基于井上下联合抽采的三区联动瓦斯综合治理模式.pdf

第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 . 基于井上下联合抽采的三区联动瓦斯综合治理模式 姜小强樊少武程志恒陈 亮李进鹏侯水云李庆源 .华晋焦煤有限责任公司山西 吕梁 .煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院北京 .煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室北京 .山西焦煤集团有限责任公司山西 太原 摘 要为解决近距离突出煤层群开采过程中瓦斯超限及煤与瓦斯突出隐患通过建立瓦斯治理的时 空坐标系系统分析井上、井下抽采技术的时空分布特征及其约束条件进而揭示煤炭开采三区的井 上下联合抽采的时空转换机制基于沙曲矿近距离煤层群开采特点在规划区大范围采用三类地面 井实现煤层气的规模化预抽在开拓区和生产区首次实施了多分支水平井与千米钻孔定向对接高效 抽采、大孔径定向长钻孔立体式抽采等关键技术通过井上、下抽采方法优选集成结合煤层气综合利 用形成了沙曲瓦斯综合治理模式与配套技术体系 经过实践验证推行“沙曲模式”可实现采掘工 作面瓦斯零超限基本消除各煤层突出危险性保证矿井安全高效生产结合瓦斯综合利用可产生显 著经济和社会效益 关键词近距离煤层群瓦斯治理井孔对接三区联动 中图分类号 文献标志码 文章编号 . . . . .. . . . “ ” . 收稿日期责任编辑杨正凯 / 基金项目国家科技重大专项资助项目国家自然科学基金青年基金资助项目国家重点研发计划资助项目 作者简介姜小强男山西汾阳人高级工程师硕士现任华晋焦煤有限责任公司生产技术处处长 . 引用格式姜小强樊少武程志恒等 基于井上下联合抽采的三区联动瓦斯综合治理模式 煤炭科学技术 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 引 言 随着煤层开采深度和强度的增加瓦斯灾害逐 渐成为制约我国高突矿井安全高效生产的首要问 题且低瓦斯矿井也可能随之升级依靠传统单 一的瓦斯抽采方法难以有效治理瓦斯 近年来由 于优质单一煤层的高强度开采及资源衰减近距离 煤层群开采在我国越来越受重视诸如离柳矿区、大 同矿区、淮南矿区、平顶山矿区、松藻矿区等相 比单一煤层开采近距离煤层群条件下瓦斯治理具 有采动裂隙演化机制不清、瓦斯抽采方法单一等问 题亟待深入系统研究矿井瓦斯综合治理及利用 技术 据统计我国目前煤矿区瓦斯抽采 为井下 钻孔为地面钻井 进入 世纪以来油气 专项开发中的地面钻井技术逐步引入到矿井瓦斯治 理并得到推广淮南矿业集团提出卸压开采、岩巷先 行、立体抽采的模式山西晋煤集团建立了三区 联动立体抽采模式平顶山煤业集团提出保护层 开采、水力增透等多措并举、应抽尽抽的战略松 藻煤业集团提出“三区配套三超前增透抽采” 模 式汪东等基于阳煤集团工程实践提出中远距 离煤层群煤与瓦斯协调开采模式 上述研究受限于 传统井下抽采与地面钻井抽采 项独立技术的局限 性针对二者的时空转换机制也缺乏系统研究并未 实现二者在时空上无缝对接及高效抽采 笔者基于 沙曲矿近距离突出煤层群条件深入研究了煤矿规 划区、准备区与生产区的井上下抽采技术的时空衔 接并配套研发了高、低浓度瓦斯综合利用技术优 选并集成出一套基于井上下联合抽采的三区联动瓦 斯综合治理及利用模式简称“沙曲模式” 井上下联合抽采的协调机制 . 井上下联合抽采的时空分布 依据矿井煤炭开采过程的时空接替特征将矿 区井田划分为规划区、准备区和生产区 以煤炭 开采和瓦斯抽采工程的时间轴和空间轴为横纵坐标 轴以规划区、准备区和生产区作为点坐标全面系 统分析煤炭开采与瓦斯抽采工程的时空分布及其演 化特征进而得出煤炭开采与瓦斯抽采全过程的时 空规律 鉴于煤炭开采与瓦斯抽采工程的多层 次性和复杂性对其进行简化建立了基于煤炭开采 与瓦斯抽采过程直接活动的瓦斯抽采时空坐标系 图 图 瓦斯治理的时空坐标系 . 