晉城煤業集團瓦斯治理方法初探
作者：佚名
2009-02-13 17:19
來源：不詳
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表1 礦井瓦斯參數表
1.2 瓦斯來源分析
綜放面初采10m左右范圍內，一般只推進不放頂煤（頂煤不易放下），在此期間瓦斯涌出量為2.29~2.887m3/min，平均為2.67m3/min；開始放煤后，工作面瓦斯涌出量增加到3.468~5.933m3/min，平均為5.09 m3/min，這一數值可以認為是開采層本身涌出的瓦斯量；當工作面推進到30m以后老頂初次垮落，鄰近層瓦斯涌入工作面，瓦斯涌出量迅速增加到7.239~10.695 m3/min，平均為8.863 m3/min，此時的瓦斯量就是臨近層和圍巖卸壓垮落后面涌入工作面的瓦斯量。3308工作面鄰近層瓦斯涌出量占初采時的瓦斯涌出量的42.57%。由于各工作面煤層存條件、瓦斯含量不同，所以初采瓦斯涌出量也不相同，粗略分析，綜放面初采煤層本身的瓦斯涌出量是主要的，占到工作面瓦斯涌出量的57.43%~71.23%，平均為65.6%。
2區域性瓦斯抽放
2.1 區域性瓦斯抽放是國內本煤層抽放方法的一項先進技術，和其它瓦斯抽放方法相比，其最大特征是，實施區域性瓦斯抽放后，采掘活動受煤體瓦斯影響將大大降低，能充分發揮聯采機、掘錨一體機、綜掘機等現代化掘進設備的快速高效的性能；同時，實施區域瓦斯抽放，也可有效降低煤層瓦斯含量，降低煤層瓦斯壓力，從而削弱瓦斯突出，保證安全生產。
2.2 區域性瓦斯抽放的應用
晉城西區，從煤層賦存條件上講，煤質堅硬，煤層整體性好，近水平煤層，起伏不大，厚度適中，可鉆性好，適合區域性瓦斯抽放的長鉆孔施工；從技術上講，區域性瓦斯抽放所必須的長鉆孔施工技術已經成熟。
2001年9月集團公司與西安煤科院合作采用MK-6鉆機首先在寺河礦首采面（2301）的23023巷進行了順層長鉆孔施工，現場試驗，共完成鉆孔3個，累計進尺1163.53m，最大孔深519.5m，其中1#孔深509.03 m，全孔在煤層中延伸，該孔鉆進時間20.58h，平均鉆進時效24.4m/h。
現寺河礦使用MK-6鉆機施工順層鉆孔孔深普遍達300~400m，我們在工作面圈定前2~3a，甚至更長時間，將兩個工作面劃定為一個抽放區域，布置順層鉆孔進行抽放；區域抽放巷道掘進過程中，每隔150m，在工作面煤層內設鉆場施工扇形長鉆孔，抽放掘進面前方和圈定區域內的瓦斯，鉆孔長度多在200m左右；區域模塊圈出后，在另一側巷道內向工作面煤體再布置平行順層孔（平行于工作面或迎向工作面成一定角度）進行抽放。針對工作面走向靠里，開采時間早，采前預抽時間短等情況，有意識加密鉆孔，孔距（2~5m），實施強化抽放（見圖1、2）。目前寺河礦2、3盤區各布置一個瓦斯抽放區域，成莊礦準備布置一個。
圖1 煤層掘進中扇形鉆孔瓦斯抽放模式示意
寺河礦東二盤區瓦斯抽放模塊位于東二盤區輔助回風巷以東500m區域內，共布置鉆孔123個，鉆孔間距10m，總進尺3800m，平均鉆孔長度為308.9m,最長達507m。2003年10月份，鉆孔施工完畢后，聯孔抽放，區域內瓦斯抽放量為27.13m3/min，目前抽放量為24.85 m3/min，累計抽放量為1366萬m 3，抽放區域內預抽率為26.75%。
圖2煤層采前順層長鉆孔瓦斯抽放模式示意
3雙系統瓦斯抽放
所謂雙系統瓦斯抽放就是針對不同的瓦斯來源（本煤層和采空區），布置兩套抽放系統分別對其實施抽放，以解決本煤層高負壓、低流量和采空區低負壓、高流量共用一套系統相互制約的矛盾。
