） 效果考察表明， 一体化设计对瓦斯抽放和深孔 注浆均未产生不利影响，对于 1308 工作面 255m 断 层影响区域， 可以节约 30 个下排钻孔， 节约成本 94.5 万元。 参考文献 [1] 朱捷.白龙煤矿瓦斯抽放钻孔施工工艺研究[J].山东煤炭 科技， 2018， 12 75- 77. [2] 王全明.赵庄矿工作面复合顶板深孔预注浆加固技术[J]. 煤矿安全， 2018， 49 （11） 80- 83. 作者简介 段鹏坤 （1990-） ， 男， 山西长子人， 毕业于山西煤炭职业 技术学院， 助理工程师， 现在山西晋煤集团赵庄煤业有限责 任公司生产技术部任职， 主要从事采煤和安全管理方面的工 作。 （收稿日期 2019- 3- 6） 84 ChaoXing