高瓦斯矿井超大区域瓦斯治理技术.pdf

第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 移动扫码阅读 刘忠全，陈殿赋，孙炳兴，等高瓦斯矿井超大区域瓦斯治理技术煤炭科学技术，，（） ， ， ， ，，（） 高瓦斯矿井超大区域瓦斯治理技术 刘忠全，陈殿赋，孙炳兴，李健威 （国家能源投资集团有限责任公司 煤炭运输部，北京 ；国能神东煤炭集团有限责任公司 保德煤矿，山西 忻州 ； 中煤科工集团重庆研究院有限公司 重庆 ） 摘 要基于大功率定向钻进技术与装备的发展和矿井瓦斯防治技术的提升，保德煤矿先后创造了 、 、 井下顺层定向长钻孔瓦斯抽采施工纪录，为矿井实施超大区域瓦斯治理技术提 供了基础条件。 以保德煤矿 号煤的煤层气防治为研究对象，基于超长工作面区域瓦斯治理需要，依 据区域范围及预抽时间的不同，分别采用井上井下联合抽采、盘区超前大区域预抽、掘进工作面主巷 羽状钻孔大区域预抽、采煤工作面大区域递进式预抽等措施对采掘区域内煤层气进行了大面积超前 预抽，为煤层气治理提供了充裕的时间和空间，确保了抽采达标所必备的时间条件；针对 号煤层透 气性低、抽采衰减快的问题，采用定向钻孔分段压裂增透技术并辅以高效封孔工艺技术，实现了煤巷 掘进前和工作面回采前煤层气的高效治理；针对矿井超长工作面回采后形成的大范围采空区瓦斯异 常涌出问题，提出并实施了大范围采空区平衡卸压抽采技术，有效地阻止了采空区瓦斯涌入采掘空 间。 实践表明保德煤矿 号煤层通过实施超大区域瓦斯治理技术措施，煤层气预抽率大于 ，切 实有效地解决了工作面采掘期间的瓦斯涌出治理问题，矿井生产全过程瓦斯抽采达标；采掘工作面月 产量达 万 ，掘进工作面月单进尺 以上，实现了高瓦斯矿井长周期安全高效生产，实践证实 了超大区域瓦斯治理技术具有显著的安全和经济效益。 关键词高瓦斯矿井；大区域超前预抽；井上井下联合抽采；地面钻孔；高效封孔；分段压裂 中图分类号 文献标志码 文章编号（） 收稿日期；责任编辑李金松 基金项目国家自然科学基金资助项目（）；重庆市杰出青年科学基金资助项目（） 作者简介刘忠全（），男，山东兖州人，高级工程师。 ， ， ， （ ， ， ，； ， ，， ，； ，， ， ，） ， ， ， ， ， ， ， ， ； ， ， 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 刘忠全等高瓦斯矿井超大区域瓦斯治理技术 年第 期 ， ， ； ， ， ； ； ； ； ； 引 言 煤炭仍是我国现阶段的主要能源，瓦斯作为煤 炭开采的伴生气体，威胁着矿井安全生产，同时瓦斯 也是一种清洁资源，直接排放造成能源浪费和空气 污染。 瓦斯灾害为煤矿生产的主要灾害之一，严 重制约着煤矿的安全高效生产。 伴随高瓦斯矿 井的开拓延深和开采强度的加大，瓦斯涌出量随之 增加，实现煤与瓦斯共采是安全高效生产的必然趋 势。 煤矿井下顺煤层定向钻孔具有轨迹精准可 控、钻进深度大、瓦斯抽采效率高等优点，已成为国 内外煤矿中硬煤层高效抽采的主要手段。 经过 多年的研究与发展，从地面打钻孔预抽煤层气或抽 取采动区的瓦斯已是我国煤层气开发及煤矿瓦斯灾 害治理的一个重要发展方向。 针对现有的地面 水平定向钻井开采煤层气及煤矿井下钻孔预抽煤层 气受时间和空间限制的问题，提出了地面钻井和井 下钻孔对接抽采瓦斯技术，并于 年在沙曲煤矿 成功应用。 