在煤炭开采的规划区主要采用常规地面钻井 预抽瓦斯其预抽时间较长为 降低煤层中 游离态和吸附态瓦斯量为后续的采煤作业奠定基 础在准备区主要采用以地面钻井抽采为辅大面 积开展井下区域预抽为主的方法治理瓦斯保障井 下巷道开拓依次形成采区、回采工作面高突矿井 掘进前工作面瓦斯含量与压力等指标必须满足煤 与瓦斯突出防治规定在生产区由于煤层开采卸 压作用大量瓦斯涌出工作面主要采用井上下联合 抽采方法来治理瓦斯工作面瓦斯含量与压力等指 标需同时满足抽采达标暂行规定和防突规定 . 井上下联合抽采的时空转换机制 由图 可知地面钻井抽采贯穿煤炭开采“三 区”的全过程受时空条件影响小 受矿井采掘接 替和单项抽采技术抽采率的影响直接决定了准备 区井下瓦斯抽采的时间和区域预抽范围进而影响 着地面钻井与井下抽采技术在空间上合理布置以及 时间上的有效衔接受矿井采掘接替、开采强度条件 以及准备区瓦斯抽采效果的影响生产区的瓦斯抽 采时间和范围将大受限制也决定了生产区井上下 联合抽采的布局与衔接此外瓦斯抽采工程的时空 特性还受煤层瓦斯含量、压力等指标以及单项抽采 技术的极限抽采率的影响综合分析可得出瓦斯 抽采在“三区”接替过程的时空约束特征见表 井上下联合高效抽采就是地面钻井与井下抽采 进行优势互补最大程度地降低时空条件对瓦斯抽 采工程的限制井上下联合抽采的时空协调图如图 所示 地面钻井的抽采由于抽采作用时间长及有 效影响范围大不仅大大减少井下钻孔工程量及预 抽时间还能消除矿井采掘衔接紧张井下长、短钻 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 姜小强等基于井上下联合抽采的三区联动瓦斯综合治理模式 年第 期 表 三区联动瓦斯抽采技术的时空约束特征 抽采方法 规划区约束级别 时间空间 准备区约束级别 时间空间 生产区约束级别 时间空间 临界指标 地面抽采一般一般一般一般一般一般 瓦斯含量、压力指标极限瓦斯抽采率 井下抽采受限受限严重受限严重受限 瓦斯含量、压力指标极限瓦斯抽采率 孔密集精准抽采可有效消除抽采空白带并实现区域 强化抽采有效缩短瓦斯区域预抽时间 在抽采设 计之初就体现井上下抽采的联合设计可降低空间 对瓦斯抽采的限制以时间换取空间在步入准备区 和生产区后通过实行井孔对接高效抽采技术可缩 短瓦斯预抽时间以空间换取时间 图 地面抽采与井下抽采的时空协调示意 . 井上下联合三区联动瓦斯治理模式 . 工程背景 沙曲矿目前正在实施改扩建工程沙曲一矿设 计能力 / 沙曲二矿设计能力 / 沙曲井 田主产优质焦煤有中华瑰宝美称煤炭储量 . 亿 井田为一缓倾斜的单斜构造地层走向自北 向南由南北向渐变为北西向地表标高为 矿井主要开采 号、 号、 号、 号煤层 均为突出煤层 号煤原煤瓦斯含量高达 . / 号煤作为保护层开采下距 号、 号煤层 和 各煤层基础参数见表 沙曲矿百万吨煤瓦 斯涌出量全国第一单井瓦斯涌出量高达 / 瓦斯超限频繁是非常典型的近距离突出煤层群开 采矿井 年被确定建设国家级瓦斯治理示范 矿井 矿井采用立、斜混合开拓方式分为两个水平开 拓一水平标高 开拓上煤组 号、 号、 号、 号煤层二水平开拓下煤组 号、 号、 号、 号煤层 矿井通风方式为分区式通风 采煤方法为 倾斜长壁采煤法综采一次采全高回采工艺全部垮 落法管理顶板 表 各煤层瓦斯基础参数 煤层 编号 厚度/ 层间距/ 瓦斯压力/ 瓦斯含量/ ... .... .... .... .... .... .... .... . 