焦作礦區瓦斯抽采技術研究試驗方案
焦作礦區瓦斯抽采技術研究試驗方案
焦作煤業（集團）公司科學技術研究所
焦作煤業（集團）公司技術管理處
二〇〇五年九月
焦作礦區瓦斯抽采技術研究試驗方案
1．前言
煤層瓦斯抽放作為防止煤礦瓦斯災害事故的根本措施，于1964年即開始在焦作礦區開展應用，各生產礦井逐步建立了配套的瓦斯抽放系統，以及專業的瓦斯抽放隊伍。鑒于本礦區單一煤層開采的特點，焦作礦區在煤層瓦斯預抽方面分別進行了鉆孔布置方式、抽放鉆孔封孔工藝和抽放鉆孔施工機具等方面的技術研究，《抽放瓦斯鉆孔固孔工藝技術研究》、《交叉鉆孔抽放本煤層瓦斯試驗研究》、《鉆孔瓦斯參數優化選擇研究》等項目的完成，推廣應用了工作面交叉鉆孔抽放、聚氨酯化學材料封孔及自動變徑擴孔鉆頭等技術，并在一定的時期取得了較好的瓦斯抽放效果。
隨著焦作礦區開采深度的延伸，煤層瓦斯含量、瓦斯壓力逐步升高，開采期間的煤與瓦斯突出危險性日益嚴重，煤與瓦斯突出強度、礦井瓦斯涌出量顯著增加。在現有的抽放技術條件下，為有效解除工作面的突出危險，生產礦井往往需要6~8個月，乃至十幾個月的時間進行采前預抽，仍無法滿足安全生產的需要，因瓦斯問題束縛生產的現象屢屢出現。采前的低抽出率，導致工作面回采期間絕對瓦斯涌出量的增加，單純依靠提高通風風量解決瓦斯涌出，必然帶來風速超限等一系列問題，對礦井安全生產埋下巨大的隱患。
雖然近年來在突出地區煤巷掘進方面進行的一系列技術研究，有力地保證了采掘施工安全，并實現了掘進速度大幅度提高，為工作面抽放贏得了更為充分的時間，但現有的抽放裝備及技術仍無法滿足高產高效化礦井建設的需要。綜合機械化開采試驗在焦作礦區的試驗成功，其開采強度大、推進速度快、絕對瓦斯涌出量大的特點對工作面的接替及采前抽放提出了更高的要求。從根本上改變焦作礦區瓦斯防治的技術思路，是焦作礦區防突安全面貌發生根本改觀的迫切需要。
2.總體技術思路
國家在煤炭行業明確提出了“先抽后采，監測監控，以風定產”的十二字方針，要求突出礦井及高瓦斯礦井必須通過有效的瓦斯抽放技術，治理工作面開采期間的瓦斯問題。瓦斯抽放作為根本的瓦斯防治技術措施，如何得到充分的利用，應提高到戰略與戰術的高度去重視和貫徹。“焦作礦區瓦斯抽采技術研究”主要技術思路，應將“瓦斯抽放”觀念轉變為“瓦斯抽采”，并作為焦作礦區瓦斯防治戰略的主要內容。
焦作礦區瓦斯防治面貌實現新的突破，主要戰略概括為：以科技為先導、以產業化開發、以利用促抽采、以抽采保安全。具體到瓦斯抽放，應做到“應抽必抽、以用促抽、采前預抽、邊采邊抽、采后再抽”。采前預抽技術不僅包括采面進行本煤層預抽，而且包括地面鉆孔預抽技術的研究與開發；邊采邊抽則包括工作面回采期間的邊采邊抽，掘進期間的邊掘邊抽，工作面卸壓帶淺孔抽放和高位鉆孔抽放等技術；采后再抽則可通過地面鉆孔進行采后老塘抽放，以及采空區埋管抽放等。通過在瓦斯抽放上的技術突破，形成焦作礦區瓦斯資源的產業化開發，并形成以利用促抽采、以抽采保安全的良性循環。
3．瓦斯抽采技術方案
3.1采前預抽技術方案
開采煤層采前進行瓦斯抽放，對于提前解除開采期間的煤層瓦斯突出危險具有重要的作用。結合并借鑒國內外突出（高瓦斯）礦區進行煤層瓦斯預抽的技術經驗，提出以下技術方案：
3.1.1地面鉆孔瓦斯抽放技術