随着开采技术的发展，从煤矿井下瓦 斯防治的需要出发，将煤矿井下近水平随钻测量定 向钻进技术与水力压裂增透强化抽采技术相结合引 入到煤矿井下瓦斯防治领域，用来解决松软煤层透 气性差、瓦斯抽采孔成孔性差、抽采距离短、抽采区 域小等难题。 此外，高瓦斯回采工作面回风隅角 和回风巷瓦斯极易超限，往往与采空区瓦斯涌出密 切相关。 随着矿井开采深度及强度的增加，实施井下煤 层气大区域超前治理措施是高瓦斯矿井安全高效生 产的发展趋势。 近年来，瓦斯抽采工艺、抽采装备及 钻进设备不断进步，地面钻孔、区域超长定向钻孔、 穿层钻孔等区域瓦斯治理技术得到广泛的应用和推 广， 为矿井实施超大区域瓦斯治理技术提供了基础 条件。 但受瓦斯地质条件影响，我国煤层透气性普 遍较低，钻孔抽采衰减系数大，井下钻孔工程量大， 抽采达 标 时 间 长， 矿 井 抽 掘 采 接 续 容 易 失 调。 因此，实施超大区域瓦斯治理措施并确保 其一定的抽采效果尚需试验研究。 以往对高瓦斯矿 井区域瓦斯治理技术研究范围一般仅限于 个区段 或几个区段，而对于将走向长度大于 的盘 区作为 个超大区域整体进行瓦斯治理的研究尚处 于空白。 因此，在超大区域瓦斯治理的理念下，研究 多措并举的高效瓦斯治理技术，确保高瓦斯矿井在 低瓦斯状态下回采，实现矿井安全高效生产，成为亟 待解决的问题。 矿井概况 基本情况 保德煤矿隶属于神东煤炭集团，位于山西省保 德县境内，河东煤田北部。 井田面积 ，含煤 地层为石炭二叠系，可采煤层为 、、、 号煤 层。 现仅采 号煤层，属类自燃煤层，煤尘具有爆 炸性。 矿井采用“平硐斜井立井”综合开拓方式， 井田划分为 个盘区，设计生产能力 。 瓦斯赋存情况 保德煤矿绝对瓦斯涌出量 ，相对 瓦斯涌出量 ，为高瓦斯矿井。 目前， 号 煤层开采区域瓦斯含量为 ，深部区预测最 大瓦 斯 含 量 ， 瓦 斯 含 量 梯 度 为 （），常压下不可解吸瓦斯含量为 ， 瓦斯压力梯度 ，煤层透气性系数 （）。 瓦斯治理存在的难题 保德煤矿 号煤游离瓦斯占比高、抽采浓度衰 减快，有效预抽期短，抽采达标需要时间较长；矿井 开采强度大，容易造成工作面瓦斯超限；矿井盘区 大，工作面走向长度普遍超过 ，常规钻孔效 率低，易造成抽掘采失衡，矿井出现生产接续紧 张的局面。 为有效治理矿井瓦斯，实现安全高效生 产，经多年探索，保德煤矿逐步形成了以“大范围区 域预抽为主，局部治理为辅”的综合瓦斯防治技术 体系。 超大区域瓦斯治理技术 超大区域瓦斯抽采方案 根据区域超前预抽时间和钻机钻进能力，保德 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 煤矿制定了超大区域瓦斯治理方案。 ）井上井下联合抽采瓦斯技术。 针对 年以 上的超长开采周期区域，采用井上井下联合大区域 预抽。 借鉴煤层气开发经验，采用地面 型水平井 对接开采技术，同时井下定向长钻孔与水平井实现 远端对接，利用井下负压抽采，形成了井上井下联合 超前大区域瓦斯治理技术。 井上井下联合排采示意 如图 所示。 图 井上井下联合排采示意 ）盘区超大区域预抽瓦斯技术。 针对 年 开采周期的区域，盘区大巷形成后，在大巷单侧或两 侧施工超长定向钻孔，预抽整个盘区煤层赋存瓦斯， 实现盘区内瓦斯超前防治。 