3.1 瓦斯來源及分布情況分析
成莊礦開采的是煤層群，首采3#煤層其上部存有不可采的1 #、2#煤層，厚0.2~0.3m，與3#煤層依次相距29m和24.5m；3#煤層開采下部，相距13m有局部可采的5#煤層。3#煤層開采時，其上部的1#、2#煤層及圍巖塌落，大量瓦斯涌向工作面回采空間；5#煤層卸壓瓦斯沿裂隙上移到工作面采空區。因而，回采工作面瓦斯來自兩個方面，開采煤層瓦斯和采空區瓦斯。
成莊礦的瓦斯來源分析見表2。
表2成莊礦綜放工作面瓦斯來源分析
從表1可以看出，在綜放面正常回采期間，采空區涌出的瓦斯量占工作面總瓦斯量的54.73%~77.11%，平均66.5%，是瓦斯治理工作的重點。
3.2 雙系統瓦斯抽放在晉城礦區的應用
采空區瓦斯抽放屬卸壓瓦斯抽放，要求抽放系統負壓一般為5~10kPa，流量大，抽放濃度根據積聚的瓦斯濃度而定，但一般都不會太高。如果采空區瓦斯抽放和煤體瓦斯預抽共用一個系統，采空區的低負壓、高流量便會使抽放系統的負壓降低，使預抽失去效果；如果只考慮預抽，高負壓、低流量的抽放系統作用于采空區，采空的抽放效果將會削弱，必然會影響瓦斯瓦斯抽放的效果。因此為了兼顧煤體瓦斯預抽和采空區瓦斯抽放，針對晉城西區本煤層和采空區瓦斯是礦井瓦斯主要來源的實際情況，我們采取了雙系統瓦斯抽放方法，以解決本煤層高負壓、低流量和采空區低負壓、高流量共用一套系統相互制約的矛盾。
寺河礦于2000年5月建立地面本煤層永久抽放系統，抽放能力為2億m3/a。于2002年底在井下東區建成了井下采空區瓦斯永久抽放系統，設計的兩個井下采空區泵站正在籌建中，在井下采空區抽放系統未建立起來之前，成莊礦現使用移動式泵站抽放本煤層瓦斯，用以解決預抽需要的高負壓問題。
寺河礦井下采空區抽放泵站，在井下生產區域就近建立，站內安裝了三臺2BE1-705型水壞式真空泵，兩臺運行，一臺備用。一臺用以抽放東區采空區瓦斯；另一臺用于預抽生產區域本煤層瓦斯并向地面接力加壓（地面泵站至井下生產區域管道達1萬m，沿程管道阻力損失大）滿足孔口負壓要求。目前，該礦泵站抽放瓦斯濃度達50%～58%，抽放瓦斯量在125m3/min以上；井下泵站采空區抽放濃度在17%～20%，抽放瓦斯量達15m3/min，全礦瓦斯抽放量達到140m3/min，礦井的抽放率達40%～45%。日抽放瓦斯量達到20萬m3以上，全礦井下今年的瓦斯抽放量預計達到6500萬m3。
成莊礦地面本煤層預抽泵站于2002年年底建成，泵站安設4臺GBF710型水環式真空泵，現單泵運行，抽放瓦斯量達20萬m3以上，全礦井今年的抽放量預計可以達到1500萬m3。
4地面鉆孔瓦斯預抽放
4.1 地面鉆孔預抽瓦斯的可行性
地面鉆孔預抽放一般適用于埋藏較淺、瓦斯含量高、透氣性好的煤系地層。寺河礦潘莊井田內地質構造簡單，底板起伏幅度小，標高變化不大。3#煤層開采深度僅60～250m，最大埋深520m；煤層的上覆巖層為砂巖和泥巖層，封蓋性能良好。
井田內已探明煤層瓦斯層瓦斯氣地質儲量286億m3，可采儲量223億m3，煤層氣儲層條件好，煤層節理、裂隙發育、滲透性好。煤層瓦斯含量3#煤平均為12.60m3/t，9#煤平均為17.01m3/t，15#煤平均為19.98m3/t；煤層瓦斯壓力為2.12MPa（埋深292～362m）；鉆孔流量衰減系數為0.001～0.05d-1，屬易抽放煤層，是國內煤層氣開發最具有前景的地區之一。這樣，一方面，瓦斯預抽后，煤體的采掘活動受瓦斯的影響將大大降低，保證了礦井的安全生產。
4.
