長期穩定高效抽放礦井煤層氣的措施
作者：丁學平
2006-05-08 00:00
來源：不詳
1〕中梁山礦務局，工程師，630052四川重慶市九龍坡區中梁山田壩二村 摘 要 中梁山礦務局主要采用了多鉆孔預抽低透氣性煤層的瓦斯，同時還采取 擴大采空區、鄰近層和圍巖的瓦斯抽放范圍和綜合瓦斯抽放措施。因此，實現了 長期穩定高效抽放礦井瓦斯，確保了安全生產，并為礦區居民提供新的能源。 1 概述 中梁山礦務局是全國煤炭系統重點煤與瓦斯突出礦區，煤層氣儲量在-20m以 上，有2044億m3，至1995年底可抽儲量為18億m3；-20m水平至-400m水平 煤層氣儲量為150億m3。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年起全面推行預先抽放低透氣性煤層瓦斯技術。瓦斯抽放率逐 步提高，現已達48%左右。近年來通過發展抽放技術和完善抽放工藝，推行密集 網格式布孔和采空區瓦斯抽放新技術，進一步完善了瓦斯抽放措施，瓦斯抽放量 穩定在2000萬m3以上，實現了長期穩定高效抽放礦井瓦斯。 2 礦井概況及煤層氣賦存特征 中梁山煤田為一準對稱的覆舟狀背斜構造，分南、北兩個井田開采，核定煤 炭年產量80萬t，實際年產量約60萬t。煤系地層(二迭系龍潭組)厚約123m，平均 傾角約68°，十層煤中有八層開采，煤層平均總厚96m，除K2（保護層)外， 其余均為突出煤層，煤田內斷層、褶曲構造多而復雜，加上嚴重的瓦斯災害，礦 井開采和安全生產困難很大。 煤系地層覆蓋(灰巖，泥巖)厚度大，透氣性極小，滲透率為0007～0014 8md，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，極易發生煤與瓦斯突出。 本煤田煤系底部為茅口石巖，溶洞裂隙發育，在溶洞裂隙內儲集有大量瓦斯 ，經生產統計表明，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m3，造成礦井一翼停產，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m3 。 中梁山煤田采空區瓦斯極為豐富。主要來源有兩個：一是復雜的地質條件造 成礦井回采率低，大量殘留煤留在采空區，集存有豐富的殘存瓦斯；二是來自圍 巖及鄰近層的瓦斯，為采空區瓦斯主要來源。 根據本煤田瓦斯賦存特點，把預抽瓦斯與擴大采空區瓦斯抽放相結合，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，若預抽低 透氣性煤層瓦斯，還必須保證有足夠的預抽時間，才能實現掘、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難題。70年代初，采取了大面積預抽 煤層瓦斯，提高抽放負壓，延長鉆孔服務時間等方法，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整，采 用大后退式回采，提前數年開拓集中運輸巷和瓦斯抽放巷，預抽1～5年后再開采 保護層。其次，把瓦斯抽放巷道由K7改在茅口灰巖中，由于抽放巷道圍巖致密 ，且不受采動影響，提高了封孔質量，使鉆孔在較高抽放負壓下不漏氣。中梁山 煤田透氣性低，煤層多，層間距小，圍巖富集瓦斯，許多鉆孔預抽期長達10年， 抽出瓦斯量較穩定，衰減不明顯。我局調整后的開拓、采煤布置方式能與抽放瓦 斯相適應，保證有足夠的時間預抽瓦斯，從而實現了掘、抽、采平衡。 (2)合理延長鉆孔服務時間 我局以K2作保護層，上鄰近層(K1)是本煤田最厚的一層煤，平均厚25 m，煤與瓦斯突出也最嚴重，K1與K2相距僅5～7m，下鄰近層K3與K2相距 4m，開采K2時，鄰近層的瓦斯大量涌入保護層，這時鉆孔預抽瓦斯結束，即轉 入抽卸壓瓦斯的最佳時期，此時單孔抽放量最高可達1m3/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 預抽量大，對這樣的鉆孔安裝可調開關，加強檢查，及時調整抽放負壓和抽放瓦 斯濃度，可抽至煤系各煤層開采結束。瓦斯抽放鉆孔從投入預抽到各煤層開采結 束止，服務期最長達10年，單孔總抽出量最高達25萬m3以上。 (3)推行網格式密集布孔，發展預抽技術 中梁山煤層透氣性低，其系數為00028～00059md。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，要選擇最佳預抽期，必須確定合理的鉆 孔間距。根據我局實測，經過預抽后，鉆孔周圍即有卸壓效應產生，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，現我局抽放瓦斯鉆 孔間距為5～8m，預抽一年影響半徑504m，預抽一年左右即可出現上述現象， 預抽量在3年內無明顯下降，合理預抽期為3年，3年以后乃至更長時間仍然可抽 ，預抽量隨時間延長緩慢衰減。由于中梁山煤田的特定環境及瓦斯賦存特征，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m3/a以上，礦井瓦斯抽放率逐年 提高，現為48%。 (4)發展采空區抽放技術 我局于1960年在南礦+500m水平5311采區進行過采空區瓦斯抽放，由于瓦斯 濃度較低，K1是發火煤層，抽放技術和裝備都極其落后，試抽不久即終止。