焦作矿区瓦斯抽采技术研究试验方案
焦作矿区瓦斯抽采技术研究试验方案
焦作煤业（集团）公司科学技术研究所
焦作煤业（集团）公司技术管理处
二〇〇五年九月
焦作矿区瓦斯抽采技术研究试验方案
1．前言
煤层瓦斯抽放作为防止煤矿瓦斯灾害事故的根本措施，于1964年即开始在焦作矿区开展应用，各生产矿井逐步建立了配套的瓦斯抽放系统，以及专业的瓦斯抽放队伍。鉴于本矿区单一煤层开采的特点，焦作矿区在煤层瓦斯预抽方面分别进行了钻孔布置方式、抽放钻孔封孔工艺和抽放钻孔施工机具等方面的技术研究，《抽放瓦斯钻孔固孔工艺技术研究》、《交叉钻孔抽放本煤层瓦斯试验研究》、《钻孔瓦斯参数优化选择研究》等项目的完成，推广应用了工作面交叉钻孔抽放、聚氨酯化学材料封孔及自动变径扩孔钻头等技术，并在一定的时期取得了较好的瓦斯抽放效果。
随着焦作矿区开采深度的延伸，煤层瓦斯含量、瓦斯压力逐步升高，开采期间的煤与瓦斯突出危险性日益严重，煤与瓦斯突出强度、矿井瓦斯涌出量显著增加。在现有的抽放技术条件下，为有效解除工作面的突出危险，生产矿井往往需要6~8个月，乃至十几个月的时间进行采前预抽，仍无法满足安全生产的需要，因瓦斯问题束缚生产的现象屡屡出现。采前的低抽出率，导致工作面回采期间绝对瓦斯涌出量的增加，单纯依靠提高通风风量解决瓦斯涌出，必然带来风速超限等一系列问题，对矿井安全生产埋下巨大的隐患。
虽然近年来在突出地区煤巷掘进方面进行的一系列技术研究，有力地保证了采掘施工安全，并实现了掘进速度大幅度提高，为工作面抽放赢得了更为充分的时间，但现有的抽放装备及技术仍无法满足高产高效化矿井建设的需要。综合机械化开采试验在焦作矿区的试验成功，其开采强度大、推进速度快、绝对瓦斯涌出量大的特点对工作面的接替及采前抽放提出了更高的要求。从根本上改变焦作矿区瓦斯防治的技术思路，是焦作矿区防突安全面貌发生根本改观的迫切需要。
2.总体技术思路
国家在煤炭行业明确提出了“先抽后采，监测监控，以风定产”的十二字方针，要求突出矿井及高瓦斯矿井必须通过有效的瓦斯抽放技术，治理工作面开采期间的瓦斯问题。瓦斯抽放作为根本的瓦斯防治技术措施，如何得到充分的利用，应提高到战略与战术的高度去重视和贯彻。“焦作矿区瓦斯抽采技术研究”主要技术思路，应将“瓦斯抽放”观念转变为“瓦斯抽采”，并作为焦作矿区瓦斯防治战略的主要内容。
焦作矿区瓦斯防治面貌实现新的突破，主要战略概括为：以科技为先导、以产业化开发、以利用促抽采、以抽采保安全。具体到瓦斯抽放，应做到“应抽必抽、以用促抽、采前预抽、边采边抽、采后再抽”。采前预抽技术不仅包括采面进行本煤层预抽，而且包括地面钻孔预抽技术的研究与开发；边采边抽则包括工作面回采期间的边采边抽，掘进期间的边掘边抽，工作面卸压带浅孔抽放和高位钻孔抽放等技术；采后再抽则可通过地面钻孔进行采后老塘抽放，以及采空区埋管抽放等。通过在瓦斯抽放上的技术突破，形成焦作矿区瓦斯资源的产业化开发，并形成以利用促抽采、以抽采保安全的良性循环。
3．瓦斯抽采技术方案
3.1采前预抽技术方案
开采煤层采前进行瓦斯抽放，对于提前解除开采期间的煤层瓦斯突出危险具有重要的作用。结合并借鉴国内外突出（高瓦斯）矿区进行煤层瓦斯预抽的技术经验，提出以下技术方案：
3.1.1地面钻孔瓦斯抽放技术
