长期稳定高效抽放矿井煤层气的措施

丁学平〔1〕中梁山矿务局，工程师，630052四川重庆市九龙坡区中梁山田坝二村摘 要 中梁山矿务局主要采用了多钻孔预抽低透气性煤层的瓦斯，同时还采取扩大采空区、邻近层和围岩的瓦斯抽放范围和综合瓦斯抽放措施。因此，实现了长期稳定高效抽放矿井瓦斯，确保了安全生产，并为矿区居民提供新的能源。

    1 概述 中梁山矿务局是全国煤炭系统重点煤与瓦斯突出矿区，煤层气储量在-20m以上，有2044亿m3，至1995年底可抽储量为18亿m3；-20m水平至-400m水平煤层气储量为150亿m3。抽放矿井瓦斯始于1960年，至今已抽出煤层气量6亿m3以上。从1970年起全面推行预先抽放低透气性煤层瓦斯技术。瓦斯抽放率逐步提高，现已达48%左右。近年来通过发展抽放技术和完善抽放工艺，推行密集网格式布孔和采空区瓦斯抽放新技术，进一步完善了瓦斯抽放措施，瓦斯抽放量稳定在2000万m3以上，实现了长期稳定高效抽放矿井瓦斯。

    2 矿井概况及煤层气赋存特征

    中梁山煤田为一准对称的覆舟状背斜构造，分南、北两个井田开采，核定煤炭年产量80万t，实际年产量约60万t。煤系地层(二迭系龙潭组)厚约123m，平均倾角约68°，十层煤中有八层开采，煤层平均总厚96m，除K2（保护层)外，其余均为突出煤层，煤田内断层、褶曲构造多而复杂，加上严重的瓦斯灾害，矿井开采和安全生产困难很大。

    煤系地层覆盖(灰岩，泥岩)厚度大，透气性极小，渗透率为0007～00148md，背斜轴部未受到强烈侵蚀，煤层无露头与地表相通，瓦斯从煤系向地表运移困难，构成了保存瓦斯的条件；本煤田大都是逆掩断层，处于断层带附近的煤体由于受到断层的阻碍，构成了瓦斯储存的封闭地带，开采接近这些地段，常常涌出大量瓦斯，极易发生煤与瓦斯突出。

    本煤田煤系底部为茅口石岩，溶洞裂隙发育，在溶洞裂隙内储集有大量瓦斯，经生产统计表明，溶洞裂隙瓦斯涌出量约占矿井瓦斯涌出量的20%。1960年在南矿+390m水平掘穿1号溶洞，喷出瓦斯25万m3，造成矿井一翼停产，尔后开始进行矿井瓦斯抽放(抽放溶洞瓦斯)，该溶洞涌出和抽出的瓦斯总量达6000万m

    3。 中梁山煤田采空区瓦斯极为丰富。主要来源有两个：一是复杂的地质条件造成矿井回采率低，大量残留煤留在采空区，集存有丰富的残存瓦斯；二是来自围岩及邻近层的瓦斯，为采空区瓦斯主要来源。

    根据本煤田瓦斯赋存特点，把预抽瓦斯与扩大采空区瓦斯抽放相结合，有利于提高矿井瓦斯抽放率。

    3 提高矿井瓦斯抽放率的措施 中梁山矿务局提高矿井瓦斯抽放率的主要措施有：

    (1)将抽放矿井瓦斯纳入矿井开采程序，保持掘、抽、采平衡 矿井瓦斯抽放不仅需要掘进巷道，开凿钻场、打钻、封孔等工程，若预抽低透气性煤层瓦斯，还必须保证有足够的预抽时间，才能实现掘、抽、采平衡。因此，必须把瓦斯抽放纳入矿井开采程序。 中梁山矿务局从抽溶洞裂隙瓦斯到抽邻近层瓦斯，历时10年，始终未能解决保护层开采时瓦斯大量涌出带来的安全生产难题。70年代初，采取了大面积预抽煤层瓦斯，提高抽放负压，延长钻孔服务时间等方法，使矿井瓦斯抽放量有了很大提高，基本保证了保护层正常开采。同时，在采掘布署上也作了重大调整，采用大后退式回采，提前数年开拓集中运输巷和瓦斯抽放巷，预抽1～5年后再开采保护层。其次，把瓦斯抽放巷道由K7改在茅口灰岩中，由于抽放巷道围岩致密，且不受采动影响，提高了封孔质量，使钻孔在较高抽放负压下不漏气。中梁山煤田透气性低，煤层多，层间距小，围岩富集瓦斯，许多钻孔预抽期长达10年，抽出瓦斯量较稳定，衰减不明显。我局调整后的开拓、采煤布置方式能与抽放瓦斯相适应，保证有足够的时间预抽瓦斯，从而实现了掘、抽、采平衡。