地面鉆孔抽放瓦斯技術，即通過在地表向采掘工作面區域內施工鉆孔，經過鉆孔、完井、固井、對煤層強化處理、排水、抽氣、氣水分離等工藝抽取煤層氣（瓦斯）。我國在20世紀80年代末借鑒美國的成功經驗，開展地面鉆孔抽放瓦斯的勘探及試驗工作，主要試驗垂直鉆孔進入煤層或采空區抽放未采動煤層或采空區瓦斯。至今已試驗200多口井，其中國外投資21口井，國內投資100多口井。地面鉆孔抽放采空區瓦斯在淮北、鐵法等礦區都取得成功。淮北礦區1994年底開始在桃源礦1018首采工作面進行地面鉆孔抽放采空區瓦斯試驗，前半年平均抽放量577m3/d，以后衰減，共抽14個月，抽出瓦斯180km3，瓦斯抽放率達到64.1%，抽放瓦斯濃度一直保持在90%以上，鉆孔抽放半徑可達300m 以上。鐵法礦區首先在大興礦北一采區405工作面進行地面鉆孔抽放采空區瓦斯試驗，共打3個試驗孔，孔間距150m，鉆孔布置在離回風巷約50m處，套管直徑180mm。開始抽放時單孔日抽氣量3440 m3/d，呈遞減趨勢，停抽1～2天又恢復，抽氣瓦斯濃度都在95%以上。目前為止，礦區已施工15口地面鉆井抽放采空區瓦斯。
焦作礦區具有豐富的瓦斯資源，通過與國內外具有相關技術與裝備的研究院所、公司企業合作，研究適合于焦作礦區的地面鉆孔抽放瓦斯技術，是礦區瓦斯抽采的一個重要途徑。
3.1.2頂板巖巷預抽煤層瓦斯技術
焦作礦區主采二1煤透氣性差，多數礦區煤質松軟，在頂底板附近有一軟煤分層。煤巷掘進期間及進行本煤層預抽過程中抽放效果差，達不到較好的防治瓦斯效果。頂板巖巷預抽煤層瓦斯技術，即通過在回采工作面設計范圍內預先施工一條頂板巖巷，在巖巷內分別向回采巷道掘進區域及回采工作面內施工預抽鉆孔，進行煤層瓦斯的抽放。相對而言，該方式進行抽放鉆孔的施工，更易達到全面控制回采區域煤層，提高瓦斯抽放效果的目的。同時，利用對回采巷道掘進范圍內的瓦斯提前預抽，可提前解除或降低掘進工作面的突出危險性，對于進一步加快煤巷掘進速度有著重要的作用。
研究頂板巖巷預抽煤層瓦斯技術，應根據煤層頂板巖性及采動影響范圍合理布置巷道層位。一方面應盡量減少抽放鉆孔的巖巷工程量，另一方面充分利用頂板巖巷的作用，實現回采過程中的巷道低負壓抽放，降低采空區瓦斯涌出，提高瓦斯資源的利用率。
頂板巖巷預抽煤層瓦斯技術的抽放鉆孔布置方式如下圖所示。
3.1.3本煤層網格抽放技術
考慮到本煤層施工順層鉆孔的特點，為有效增加煤層預抽鉆孔長度，在回采工作面每隔一定距離布置一條中間巷，在該巷道內，沿工作面走向施工順層抽放鉆孔，與工作面上下風道的抽放鉆孔形成網格狀交叉布置方式。該方式布置抽放鉆孔，可提高單位面積內的鉆孔抽放強度，同時可利用工作面超前采動影響進行工作面卸壓抽放。
該方案布置示意圖見下圖：
3.1.4低透氣性煤層增透技術
低透氣性煤層的瓦斯抽放是一項世界性的前沿技術難題。主要采煤國家都在進行探索性研究。增加煤層透氣性的措施有兩大類，即層內措施與層外措施；在層內措施方面，前蘇聯曾經實驗過鹽酸化學法、水力破裂法、深孔松動爆破法、靜電場等增透法，但效果不夠顯著，現在主要采取增加鉆孔在煤層內的暴露面積、布孔密度和立體交叉鉆孔等措施。美國試驗了水力壓裂預抽瓦斯技術，在煤層滲透率大于2～3md的煤層收到了較好效果，并得到廣泛應用；但該方法用于低透氣性煤層效果不好，他們還實驗了水力空穴法、泡沫壓裂法等，但都沒有突破。在層外措施方面，前蘇聯科學院對開采上、下保護層時瓦斯壓力變化和保護范圍與效果進行過考察研究，取得了較多成果與應用。
國內在增加煤層透氣性方面實驗了水力壓裂法、水力割縫法、水力空穴法、深孔預裂爆破法、靜電法等，雖有一定效果，但無較大突破；現在主要采取增加鉆孔在煤層內的暴露面積、布孔密度和立交鉆孔等措施。在層外措施方面，中國礦業大學對遠距離保護層的保護效果和抽放卸壓瓦斯技術進行了卓有成效的研究，居領先地位，其成果在天府、淮南等礦區得到大面積推廣應用。