地面钻孔抽放瓦斯技术，即通过在地表向采掘工作面区域内施工钻孔，经过钻孔、完井、固井、对煤层强化处理、排水、抽气、气水分离等工艺抽取煤层气（瓦斯）。我国在20世纪80年代末借鉴美国的成功经验，开展地面钻孔抽放瓦斯的勘探及试验工作，主要试验垂直钻孔进入煤层或采空区抽放未采动煤层或采空区瓦斯。至今已试验200多口井，其中国外投资21口井，国内投资100多口井。地面钻孔抽放采空区瓦斯在淮北、铁法等矿区都取得成功。淮北矿区1994年底开始在桃源矿1018首采工作面进行地面钻孔抽放采空区瓦斯试验，前半年平均抽放量577m3/d，以后衰减，共抽14个月，抽出瓦斯180km3，瓦斯抽放率达到64.1%，抽放瓦斯浓度一直保持在90%以上，钻孔抽放半径可达300m 以上。铁法矿区首先在大兴矿北一采区405工作面进行地面钻孔抽放采空区瓦斯试验，共打3个试验孔，孔间距150m，钻孔布置在离回风巷约50m处，套管直径180mm。开始抽放时单孔日抽气量3440 m3/d，呈递减趋势，停抽1～2天又恢复，抽气瓦斯浓度都在95%以上。目前为止，矿区已施工15口地面钻井抽放采空区瓦斯。
焦作矿区具有丰富的瓦斯资源，通过与国内外具有相关技术与装备的研究院所、公司企业合作，研究适合于焦作矿区的地面钻孔抽放瓦斯技术，是矿区瓦斯抽采的一个重要途径。
3.1.2顶板岩巷预抽煤层瓦斯技术
焦作矿区主采二1煤透气性差，多数矿区煤质松软，在顶底板附近有一软煤分层。煤巷掘进期间及进行本煤层预抽过程中抽放效果差，达不到较好的防治瓦斯效果。顶板岩巷预抽煤层瓦斯技术，即通过在回采工作面设计范围内预先施工一条顶板岩巷，在岩巷内分别向回采巷道掘进区域及回采工作面内施工预抽钻孔，进行煤层瓦斯的抽放。相对而言，该方式进行抽放钻孔的施工，更易达到全面控制回采区域煤层，提高瓦斯抽放效果的目的。同时，利用对回采巷道掘进范围内的瓦斯提前预抽，可提前解除或降低掘进工作面的突出危险性，对于进一步加快煤巷掘进速度有着重要的作用。
研究顶板岩巷预抽煤层瓦斯技术，应根据煤层顶板岩性及采动影响范围合理布置巷道层位。一方面应尽量减少抽放钻孔的岩巷工程量，另一方面充分利用顶板岩巷的作用，实现回采过程中的巷道低负压抽放，降低采空区瓦斯涌出，提高瓦斯资源的利用率。
顶板岩巷预抽煤层瓦斯技术的抽放钻孔布置方式如下图所示。
3.1.3本煤层网格抽放技术
考虑到本煤层施工顺层钻孔的特点，为有效增加煤层预抽钻孔长度，在回采工作面每隔一定距离布置一条中间巷，在该巷道内，沿工作面走向施工顺层抽放钻孔，与工作面上下风道的抽放钻孔形成网格状交叉布置方式。该方式布置抽放钻孔，可提高单位面积内的钻孔抽放强度，同时可利用工作面超前采动影响进行工作面卸压抽放。
该方案布置示意图见下图：
3.1.4低透气性煤层增透技术
低透气性煤层的瓦斯抽放是一项世界性的前沿技术难题。主要采煤国家都在进行探索性研究。增加煤层透气性的措施有两大类，即层内措施与层外措施；在层内措施方面，前苏联曾经实验过盐酸化学法、水力破裂法、深孔松动爆破法、静电场等增透法，但效果不够显著，现在主要采取增加钻孔在煤层内的暴露面积、布孔密度和立体交叉钻孔等措施。美国试验了水力压裂预抽瓦斯技术，在煤层渗透率大于2～3md的煤层收到了较好效果，并得到广泛应用；但该方法用于低透气性煤层效果不好，他们还实验了水力空穴法、泡沫压裂法等，但都没有突破。在层外措施方面，前苏联科学院对开采上、下保护层时瓦斯压力变化和保护范围与效果进行过考察研究，取得了较多成果与应用。