    (2)合理延长钻孔服务时间 我局以K2作保护层，上邻近层(K1)是本煤田最厚的一层煤，平均厚25m，煤与瓦斯突出也最严重，K1与K2相距仅5～7m，下邻近层K3与K2相距4m，开采K2时，邻近层的瓦斯大量涌入保护层，这时钻孔预抽瓦斯结束，即转入抽卸压瓦斯的最佳时期，此时单孔抽放量最高可达1m3/min，但最佳抽放期只有3～5个月，保护层采过钻孔150m之后，卸压瓦斯便急剧下降，但抽出量仍比预抽量大，对这样的钻孔安装可调开关，加强检查，及时调整抽放负压和抽放瓦斯浓度，可抽至煤系各煤层开采结束。瓦斯抽放钻孔从投入预抽到各煤层开采结束止，服务期最长达10年，单孔总抽出量最高达25万m3以上。

    (3)推行网格式密集布孔，发展预抽技术 中梁山煤层透气性低，其系数为00028～00059md。在低透气性煤层中，钻孔抽出的瓦斯只能限于有限的范围内，要选择最佳预抽期，必须确定合理的钻孔间距。根据我局实测，经过预抽后，钻孔周围即有卸压效应产生，如果两钻孔之间卸压带重迭，则透气性将会得到改善，这将有利于抽放，现我局抽放瓦斯钻孔间距为5～8m，预抽一年影响半径504m，预抽一年左右即可出现上述现象，预抽量在3年内无明显下降，合理预抽期为3年，3年以后乃至更长时间仍然可抽，预抽量随时间延长缓慢衰减。由于中梁山煤田的特定环境及瓦斯赋存特征，衰减的速度极慢，增加钻孔密度可提高矿井瓦斯抽出量。在矿井开采强度大幅度降低的情况下，我局瓦斯抽放量仍保持在2000万m3/a以上，矿井瓦斯抽放率逐年提高，现为48%。

    (4)发展采空区抽放技术 我局于1960年在南矿+500m水平5311采区进行过采空区瓦斯抽放，由于瓦斯浓度较低，K1是发火煤层，抽放技术和装备都极其落后，试抽不久即终止。80年代初期我局全面推行下行通风，长期观测表明，采用下行通风后，回采工作面采空区瓦斯浓度比上行通风高、瓦斯集中分布于采空区的后上方。如南矿2312采区，采用上行通风，绝对瓦斯涌出量6m3/min，其中煤壁涌出瓦斯275m3/min，采空区涌出瓦斯325m3/min，因回风瓦斯超限而停产，改为下行通风后，绝对瓦斯涌出量下降至24m3/min，采空区瓦斯全被抑制住，采空区瓦斯浓度最高时为80%，非常有利于采空区瓦斯抽放。随即，在北矿1321和1322采区，采用下行通风并结合抽放采空区瓦斯，用石门密闭插管或由石门向采空区内打钻孔抽放，钻孔间距50m，采空区内的瓦斯抽放量平均25m3/min，瓦斯浓度为30～65%，采空区抽放率大于80%。近年来，我局开发煤层多采用柔性掩护支架，工作面通风断面小，瓦斯超限较频繁，采用下行通风结合抽放采空区瓦斯措施后，基本杜绝了采空区浮煤自燃，提高了矿井瓦斯抽放率。 除此之外，对矿井报废水平的老采空区的瓦斯继续抽放，我局采空区瓦斯抽出量达到了120万m3/a。

