長期穩定高效抽放礦井煤層氣的措施

丁學平〔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2044億m3，至1995年底可抽儲量為18億m3；-20m水平至-400m水平煤層氣儲量為150億m3。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m3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96m，除K2（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0007～00148md，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m3，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m

    3。 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K7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K2作保護層，上鄰近層(K1)是本煤田最厚的一層煤，平均厚25m，煤與瓦斯突出也最嚴重，K1與K2相距僅5～7m，下鄰近層K3與K2相距4m，開采K2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1m3/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m3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00028～00059md。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504m，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m3/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，K1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6m3/min，其中煤壁涌出瓦斯275m3/min，采空區涌出瓦斯325m3/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24m3/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25m3/min，瓦斯濃度為30～65%，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m3/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(K10～K1)，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m3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K5和K1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1m3/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K2多次出現動力現象，有的區域K2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m3以上，平均產出1噸煤炭釋放瓦斯795m3，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m3降到最低的1976年2440萬m3，相對瓦斯涌出量南礦由最高的1963年1028m3/t降低到1975年的2542m3/t，北礦由最高的1963年35327m3/t降低到最低的1979年321m3/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m3以上，全抽全用，節煤量折合標煤605萬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SO2、CO2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 605362 少排SO

    2量 t/a 3955

    3 少排飛灰量 t/a 8470

    4 節省黃土量 t/a 70595 節省木材量

    5t/a 3666 少排爐渣量

    6t/a 141167

    7少排CO2量 1萬m3/d 135377