国内在增加煤层透气性方面实验了水力压裂法、水力割缝法、水力空穴法、深孔预裂爆破法、静电法等，虽有一定效果，但无较大突破；现在主要采取增加钻孔在煤层内的暴露面积、布孔密度和立交钻孔等措施。在层外措施方面，中国矿业大学对远距离保护层的保护效果和抽放卸压瓦斯技术进行了卓有成效的研究，居领先地位，其成果在天府、淮南等矿区得到大面积推广应用。
与国内外相关技术研究比较，焦作矿区煤层无法实现层外抽放技术措施，结合焦作矿区的煤层赋存特点，通过研究水力切割、水力压裂等煤层增透技术，达到短时、高效抽出煤层瓦斯，采前消除煤层煤与瓦斯突出危险，是低透气性煤层瓦斯抽放增透技术的主要研究目标。
在煤体中，层理与节理发育的不同，影响着煤体中游离瓦斯的运移状态，一般情况下，游离瓦斯主要是沿层理进行运动。研制可控的水力切割技术及装置，将煤体中的层理相互沟通，则是开展水力切割增透技术研究的关键。同时，在水—煤—瓦斯体系形成后，由于相互之间的作用和影响，直接关系到抽放瓦斯的效果。开展相应的基础研究，确定合理的水力切割、水力压裂技术参数，亦是十分重要。
（1）水力切割增透技术试验方案
水力切割增透即通过高压水射流的切割，扩大钻孔直径，增加煤层的暴露面积和卸压范围，提高煤层的透气性，加大钻孔的抽放影响半径，提高煤层的抽排瓦斯量。国内一些矿区曾进行了一定的试验，通过扩孔射流器达到水力扩孔的效果。但相对来说，采用扩孔射流器进行扩孔，需要在小直径钻孔成孔后将钻杆退出，改装扩孔射流器，从而增加了施工难度的工程量。对其进行一定的技术改进，研制更为适应的扩孔技术，是水力割缝增透的技术关键。
为实现煤层水力切割增透，以科研所研制的BZ-Ⅱ型自动变径扩孔钻头为基础，进行相应的技术改进，达到实现水力切割的技术目标。BZ-Ⅱ型自动变径扩孔钻头在钻孔钻进过程中以较小的孔径推进，在钻孔到达预定位置后，通过扩孔刀具的切割，实现二次扩孔。通过改进，将刀具的切割与高压水射流的切割综合作用，达到较好地扩孔效果。
（2）水力切割设备及工艺
水力切割技术试验主要利用煤矿现有的抽放钻机及可提供高压动力水的注水泵来实现。一般情况下，要求抽放钻机能够在钻进过程中以压风作为排粉动力，在达到预定位置后，将压风切换为高压水，利用高压水进行钻孔内部的切割和排碴。
根据在焦作矿区开展中高压注水防突试验的经验，结合水力掏槽措施工艺的有关参数，初步选择水力切割压力为10MPa左右，注水泵初步选用可提供足够压力和水量的煤层注水泵或工作面乳化液泵。
水力切割系统示意图如下：
水力切割钻孔钻进至预定位置后，开动注水泵并进行相应的切换，钻机保持旋转状态后退，进行水力切割。在到达距孔口10m位置后，停止旋转、停止高压水，将钻杆缓慢拔出。
（3）水力切割施工钻具
对于BZ-Ⅱ型自动变径钻头的改进，采用两种技术方案，一种方案是通过在该钻具前方加装一特制的三翼钻头，钻头上设计孔径6~8mm的三个出气（水）孔。同时，扩孔钻头上部布置三个出气（水）孔。钻进期间，通过三翼钻头及扩孔钻头上的出气孔起到排碴作用。待达到预定位置后，切换为高压水，进行钻孔内的水力切割。