1990年我們引進美國地面鉆孔釋壓技術，開始展開地面煤層瓦斯氣開發研究工作，首先在潘莊區井田范圍內利用常規旋轉式鉆機施工了7口Ф244.5mm的示范井，打穿3#、9#、15#可采煤層，為提高瓦斯抽氣量，同時采用水力壓裂技術對3#煤層氣作了增產處理，支撐劑先后采用了0.3mm和0.6mm的石英砂。井口安裝了250型簡易的采油樹進行瓦斯氣排采。鉆孔于1995年開始施工，到1997年完工，均已產氣，其中最高單井日產量超過120003/d，單井平均產氣量28503/d。這一燈層瓦斯氣群排采試驗的成功，有力地推動了沁水煤田煤層瓦斯氣地質勘探開發工作。
潘莊區塊井田地面煤層瓦斯氣抽放開發工程，我們分了3個階段進行，一期施工30口煤層瓦斯氣井，日供氣量達到6萬m3；二期到2005年將煤層瓦斯氣井增加到100口，年產氣量達到1億m3；三期到2010年完成整個潘莊區塊的煤層瓦斯氣開發，實現年產量3億m3。
山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司（簡稱亞城煤業集團），始建于1985年，現有5對礦井，設計生產能力1710萬t/a ，由東向西開采沁水煤田南部井田，東部老區有古書院、王臺鋪、鳳凰山三礦、為低瓦斯礦井，新區有成莊礦、寺河礦，為高瓦斯礦井，在2003年的7月份瓦斯鑒定中，成莊礦絕對瓦斯涌出量145.97m3/min，相對瓦斯涌出量13.29m3/min，相對瓦斯涌出量27.88m3/t。隨著生產的不斷擴大，瓦斯成為制約公司生產的主要因素，為了解決這一難題，在生產實踐中摸索出一條適合于自身特點的瓦斯治理的新路子。
1晉城西區瓦斯賦存及涌出特征
1.1 瓦斯賦存情況
晉城西區具有本煤層瓦斯含量大，壓力高，透氣性好，煤質較硬，厚度適中，整體較好，適合本煤層布孔抽放的特點，主要參數見表1。
礦名
煤層透氣性系數/m2(MPa2·d) -1
平均瓦斯含量
/m3·t-1
硬度
ƒ
平均
煤厚/m
寺河
東區56.74~195.3865
9.03
2~4
6.5
西區0.0314~213
16.3
成莊
0.0133~46.1734
6.99
2~4
6.5
表1 礦井瓦斯參數表
1.2 瓦斯來源分析
綜放面初采10m左右范圍內，一般只推進不放頂煤（頂煤不易放下），在此期間瓦斯涌出量為2.29~2.887m3/min，平均為2.67m3/min；開始放煤后，工作面瓦斯涌出量增加到3.468~5.933m3/min，平均為5.09 m3/min，這一數值可以認為是開采層本身涌出的瓦斯量；當工作面推進到30m以后老頂初次垮落，鄰近層瓦斯涌入工作面，瓦斯涌出量迅速增加到7.239~10.695 m3/min，平均為8.863 m3/min，此時的瓦斯量就是臨近層和圍巖卸壓垮落后面涌入工作面的瓦斯量。3308工作面鄰近層瓦斯涌出量占初采時的瓦斯涌出量的42.57%。由于各工作面煤層存條件、瓦斯含量不同，所以初采瓦斯涌出量也不相同，粗略分析，綜放面初采煤層本身的瓦斯涌出量是主要的，占到工作面瓦斯涌出量的57.43%~71.23%，平均為65.6%。
2區域性瓦斯抽放
2.1 區域性瓦斯抽放是國內本煤層抽放方法的一項先進技術，和其它瓦斯抽放方法相比，其最大特征是，實施區域性瓦斯抽放后，采掘活動受煤體瓦斯影響將大大降低，能充分發揮聯采機、掘錨一體機、綜掘機等現代化掘進設備的快速高效的性能；同時，實施區域瓦斯抽放，也可有效降低煤層瓦斯含量，降低煤層瓦斯壓力，從而削弱瓦斯突出，保證安全生產。
2.2 區域性瓦斯抽放的應用
晉城西區，從煤層賦存條件上講，煤質堅硬，煤層整體性好，近水平煤層，起伏不大，厚度適中，可鉆性好，適合區域性瓦斯抽放的長鉆孔施工；從技術上講，區域性瓦斯抽放所必須的長鉆孔施工技術已經成熟。