與國內外相關技術研究比較，焦作礦區煤層無法實現層外抽放技術措施，結合焦作礦區的煤層賦存特點，通過研究水力切割、水力壓裂等煤層增透技術，達到短時、高效抽出煤層瓦斯，采前消除煤層煤與瓦斯突出危險，是低透氣性煤層瓦斯抽放增透技術的主要研究目標。
在煤體中，層理與節理發育的不同，影響著煤體中游離瓦斯的運移狀態，一般情況下，游離瓦斯主要是沿層理進行運動。研制可控的水力切割技術及裝置，將煤體中的層理相互溝通，則是開展水力切割增透技術研究的關鍵。同時，在水—煤—瓦斯體系形成后，由于相互之間的作用和影響，直接關系到抽放瓦斯的效果。開展相應的基礎研究，確定合理的水力切割、水力壓裂技術參數，亦是十分重要。
（1）水力切割增透技術試驗方案
水力切割增透即通過高壓水射流的切割，擴大鉆孔直徑，增加煤層的暴露面積和卸壓范圍，提高煤層的透氣性，加大鉆孔的抽放影響半徑，提高煤層的抽排瓦斯量。國內一些礦區曾進行了一定的試驗，通過擴孔射流器達到水力擴孔的效果。但相對來說，采用擴孔射流器進行擴孔，需要在小直徑鉆孔成孔后將鉆桿退出，改裝擴孔射流器，從而增加了施工難度的工程量。對其進行一定的技術改進，研制更為適應的擴孔技術，是水力割縫增透的技術關鍵。
為實現煤層水力切割增透，以科研所研制的BZ-Ⅱ型自動變徑擴孔鉆頭為基礎，進行相應的技術改進，達到實現水力切割的技術目標。BZ-Ⅱ型自動變徑擴孔鉆頭在鉆孔鉆進過程中以較小的孔徑推進，在鉆孔到達預定位置后，通過擴孔刀具的切割，實現二次擴孔。通過改進，將刀具的切割與高壓水射流的切割綜合作用，達到較好地擴孔效果。
（2）水力切割設備及工藝
水力切割技術試驗主要利用煤礦現有的抽放鉆機及可提供高壓動力水的注水泵來實現。一般情況下，要求抽放鉆機能夠在鉆進過程中以壓風作為排粉動力，在達到預定位置后，將壓風切換為高壓水，利用高壓水進行鉆孔內部的切割和排碴。
根據在焦作礦區開展中高壓注水防突試驗的經驗，結合水力掏槽措施工藝的有關參數，初步選擇水力切割壓力為10MPa左右，注水泵初步選用可提供足夠壓力和水量的煤層注水泵或工作面乳化液泵。
水力切割系統示意圖如下：
水力切割鉆孔鉆進至預定位置后，開動注水泵并進行相應的切換，鉆機保持旋轉狀態后退，進行水力切割。在到達距孔口10m位置后，停止旋轉、停止高壓水，將鉆桿緩慢拔出。
（3）水力切割施工鉆具
對于BZ-Ⅱ型自動變徑鉆頭的改進，采用兩種技術方案，一種方案是通過在該鉆具前方加裝一特制的三翼鉆頭，鉆頭上設計孔徑6~8mm的三個出氣（水）孔。同時，擴孔鉆頭上部布置三個出氣（水）孔。鉆進期間，通過三翼鉆頭及擴孔鉆頭上的出氣孔起到排碴作用。待達到預定位置后，切換為高壓水，進行鉆孔內的水力切割。
為形成一定的切割面，擴孔鉆頭上的出氣（水）孔相錯布置，以提高切割面的寬度。該方案的鉆具結構示意圖如下：
方案二則是在擴孔鉆頭與普通鉆頭之間，加裝一可控裝置，在鉆進期間，由于風壓較低，進氣通路暢通，保證風力排碴的需要，擴孔鉆頭上的出氣孔也起到一定的排碴作用；鉆進到一定位置后，將壓風切換為高壓水，由于水壓遠遠大于風壓，裝置啟動，通往前方的水路閉合，高壓水沿擴孔鉆頭上的出水孔沖出，達到水力切割煤體的目的。該方案的鉆具結構示意圖如下：
（4）水力切割技術參數
水力切割即通過高壓水射流對煤體進行短時、快速的破碎，以提高煤體卸壓影響范圍，提高煤體透氣性的技術措施。一般情況下，從管路中沖出的高壓水，在一定的范圍內成擴散狀態，且與管路的大小有著一定的關系。在鉆孔中進行水力切割，雖然沖割距離較短，但要達到一定的切割壓力，必須選擇合理的出水孔直徑，結合水力掏槽的相關參數，在擴孔鉆具上設計的出水孔直徑按照6mm、8mm等不同的大小進行試驗，根據切割效果進行考察確定。