盘区走向长度 ，单侧布置钻孔孔深约 ，贯穿整个盘 区。 双侧布置钻孔孔深约 ，预留 左右 的重叠区域。 盘区大区域超前预抽，钻孔预抽时间 长，单孔利用率高。 盘区超前大区域预抽钻孔布置 如图 所示。 ）主巷大区域超前预抽瓦斯技术。 针对 年开采周期的区域，将上部已掘巷道作为预抽主巷， 向下部煤巷待掘区域施工顺层定向多分支羽状钻 孔，每 布置 个钻场，钻孔覆盖待掘煤 巷下侧 ，孔间距 ，对煤巷待掘区域煤层气进 行大范围超前预抽，掘前预抽期在 个月以上。 钻 孔布置如图 所示。 图 盘区超前大区域预抽煤层气钻孔布置 图 巷道主巷下行多分支定向钻孔布置 ）综采工作面大区域递进式预抽瓦斯技术。 针对 年开采周期的区域，在工作面辅助运输巷 布置半扇型递进式超长定向钻孔，单孔长度 ，钻孔终孔间距 ，代替本煤层密集短钻孔，可 有效减少工作面钻孔施工量，实现高效超前预抽。 综采工作面大区域递进式钻孔布置如图 所示。 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 刘忠全等高瓦斯矿井超大区域瓦斯治理技术 年第 期 图 综采工作面大区域递进式预抽钻孔布置 ）采空区平衡卸压技术。 受采掘活动影响，采 空区内积聚的高浓度瓦斯向采掘空间运移，导 致作业空间内瓦斯涌出异常。 保德煤矿根据采空区 顶板采动裂缝带高度，结合已采工作面采空区采动 “”形圈理论，在综采工作面运输巷布置大直径定 向高位钻孔，每 个钻孔为 组，单孔长度 ，覆盖 个已采工作面采空区，拦截采空区内 涌出的瓦斯。 已采工作面采空区平衡卸压高位钻孔 布置如图 所示。 图 已采工作面采空区高位钻孔布置示意 超大区域瓦斯高效抽采技术 ）高效封孔技术。 抽采钻孔封堵质量是影响 抽采效果的决定性因素，良好的封孔质量不仅与抽 采钻孔周围煤岩体力学状态密切相关，更取决于封 孔材料以及封孔工艺参数。 根据抽采范围、钻 孔长度和预抽时间，采用增大注浆压力和“两堵两 注”的工艺方法进行封孔。 超大区域预抽钻孔封孔 长度大于 ，钻孔封孔侯凝时间大于 。 通过 优化封孔工艺、加长封孔深度和封孔长度，可有效提 高钻孔瓦斯抽采效果。 ）定向长钻孔控压排采技术。 采用定向长钻 孔预抽煤层气，煤层快速降压引起储层变化，加上钻 孔煤粉堵塞，直接导致钻孔可抽采时间缩短、抽采量 及抽采半径减小。 为提高抽采的连续性、稳定性，在 抽采初期，通过井下阀门控压技术，实行正压排采， 均衡降压到合理的储层压力。 ）钻孔精准对接技术。 采用高精度磁定位点 对点对接连通技术实现井下钻孔精准对接。 该技术 借助人工营造的磁场作为信标，通过测量磁场矢量 参数，计算出钻孔轨迹，对钻头所处位置进行精确定 位，提前预知方位及顶角误差，及时纠斜，达到一次 中靶的目的。 技术特点是在小范围内采用人工磁信 标所构筑的人工磁场进行测距，其强度比天然磁场 强数十倍至数百倍，强磁信号可穿透地层数十米，确 保接受探管能捕获信号，测距范围可达 。 ）定向钻孔分段压裂增透技术。 采用井下定 向长钻孔分段压裂增透技术，并优化分段压裂工艺 参数，大幅增加了抽采煤层的透气性，提高了定向长 钻孔瓦斯抽采效果。 通过对定向长钻孔分段压裂增 透，增大瓦斯运移通道，并进一步加速瓦斯解吸，实 现了高瓦斯矿井煤层气大区域超前高效抽采，从而 减少瓦斯抽采钻孔工程量，减少瓦斯防治整体时间 和工程的投入，有效保证了矿井正常的采掘接续。 ）定向钻场在线监测技术。 为保证定向长钻 孔的抽采效果，在抽采钻孔连接抽采主管处安设瓦 斯抽采在线监测系统，实时监控定向长钻场的抽采 浓度、流量等参数，实行智能化管控。 抽采效果较差 的钻孔进行排查，分析原因，必要时重新补打钻孔， 保障了区域抽采效果。 瓦斯治理效果分析 井上下联合正压排采 保德煤矿在三盘区二回 联络巷钻场位置向 “”形井方位施工长距离定向钻孔，实现了定向钻 孔和“”形井的精准对接。 通过控压排采， 年 月 年 月统计瓦斯抽采浓度和纯瓦斯流 量（图 ），确保瓦斯排采效率最大化。 图 “”形井对接钻孔抽采数据观测 “” 分析可知，瓦斯抽采体积分数为 ，钻 孔纯瓦斯流量为 ，日产气量控制在 ，估算产期周期控制在 年。 井上 井下联合治理瓦斯技术实现了大区域煤层气超前预 抽，减少了井下钻孔数量，降低了瓦斯治理成本。 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 超大区域预抽采效果分析 保德煤矿在五盘区大巷施工 组超长定向大直 径长钻孔， 钻孔孔径 ， 主孔深度分别为 、 、 ，对二盘区煤层气超前治理。 其中 超长钻孔贯穿整个二盘区，钻孔施工 轨迹如图 所示。 经统计 年 月 超长定向钻孔抽采数据可知，标况下钻孔抽采瓦斯 纯量最大为 ，日产气量 ，如图 所示。 实践证明，长钻孔持续抽采时间 长，日产气量大，钻孔衰减不明显。 图 超长定向钻孔施工轨迹 图 超长定向钻孔抽采数据观测 为进一步研究盘区贯穿钻孔抽采影响因素，保 德煤矿对单侧抽采与两侧对抽效果进行分析，对 年 月纯瓦斯流量进行观测（图 ）。 图 超长定向钻孔单双侧抽采对比 五盘区单侧抽采平均体积分数为 ，平均纯 量为 ；三盘区单侧抽采平均体积分数为 ，平均纯瓦斯量为 ；两盘区同时对 抽平均体积分数 ，平均瓦斯量为 。 研究表明，两侧对抽效果明显优于单侧抽采， 对抽纯瓦斯量是单侧抽采之和的 倍。 大区域超前预抽采对巷道掘进的影响 保德煤矿 工作面运输巷约 未实施 大区域预抽瓦斯措施，仅采用常规短钻孔掘前超前 预抽措施，掘进期间回风流中最大瓦斯体积分数分 布情况如图 所示。 在超大区域预抽范围掘进时 回风瓦斯体积分数较常规预抽措施下有了大幅下 降，回风最大瓦斯体积分数在 以下，瓦斯治理 效果显著，保障了煤巷安全高效掘进。 图 掘进期间回风流中最大瓦斯体积分数分布 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 刘忠全等高瓦斯矿井超大区域瓦斯治理技术 年第 期 综采工作面大区域超前抽采效果分析 保德煤矿采用 型定向钻机在 辅助运输巷 联络巷布置钻场，施工 个主 孔、 个分支孔，单孔长度为 ，共计钻孔长度 ，代替本煤层预抽钻孔，对 工作面煤 层气超前预抽。 年 月至 年 月期间的 钻孔纯瓦斯流量如图 所示。 抽采初期，定向长钻纯瓦斯流量相对较低，随着 抽采时间的延长，钻孔纯瓦斯流量逐渐增大，抽采 个月后达到最大值 ，然后逐渐趋于稳 定。 进行 年的观测，钻孔累计产气量约 万 ， 本煤层预抽率为 ，节省常规密集钻孔 万 ， 节约了抽采成本。 