2001年9月集團公司與西安煤科院合作采用MK-6鉆機首先在寺河礦首采面（2301）的23023巷進行了順層長鉆孔施工，現場試驗，共完成鉆孔3個，累計進尺1163.53m，最大孔深519.5m，其中1#孔深509.03 m，全孔在煤層中延伸，該孔鉆進時間20.58h，平均鉆進時效24.4m/h。
現寺河礦使用MK-6鉆機施工順層鉆孔孔深普遍達300~400m，我們在工作面圈定前2~3a，甚至更長時間，將兩個工作面劃定為一個抽放區域，布置順層鉆孔進行抽放；區域抽放巷道掘進過程中，每隔150m，在工作面煤層內設鉆場施工扇形長鉆孔，抽放掘進面前方和圈定區域內的瓦斯，鉆孔長度多在200m左右；區域模塊圈出后，在另一側巷道內向工作面煤體再布置平行順層孔（平行于工作面或迎向工作面成一定角度）進行抽放。針對工作面走向靠里，開采時間早，采前預抽時間短等情況，有意識加密鉆孔，孔距（2~5m），實施強化抽放（見圖1、2）。目前寺河礦2、3盤區各布置一個瓦斯抽放區域，成莊礦準備布置一個。
圖1 煤層掘進中扇形鉆孔瓦斯抽放模式示意
寺河礦東二盤區瓦斯抽放模塊位于東二盤區輔助回風巷以東500m區域內，共布置鉆孔123個，鉆孔間距10m，總進尺3800m，平均鉆孔長度為308.9m,最長達507m。2003年10月份，鉆孔施工完畢后，聯孔抽放，區域內瓦斯抽放量為27.13m3/min，目前抽放量為24.85 m3/min，累計抽放量為1366萬m 3，抽放區域內預抽率為26.75%。
圖2煤層采前順層長鉆孔瓦斯抽放模式示意
3雙系統瓦斯抽放
所謂雙系統瓦斯抽放就是針對不同的瓦斯來源（本煤層和采空區），布置兩套抽放系統分別對其實施抽放，以解決本煤層高負壓、低流量和采空區低負壓、高流量共用一套系統相互制約的矛盾。
3.1 瓦斯來源及分布情況分析
成莊礦開采的是煤層群，首采3#煤層其上部存有不可采的1 #、2#煤層，厚0.2~0.3m，與3#煤層依次相距29m和24.5m；3#煤層開采下部，相距13m有局部可采的5#煤層。3#煤層開采時，其上部的1#、2#煤層及圍巖塌落，大量瓦斯涌向工作面回采空間；5#煤層卸壓瓦斯沿裂隙上移到工作面采空區。因而，回采工作面瓦斯來自兩個方面，開采煤層瓦斯和采空區瓦斯。
成莊礦的瓦斯來源分析見表2。
工作面編 號
瓦斯涌出量/m3·min-1
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td="14257">本煤層瓦斯（回風巷測得）
采空區瓦斯（專用排瓦
斯尾巷測得）
/m3·min-1
占總量/%
/m3·min‑1
占總量/%
2306
9.34
3.64
38.97
5.70
61.08
3304
20.36
4.66
22.89
15.70
77.11
2311
31.59
14.30
45.27
17.29
54.73
3307
20.91
6.41
30.66
14.50
69.34
3308
18.10
4.60
25.41
13.50
74.59
平均
20.06
6.72
33.50
13.34
66.50
表2成莊礦綜放工作面瓦斯來源分析
從表1可以看出，在綜放面正常回采期間，采空區涌出的瓦斯量占工作面總瓦斯量的54.73%~77.11%，平均66.5%，是瓦斯治理工作的重點。
3.2 雙系統瓦斯抽放在晉城礦區的應用