    (5)石门预抽瓦斯后揭煤 我局进入+130m，+140m水平深部开采后，煤与瓦斯突出灾害更趋严重，尤以石门揭煤为最。为预防煤与瓦斯突出，多年来，石门揭煤前采用分组分层钻孔自然排放瓦斯，因煤层透气性低，需长时间排放，瓦斯压力才能下降至《煤矿安全规程》规定水平，同时，因为层间距小，测压孔短路漏气，分层测压极不准确，多次出现瓦斯压力为“0”，揭煤时却发生突出，石门揭煤速度极慢。1981年南矿试验用钻孔一次打穿一翼煤层预抽瓦斯，每个石门布置15个钻孔，预抽半年至3年后再依次揭开各煤层(K10～K1)，揭完两个石门20层煤未发生突出。之后，全局所有石门都预抽后揭煤，石门抽放孔由15个增加至30个，预抽时间半年以上。到目前为止，全局经预抽后揭开石门80余个，总计800余层煤，仅发生三次突出(两次因预抽时间不够，一次预抽钻孔分布不均)，石门抽出瓦斯量累计4500万m3以上。

    (6)完善综合抽放瓦斯方法，推行沿层钻孔抽放瓦斯

    1978年，我局在南矿2453采区沿K5和K1煤层打预抽瓦斯钻孔30余个，孔深50～90m，单孔抽出瓦斯量最高为1m3/min，当时只能用水泥封孔，封孔深度达不到要求，抽放15～30天后孔口严重漏气，不能继续抽放。但试验结果表明，只要封孔材料选用得当，加大封孔深度，沿层钻孔抽放瓦斯效果是非常明显的，与穿层钻孔抽放相比较，沿煤层钻孔速度快，单孔瓦斯抽出量高。目前，我局进入深部水平开采面，保护层K2多次出现动力现象，有的区域K2煤层因地质构造影响，开采极困难；我局与日本石炭技术研究所合作，引进了性能优良、沿煤层钻深孔的钻机，解决了钻孔机具和封孔技术难题，沿层钻孔抽放瓦斯方法得到进一步完善，提高了矿井瓦斯抽放量，防止了煤与瓦斯突出，矿井实现安全生产。 我局长期实践证明，在被保护层内开展沿层钻孔抽放瓦斯是防止煤与瓦斯突出的有效措施，是提高矿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

    中梁山矿务局历年通过瓦斯抽放和风机排放的纯瓦斯量达10亿m3以上，平均产出1吨煤炭释放瓦斯795m3，使生产活动中瓦斯超限现象大为下降。全局绝对瓦斯涌出量平均由最高的1960年5016万m3降到最低的1976年2440万m3，相对瓦斯涌出量南矿由最高的1963年1028m3/t降低到1975年的2542m3/t，北矿由最高的1963年35327m3/t降低到最低的1979年321m3/t，1961年以来避免了瓦斯爆炸死亡事故；1983年以来避免了煤与瓦斯突出死亡事故；南矿自1982年2以来，北矿自1987年8月以来没有发生煤与瓦斯突出事故，实现了安全生产，并且交瓦斯变害为利，开辟出新能源，造福人类。

    (2)效益

    矿井瓦斯的长期、稳定、高效抽放，给瓦斯利用创造了良好条件。目前，中梁山矿务局抽放的瓦斯已供应23000余户居民作为燃料，创造了良好的社会经济综合效益。

    年利用瓦期2000万m3以上，全抽全用，节煤量折合标煤605万t，节煤效益按市价折算达800万元以上。

    保护了环境，大大减少了大气污染。一方面矿井瓦斯对空排放量大大降低，减少了大气污染；另一方面部分居民不再燃煤，大大减少了SO2、CO2等有害气体对环境的污染，大大减少了引火木柴的使用量和灰渣的排放量，创造了良好的社会效益，见下表1：

    表1

    中梁山煤田瓦斯利用效益表

    序号 项 目 单 位 效 益

    1节煤替煤量(标煤) t/a 605362 少排SO

    2量 t/a 3955

    3 少排飞灰量 t/a 8470

    4 节省黄土量 t/a 70595 节省木材量

    5t/a 3666 少排炉渣量

    6t/a 141167

    7少排CO2量 1万m3/d 135377