图 区域预抽钻孔抽采纯瓦斯量随时间的变化关系 采空区大区域高位钻孔抽采效果分析 采用长距离定向高位钻孔大区域抽采已采工作 面采空区内瓦斯，抽采瓦斯体积分数 ，持 续时间约 个月以上。 实施采空区大区域平衡卸压 抽采后，工作面回风侧的瓦斯体积分数明显降低，回 风隅角体积分数小于 ，已采工作面采空区向邻 近采区及工作面涌出瓦斯量大幅度减少。 超大区域瓦斯综合治理效果 实施井下大区域超前预抽和采空区平衡卸压抽 采综合瓦斯治理措施后，瓦斯预抽率大于 ，工 作面回采前煤层可解吸瓦斯含量在 以下，采 掘前工作面均实现了瓦斯抽采达标；工作面回采期 间瓦斯抽采率在 以上，矿井瓦斯抽采率 以 上，杜绝了瓦斯超限现象；采掘工作面最高月产量达 万 ，掘进工作面单进提高到 月，彻底解决 了抽掘采紧张局面，实现了高瓦斯矿井长周期安 全高效生产。 结 论 ）保德煤矿开辟了高瓦斯矿井超大区域瓦斯 治理模式，形成了多措并举的瓦斯治理新途径。 根 据待抽区域范围大小及预抽时间不同，形成了井上 井下联合抽采、盘区超大区域预抽、掘前母巷预抽和 采前工作面递进式预抽的高瓦斯矿井大区域超前瓦 斯治理和采空区平衡卸压抽采工艺技术。 其中，超 长抽采时间大于 年，超大区域范围最大走向长度 。 ）超大区域瓦斯治理技术措施确保了矿井安 全高效生产。 实施大区域瓦斯治理技术措施为煤层 气预抽提供了充裕的时间空间，煤层气预抽率大于 ，工作面采掘前预抽煤层气达标；采掘工作面月 产量达 万 ，掘进工作面月单进尺 以上，彻 底解决了抽掘采紧张局面；采空区大范围平衡卸 压抽采能有效拦截采空区瓦斯涌入采掘空间，杜绝 了瓦斯超限现象，实现了矿井生产全过程瓦斯抽采 达标。 ）超大区域瓦斯治理技术具有显著的安全保 障和经济效益，可为同类矿井提供有益借鉴，并为今 后相关技术的不断完善提供基础参考。 为超大区域 瓦斯治理技术实施提供基础支撑的定向长钻孔抽采 关键参数以及分段压裂增透技术优化等将是今后深 入研究的方向。 参考文献（） 翟 红，令狐建设阳泉矿区瓦斯治理创新模式与实践煤 炭科学技术，，（） ， ， ， （） 王 亮，郑思文，赵 伟，等 淮北煤田煤与瓦斯突出灾害差异 性和控制因素研究 煤炭科学技术， ， （） ， ， ， ， ， （） 雷照源，郭超奇，黄兴利，等深部高瓦斯矿井大采高工作面立 体抽采瓦斯技术煤炭科学技术，，（） ， ， ， ，， （） 李泉新，石智军，许 超，等 顺煤层超长定向钻孔高 效钻进技术煤炭科学技术，，（） ， ， ， ， ， （） 李日富，梁运培，张军地面钻孔抽采采空区瓦斯效率影响 因素煤炭学报，，（） ， ， 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 ，，（） 黎凤岐，乔 炜，牛国斌，等地面多分支水平钻井与井下钻孔 对接预抽瓦斯技术 煤炭科学技术，，（） ， ， ， ， ， ， （）， 冯达辉煤矿井下分段水力压裂梳状定向长钻孔钻进技术研 究 探矿工程，，（） ， ，（） 程志恒，卢 云，苏士龙，等采空区顶板高位走向长钻孔高效 抽采瓦斯机理研究 煤炭科学技术，，（） ， ， ， ， ， （ ） 赵 灿，张 浪，刘彦青偏 型通风下采空区瓦斯涌出规律 及超限治理研究煤炭科学技术，，（） ， ， ， ， （ ） 徐凤银，肖芝华，陈东，等 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