采空區瓦斯抽放屬卸壓瓦斯抽放，要求抽放系統負壓一般為5~10kPa，流量大，抽放濃度根據積聚的瓦斯濃度而定，但一般都不會太高。如果采空區瓦斯抽放和煤體瓦斯預抽共用一個系統，采空區的低負壓、高流量便會使抽放系統的負壓降低，使預抽失去效果；如果只考慮預抽，高負壓、低流量的抽放系統作用于采空區，采空的抽放效果將會削弱，必然會影響瓦斯瓦斯抽放的效果。因此為了兼顧煤體瓦斯預抽和采空區瓦斯抽放，針對晉城西區本煤層和采空區瓦斯是礦井瓦斯主要來源的實際情況，我們采取了雙系統瓦斯抽放方法，以解決本煤層高負壓、低流量和采空區低負壓、高流量共用一套系統相互制約的矛盾。
寺河礦于2000年5月建立地面本煤層永久抽放系統，抽放能力為2億m3/a。于2002年底在井下東區建成了井下采空區瓦斯永久抽放系統，設計的兩個井下采空區泵站正在籌建中，在井下采空區抽放系統未建立起來之前，成莊礦現使用移動式泵站抽放本煤層瓦斯，用以解決預抽需要的高負壓問題。
寺河礦井下采空區抽放泵站，在井下生產區域就近建立，站內安裝了三臺2BE1-705型水壞式真空泵，兩臺運行，一臺備用。一臺用以抽放東區采空區瓦斯；另一臺用于預抽生產區域本煤層瓦斯并向地面接力加壓（地面泵站至井下生產區域管道達1萬m，沿程管道阻力損失大）滿足孔口負壓要求。目前，該礦泵站抽放瓦斯濃度達50%～58%，抽放瓦斯量在125m3/min以上；井下泵站采空區抽放濃度在17%～20%，抽放瓦斯量達15m3/min，全礦瓦斯抽放量達到140m3/min，礦井的抽放率達40%～45%。日抽放瓦斯量達到20萬m3以上，全礦井下今年的瓦斯抽放量預計達到6500萬m3。
成莊礦地面本煤層預抽泵站于2002年年底建成，泵站安設4臺GBF710型水環式真空泵，現單泵運行，抽放瓦斯量達20萬m3以上，全礦井今年的抽放量預計可以達到1500萬m3。
4地面鉆孔瓦斯預抽放
4.1 地面鉆孔預抽瓦斯的可行性
地面鉆孔預抽放一般適用于埋藏較淺、瓦斯含量高、透氣性好的煤系地層。寺河礦潘莊井田內地質構造簡單，底板起伏幅度小，標高變化不大。3#煤層開采深度僅60～250m，最大埋深520m；煤層的上覆巖層為砂巖和泥巖層，封蓋性能良好。
井田內已探明煤層瓦斯層瓦斯氣地質儲量286億m3，可采儲量223億m3，煤層氣儲層條件好，煤層節理、裂隙發育、滲透性好。煤層瓦斯含量3#煤平均為12.60m3/t，9#煤平均為17.01m3/t，15#煤平均為19.98m3/t；煤層瓦斯壓力為2.12MPa（埋深292～362m）；鉆孔流量衰減系數為0.001～0.05d-1，屬易抽放煤層，是國內煤層氣開發最具有前景的地區之一。這樣，一方面，瓦斯預抽后，煤體的采掘活動受瓦斯的影響將大大降低，保證了礦井的安全生產。
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td="14257">2 地面鉆孔預抽瓦斯的應用
1990年我們引進美國地面鉆孔釋壓技術，開始展開地面煤層瓦斯氣開發研究工作，首先在潘莊區井田范圍內利用常規旋轉式鉆機施工了7口Ф244.5mm的示范井，打穿3#、9#、15#可采煤層，為提高瓦斯抽氣量，同時采用水力壓裂技術對3#煤層氣作了增產處理，支撐劑先后采用了0.3mm和0.6mm的石英砂。井口安裝了250型簡易的采油樹進行瓦斯氣排采。鉆孔于1995年開始施工，到1997年完工，均已產氣，其中最高單井日產量超過120003/d，單井平均產氣量28503/d。這一燈層瓦斯氣群排采試驗的成功，有力地推動了沁水煤田煤層瓦斯氣地質勘探開發工作。
潘莊區塊井田地面煤層瓦斯氣抽放開發工程，我們分了3個階段進行，一期施工30口煤層瓦斯氣井，日供氣量達到6萬m3；二期到2005年將煤層瓦斯氣井增加到100口，年產氣量達到1億m3；三期到2010年完成整個潘莊區塊的煤層瓦斯氣開發，實現年產量3億m3。
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