规划区瓦斯治理 沙曲矿在规划区采用地面井超前预抽来治理瓦 斯地面钻井压裂后裂缝与地质构造相沟通可有 效降低煤层的储层压力及瓦斯含量长时间预抽就 能从根本上解决煤层的瓦斯突出问题单该种方法 适用于煤层气高渗富集区域、地表条件相对简单平 整且经济成本较高 地面钻井抽采主要包括常规地面井、防突压裂 井及多分支水平井地面钻井井身结构如图 所示 根据沙曲矿的主应力方向及主裂隙发育方向、地形 地质条件及煤层气含气量条件地面钻井采用菱形 网格状布置此外充分考虑煤层底板、构造、地下径 流等特性在局部缩小井间距井田共设计地面抽采 井 口其中防突井 口地面抽采直井 口 定向井 口单井控制面积 . 平均井间距 能够达到瓦斯治理要求 . 准备区瓦斯治理 近年来国内外多采用先地面预抽后井下长钻 孔区域预抽的组合式井上下联合抽采并未从本 质上突破传统单项技术的局限性实现二者在时空 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 图 钻井井身结构示意 . 上无缝对接 沙曲矿基于井孔定向对接技术研发 成功实施了多分支水平井与井下千米钻孔对接高 效抽采技术结合近距离煤层群开采的区域卸压 瓦斯抽采方法提出了一套基于井孔定向对接的 井上下联合抽采技术体系即采用地面井抽采井 下保护层开采、底板巷穿层钻孔群、本煤层递进式 长钻孔群大面积区域预抽多分支水平井与井下 千米钻孔对接高效抽采的井上下联合抽采技术 体系 .. 水平井与千米钻孔对接抽采技术 沙曲矿煤层原煤瓦斯含量 .. / 瓦 斯压力 .. 普氏系数.煤层突出危 险性大且邻近层瓦斯涌出量大瓦斯经常超限井 下钻孔抽采瓦斯方法无法满足安全生产的需要 鉴 于此矿井在 工作面实施多分支水平井与千 米钻孔定向对接建立了近钻头电磁测距法定向对 接工艺系统确定其工艺参数提出了井、孔对接后 正压瓦斯抽采方法研发出高压水渣分离器并确定 合理的抽采参数进而形成井上下联合高效抽采 技术 提出高压水控 钻头钻进工艺并改进了 钻头结构提升其深孔造斜能力合理确定了 工艺参数造穴参数满足直径不小于 . 、长度不 小于 成功实现扩孔连通 提出了近钻头电磁测距法定向对接系统优 化磁信号测距软件实现了旋转磁接头的精确定位 并实时显示钻头与对接钻孔的距离和方位变化合 理确定钻头倾斜角度、钻进压力及转速等参数实现 多分支水平井与井下千米钻孔的精准对接图 图 水平井与千米钻孔定向对接示意 . 提出了控压瓦斯抽采方法确定不同阶段的 抽采压力保证井、孔对接后的前期阶段瓦斯的匀速 抽采研发出了高压气水渣分离器合理卸除高能瓦 斯压力并分离出瓦斯和水汽保证抽采系统和设备 安全实现了突出煤层群产气量的规模化抽采 .. 保护层底板巷穿层钻孔群抽采技术 在近距离突出煤层群条件下保护层开采是区 域性瓦斯治理最有效的方法 保护层先采以后保 护层先采以后其上、下邻近煤层发生卸压变形破 坏采动裂隙逐步扩展贯通被保护层卸压瓦斯由此 涌入保护层采掘空间易造成工作面瓦斯超限故采 用底板巷穿层钻孔群大面积区域预抽针对卸压 瓦斯流形成“人工导流通道”有效拦截被保护层卸 压瓦斯涌入保护层工作面同时可对下组突出煤层 进行预抽保证下组煤层的巷道开拓 矿井北翼 号煤层尚未回采的采区在区域预 抽措施的保障下选择 号煤层作为上保护层进行开 采利用采动卸压产生的“增透增流效应”通过底板 岩巷上向穿层钻孔将卸压瓦斯抽采出来消除 号、 号及 号煤层的突出危险性如图 所示 矿井 图 保护层开采底板巷穿层钻孔群区域预抽 . 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 姜小强等基于井上下联合抽采的三区联动瓦斯综合治理模式 年第 期 底抽巷布置方式为沿 号煤层顶板掘进不仅降低 揭煤管理的困难并且由于巷道顶底板为致密性灰 岩距 号、 号煤层较远还可避免上、下部煤层瓦 斯涌入工作面 . 