同時，鉆孔切割的大小，與水射流的壓力、鉆機的旋轉后退速度等有著重要關系。試驗期間，應根據沖出鉆孔的煤量大小綜合分析水力切割的效果。試驗初期，應有效控制沖割后的鉆孔直徑不大于300mm。
（5）鉆孔封孔技術
采用水力切割技術進行抽放鉆孔增透試驗，必須保證良好的成孔質量和相適應的封孔技術。鉆孔以89mm直徑鉆進，到達預定位置后，鉆機旋轉后退，擴孔刀具打開（設計擴孔直徑150mm），配合高壓水射流的綜合作用，進行鉆孔深部的切割擴孔。考慮到水力切割期間水流的排出對鉆孔孔口煤體形狀的影響，采用相匹配的的護孔管（可采用Φ108mm的護孔管）進行護孔，以保證孔口的成型和封孔的質量。
鉆孔施工完畢，及時采用聚氨酯化學封孔材料進行封孔，封孔深度根據試驗地區的封孔經驗執行。
3.2邊采邊抽技術方案
邊采邊抽技術方案充分利用煤體采動影響造成的卸壓作用，對卸壓范圍內的煤體瓦斯進行綜合抽放，實踐表明，邊采邊抽技術對于降低回采期間風流瓦斯涌出濃度，預防和減少風流瓦斯濃度超限具有重要的作用。根據焦作礦區煤層開采的技術特點，主要采取以下技術措施：
3.2.1卸壓帶鉆孔邊采邊抽技術
順煤層鉆孔預抽瓦斯技術的缺點是透氣性低、煤層軟，使得單位工程預抽量小、預抽時間長、預抽工程量大、鉆孔施工困難等。因此，在有條件的情況下，尋求利用采動卸壓抽放瓦斯的技術是合理的。考察證明，一般在超前回采工作面一定范圍內，煤體壓力降低、透氣性增加，通過合理地布置回采工作面邊采邊抽鉆孔，進行卸壓帶抽放，可顯著地提高鉆孔的瓦斯抽出率。
同時，利用這一現象，在回采工作面沿走向布置鉆孔，進行卸壓帶淺孔抽放，對于降低回采工作面風流瓦斯也有著重要的作用。
3.2.2高位鉆孔抽放技術
煤層開采過程中，頂板巖層受采動影響發生破壞變形，形成破碎帶、裂隙帶，煤層中的瓦斯必然沿裂隙向上部的一定空間運動，并富集在這些區域。開采前，向這一區域施工抽放鉆孔進行聯抽，對于顯著降低采空區瓦斯涌出具有重要的作用。采用布置頂板巖巷方案時，則可利用頂板巖巷向工作面回采方向巖層中施工高位鉆孔進行抽放，或者在巷道與煤層之間裂隙溝通的情況下，封閉巷道直接抽放上部煤層中的瓦斯。
3.3 采空區瓦斯抽放
采空區瓦斯抽放的主要目的是為了解決采煤工作面瓦斯超限的問題，尤其對高產集約化生產的工作面，即使通過煤層瓦斯預抽或采動卸壓抽放，或者即使煤層瓦斯含量不高，但由于工作面產量高，工作面瓦斯仍然難以利用通風方法解決，這時采用采空區瓦斯抽放是必要的。采空區瓦斯抽放對于減少采空區向生產采掘空間泄露瓦斯，減輕礦井通風的壓力有著重要的作用。
采空區瓦斯抽放的方法很多，前面提到的地面鉆孔抽放采空區瓦斯、頂板巖石巷道抽放采空區瓦斯，高位鉆孔抽放采空區瓦斯等都是非常有效的采空區抽放瓦斯方法。另外還有采空區埋管抽放瓦斯、老采空區封閉抽放瓦斯等方法也得到廣泛應用。
4.加強瓦斯抽放的意義
在煤礦采掘過程中，瓦斯是最大的威脅，瓦斯抽放是解除這種威脅最有效的措施，只有在進行大量瓦斯抽放，通風足以稀釋在任何意外情況出現的瓦斯濃度時，才能給采掘生產創造一個不受瓦斯威脅的相對安全環境。瓦斯抽放是煤礦生產中最重要的一道生產工序，礦井瓦斯抽放計劃中應充分考慮瓦斯預抽、采動卸壓抽、采空區抽的抽放瓦斯目標，并根據礦井各種抽放方法的抽放考察參數，合理計劃抽掘采生產銜接計劃，并嚴格執行計劃，真正把瓦斯抽放納入第一道生產工序中。
由于各礦井煤巖層的賦存特點、瓦斯賦存的規律、生產采掘工藝的方式等可能存在許多不同之處，根據礦井自身特點研究瓦斯抽放的合理組合方式、工藝參數、抽放效果評價技術等是非常必要的。這些研究成果能夠為礦井瓦斯抽放的科學管理、生產計劃的科學編制以及計劃的嚴格實施提供必要的科學依據，也是確保安全生產、提高工作效率和生產效益的有效手段。