80 年代初期我局全面推行下行通風，長期觀測表明，采用下行通風后，回采工作面 采空區瓦斯濃度比上行通風高、瓦斯集中分布于采空區的后上方。如南礦2312采 區，采用上行通風，絕對瓦斯涌出量6m3/min，其中煤壁涌出瓦斯275m3/m in，采空區涌出瓦斯325m3/min，因回風瓦斯超限而停產，改為下行通風后 ，絕對瓦斯涌出量下降至24m3/min，采空區瓦斯全被抑制住，采空區瓦斯濃 度最高時為80%，非常有利于采空區瓦斯抽放。隨即，在北礦1321和1322采區， 采用下行通風并結合抽放采空區瓦斯，用石門密閉插管或由石門向采空區內打鉆 孔抽放，鉆孔間距50m，采空區內的瓦斯抽放量平均25m3/min，瓦斯濃度為3 0～65%，采空區抽放率大于80%。近年來，我局開發煤層多采用柔性掩護支架， 工作面通風斷面小，瓦斯超限較頻繁，采用下行通風結合抽放采空區瓦斯措施后 ，基本杜絕了采空區浮煤自燃，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的瓦斯繼續抽放，我局采空區瓦斯抽 出量達到了120萬m3/a。 (5)石門預抽瓦斯后揭煤 我局進入+130m，+140m水平深部開采后，煤與瓦斯突出災害更趨嚴重，尤以 石門揭煤為最。為預防煤與瓦斯突出，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 規程》規定水平，同時，因為層間距小，測壓孔短路漏氣，分層測壓極不準確， 多次出現瓦斯壓力為“0”，揭煤時卻發生突出，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抽瓦斯，每個石門布置15個鉆孔，預抽半年至 3年后再依次揭開各煤層(K10～K1)，揭完兩個石門20層煤未發生突出。 之后，全局所有石門都預抽后揭煤，石門抽放孔由15個增加至30個，預抽時間半 年以上。到目前為止，全局經預抽后揭開石門80余個，總計800余層煤，僅發生 三次突出(兩次因預抽時間不夠，一次預抽鉆孔分布不均)，石門抽出瓦斯量累計 4500萬m3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采區沿K5和K1煤層打預抽瓦斯鉆孔30余個，孔 深50～90m，單孔抽出瓦斯量最高為1m3/min，當時只能用水泥封孔，封孔深度 達不到要求，抽放15～30天后孔口嚴重漏氣，不能繼續抽放。但試驗結果表明， 只要封孔材料選用得當，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K2多次出現動力現象，有的區域K2煤層因地質構 造影響，開采極困難；我局與日本石炭技術研究所合作，引進了性能優良、沿煤 層鉆深孔的鉆機，解決了鉆孔機具和封孔技術難題，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，礦井實現安全生產 。 我局長期實踐證明，在被保護層內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 中梁山礦務局歷年通過瓦斯抽放和風機排放的純瓦斯量達10億m3以上，平 均產出1噸煤炭釋放瓦斯795m3，使生產活動中瓦斯超限現象大為下降。全局 絕對瓦斯涌出量平均由最高的1960年5016萬m3降到最低的1976年2440萬m3， 相對瓦斯涌出量南礦由最高的1963年1028m3/t降低到1975年的2542m3/t， 北礦由最高的1963年35327m3/t降低到最低的1979年321m3/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月以來沒有發生煤與瓦斯突出事故，實現了安全生 產，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、穩定、高效抽放，給瓦斯利用創造了良好條件。目前，中 梁山礦務局抽放的瓦斯已供應23000余戶居民作為燃料，創造了良好的社會經濟 綜合效益。 年利用瓦期2000萬m3以上，全抽全用，節煤量折合標煤605萬t，節煤效 益按市價折算達800萬元以上。 保護了環境，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SO2、CO2等有害 氣體對環境的污染，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 節煤替煤量(標煤) t/a 60536 2 少排SO2量 t/a 3955 3 少排飛灰量 t/a 8470 4 節省黃土量 t/a 7059 5 節省木材量 t/a 366 6 少排爐渣量 t/a 14116 7 少排CO2量 1萬m3/d 135377 瓦斯利用為中梁山礦務局解決了190人的就業問題；民用瓦斯銷售收入穩步 增長，年創銷售收入800萬元以上；利潤率相對穩定，年創利潤160萬元以上；流 動資金占用量少，經營風險小，職工收入有保障，是經濟效益顯著的產業。▲ 美國《1992年能源政策法》
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