生产区瓦斯治理 针对生产区回采工作面上隅角超限以及井下 抽采钻孔存在钻孔距离短、不能定向钻井及塌孔等 问题沙曲矿近年来引入澳钻、德钻等先进定向钻机 及设备实现了煤层群开采大孔径定向长钻孔“三 位一体”的立体式抽采技术及工艺同时在煤层厚 度大、瓦斯涌出量极大的工作面采用大采高沿空留 巷瓦斯抽采技术有效解决了上隅角瓦斯超限提高 瓦斯抽采效果 沙曲矿目前生产区采用的瓦斯治理方法主要有 采动区地面井抽采、井下本煤层递进式区域预抽、大 孔径定向长钻孔立体式精准抽采、大采高沿空留巷 瓦斯抽采以及采空区埋管抽采 .. 大孔径定向长钻孔立体式精准抽采技术 沙曲矿在国内外首次采用 型大孔 径千米定向钻机在 工作面靠近采区回风巷处 钻进顶、底板大孔径千米定向钻孔抽采上下邻近层 及采空区瓦斯 钻孔长度 钻孔孔径 钻孔间距 布置在靠近回风巷侧钻孔层 位布置 号煤层顶板采动裂隙带距离顶板 . 如图 所示 结合德国新型 型钻机 通过施工顺层倾向长钻孔来高效抽采 工作面 瓦斯钻孔长度 孔径达 该方法减少 钻场、钻孔数量提高了瓦斯抽采效果 图 裂隙带大孔径定向长钻孔抽采示意 . 综上所述基于顶、底板裂隙带大孔径定向长钻 孔抽采邻近层及采空区瓦斯结合大孔径长距离钻 孔抽采本煤层瓦斯进而形成高位、中位和低位大孔 径定向长钻孔配合形成“三位一体”的立体瓦斯抽 采技术实现了煤层群抽采钻孔的定向精确布控避 免了抽采盲区 .. 大采高沿空留巷瓦斯综合抽采技术 沙曲矿区近距离高突煤层群间距 号 煤层厚度. 大采高高强度开采上下卸压范围更 大邻近层卸压瓦斯大量涌出工作面瓦斯治理难 沙曲矿通过理论研究与工程实践提出了大采高沿空 留巷瓦斯综合抽采技术 沿空留巷的 型通风可解决上隅角瓦斯超 限还可实施沿空埋管加强采空区瓦斯抽采提高抽 采效果研制出 骨料 充填材料墙体 抗压强度提高 大骨料混凝土注浆泵的成功研 制数倍提高了充填效率 基于数值模拟和现场实测准确确定工作面 横纵向裂隙发育区通过改进 钻头结构和动力 控制方式实现扩径在顶板裂隙带实施沿倾向大孔 径长钻孔群直径 长度 数量不小于 实现瓦斯高效抽采 . 三区联动瓦斯综合治理模式 沙曲矿近年积极推广抽采瓦斯和风排低浓度瓦 斯的综合利用技术根据瓦斯浓度的不同分为高浓 度、低浓度瓦斯利用各项目利用瓦斯途径如图 所 示主要包括以下利用项目瓦斯发电沙曲矿瓦 斯发电共建设有 座内燃机电厂高浓度瓦斯发电 厂规模为 低浓度瓦斯发电厂规模 瓦斯电厂余热利用利用发电机组的尾气余热为 瓦斯发电站、北翼瓦斯抽采站和居住区供热风排 瓦斯催化氧化高家山回风井建成规模为 万 / 风排瓦斯综合利用平台瓦斯锅炉沙曲选煤厂建 有蒸发量 / 的燃煤锅炉用于矿井的风井、厂 区以及办公楼的供暖火炬项目火炬燃烧不能利 用的瓦斯气体将减少大气污染 图 瓦斯综合利用路线 . 沙曲矿基于近距离煤层群开采特点在煤炭开 采规划区采用各类地面井相结合进行大范围地面抽 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 采实现煤层气的规模化预抽突出传统地面抽采、 井下抽采的单项抽采技术时空限制首次开发了多 分支水平井与千米钻孔对接高效抽采、大孔径定向 长钻孔立体式抽采等关键技术通过与井下钻孔抽 采方法优选集成结合抽采和风排瓦斯综合利用技 术形成了基于井上下联合高效抽采的三区联动瓦 斯综合治理模式沙曲模式如图 所示 图 沙曲模式配套技术体系 . “ ” 沙曲模式实施效果分析 自沙曲瓦斯综合治理模式实行以来矿井采掘 工作面实现瓦斯零超限抽采后 号煤层瓦斯基 础参数平均值见表 山西组煤层突出危险性均已 消除虽然 号煤层瓦斯压力仍高于临界值但相比 表 原始瓦斯压力已显著降低随着 号、 号的 陆续回采以及本煤层瓦斯抽采时间延长该煤层瓦 斯也能得到最终治理 推行沙曲模式不仅可以保障 矿井安全生产又实现了煤与瓦斯高效共采 年至今产焦煤量依次为 . 万、. 万、. 万 年抽出纯瓦斯量依次为 .、.、. 经济与社会效益显著 表 号煤层瓦斯基础参数 .. 煤层 编号 瓦斯压力/ 瓦斯含量/ 抽采量/ 抽采率/ .. .. .. .. . 随着沙曲矿近年积极推广抽采瓦斯和风排低浓 瓦斯的综合利用技术表 瓦斯综合利用效果明 显 年瓦斯发电量 . 亿 其中沙曲 瓦斯发电厂高浓瓦斯发电 万 低浓瓦 斯发电 万 高低浓瓦斯利用率分别 达 、不仅能满足自用电需要还实现的并 网发电 年可利用瓦斯气 万 每年可产生 减排量 . 万 同时还将发电机组产生的 余热经过瓦斯燃气锅炉处理用于矿区供热和职工 洗浴 瓦斯综合利用技术不仅变害为宝创造了巨 大的经济效益还节约了矿井用电供暖成本 表 沙曲矿近 年瓦斯利用统计 瓦斯用途 不同年份瓦斯利用量/ 万 发电 . . . 锅炉.. . 结 论 通过建立瓦斯治理的时空坐标系系统分析 井上、井下抽采技术的时空分布特征给出井上、井 下抽采技术受约束的等级与指标进而揭示了煤炭 开采三区井上下联合抽采的时空转换机制 沙曲矿基于近距离煤层群开采特点在规划 区开展各类地面井相结合的大范围地面抽采实现 煤层气的规模化预抽首次开发了多分支水平井与 千米钻孔定向对接高效抽采、大孔径定向长钻孔立 体式抽采等关键技术通过与井下抽采方法优选集 成结合瓦斯综合利用技术形成“沙曲模式” “沙曲模式”实施以来采掘工作面瓦斯零超 限基本消除各煤层突出危险性 年煤与瓦斯 开采量分别达 . 万 、. 瓦斯年利用量 达 万 瓦斯发电量达 . 亿 瓦斯 抽采及利用效果佳经济效益显著 参考文献 何学秋.中国煤矿灾害防治理论与技术.徐州中国矿业大 学出版社. 袁 亮.松软低透煤层群瓦斯抽采理论与技术.北京煤炭 工业出版社. 张铁岗.瓦斯综合治理技术.北京煤炭工业出版社. 袁亮.淮南矿区的瓦斯治理战略.中国煤炭 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 姜小强等基于井上下联合抽采的三区联动瓦斯综合治理模式 年第 期 . . . . 张建国.中国平煤神马集团瓦斯综合治理的回顾与展望.矿 业安全与环保. . . . 李国富何 辉刘 刚等.煤矿区煤层气三区联动立体抽采 理论与模式.煤炭科学技术. . . . 李日富李保东张 军.松藻矿区煤层气开发技术优选.煤 矿安全. . . . 赵 晶汪 东.中远距离煤层群煤与瓦斯协调开发模式研究 .煤炭科学技术. . . . 申宝宏杨志远晋香兰等.煤矿区煤层气与煤炭一体化协调 开发.北京煤炭科学研究总院. 刘见中沈春明雷 毅等.煤矿区煤层气与煤炭协调开发模 式与评价方法.煤炭学报. . . . 秦 勇吴财芳胡爱梅等.煤炭安全开采最高允许含气量求 算模型.煤炭学报. . . . 程远平付建华俞启香等.中国煤矿瓦斯抽采技术的发展 .采矿与安全工程学报. . . . 上接第 页 . 时 伟唐书恒李忠城等.沁水盆地南部山西组煤储层产出 水的化学特征.煤炭科学技术. . . . . .. . .. . . . 张松航唐书恒李忠城等.煤层气井产出水化学特征及变化 规律以沁水盆地柿庄南区块为例.中国矿业大学学报 . . . . 倪小明苏现波张小东.煤层气开发地质学.北京化学 工业出版社. 吴国代桑树勋杨志刚等.地应力影响煤层气勘探开发的研 究现状与展望.中国煤炭地质. . . . 杨焦生赵 洋王玫珠等.沁水盆地南部煤层气压裂、排采关 键技术研究.中国矿业大学学报. . . . 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et