为形成一定的切割面，扩孔钻头上的出气（水）孔相错布置，以提高切割面的宽度。该方案的钻具结构示意图如下：
方案二则是在扩孔钻头与普通钻头之间，加装一可控装置，在钻进期间，由于风压较低，进气通路畅通，保证风力排碴的需要，扩孔钻头上的出气孔也起到一定的排碴作用；钻进到一定位置后，将压风切换为高压水，由于水压远远大于风压，装置启动，通往前方的水路闭合，高压水沿扩孔钻头上的出水孔冲出，达到水力切割煤体的目的。该方案的钻具结构示意图如下：
（4）水力切割技术参数
水力切割即通过高压水射流对煤体进行短时、快速的破碎，以提高煤体卸压影响范围，提高煤体透气性的技术措施。一般情况下，从管路中冲出的高压水，在一定的范围内成扩散状态，且与管路的大小有着一定的关系。在钻孔中进行水力切割，虽然冲割距离较短，但要达到一定的切割压力，必须选择合理的出水孔直径，结合水力掏槽的相关参数，在扩孔钻具上设计的出水孔直径按照6mm、8mm等不同的大小进行试验，根据切割效果进行考察确定。
同时，钻孔切割的大小，与水射流的压力、钻机的旋转后退速度等有着重要关系。试验期间，应根据冲出钻孔的煤量大小综合分析水力切割的效果。试验初期，应有效控制冲割后的钻孔直径不大于300mm。
（5）钻孔封孔技术
采用水力切割技术进行抽放钻孔增透试验，必须保证良好的成孔质量和相适应的封孔技术。钻孔以89mm直径钻进，到达预定位置后，钻机旋转后退，扩孔刀具打开（设计扩孔直径150mm），配合高压水射流的综合作用，进行钻孔深部的切割扩孔。考虑到水力切割期间水流的排出对钻孔孔口煤体形状的影响，采用相匹配的的护孔管（可采用Φ108mm的护孔管）进行护孔，以保证孔口的成型和封孔的质量。
钻孔施工完毕，及时采用聚氨酯化学封孔材料进行封孔，封孔深度根据试验地区的封孔经验执行。
3.2边采边抽技术方案
边采边抽技术方案充分利用煤体采动影响造成的卸压作用，对卸压范围内的煤体瓦斯进行综合抽放，实践表明，边采边抽技术对于降低回采期间风流瓦斯涌出浓度，预防和减少风流瓦斯浓度超限具有重要的作用。根据焦作矿区煤层开采的技术特点，主要采取以下技术措施：
3.2.1卸压带钻孔边采边抽技术
顺煤层钻孔预抽瓦斯技术的缺点是透气性低、煤层软，使得单位工程预抽量小、预抽时间长、预抽工程量大、钻孔施工困难等。因此，在有条件的情况下，寻求利用采动卸压抽放瓦斯的技术是合理的。考察证明，一般在超前回采工作面一定范围内，煤体压力降低、透气性增加，通过合理地布置回采工作面边采边抽钻孔，进行卸压带抽放，可显著地提高钻孔的瓦斯抽出率。
同时，利用这一现象，在回采工作面沿走向布置钻孔，进行卸压带浅孔抽放，对于降低回采工作面风流瓦斯也有着重要的作用。
3.2.2高位钻孔抽放技术
煤层开采过程中，顶板岩层受采动影响发生破坏变形，形成破碎带、裂隙带，煤层中的瓦斯必然沿裂隙向上部的一定空间运动，并富集在这些区域。开采前，向这一区域施工抽放钻孔进行联抽，对于显著降低采空区瓦斯涌出具有重要的作用。采用布置顶板岩巷方案时，则可利用顶板岩巷向工作面回采方向岩层中施工高位钻孔进行抽放，或者在巷道与煤层之间裂隙沟通的情况下，封闭巷道直接抽放上部煤层中的瓦斯。
3.3 采空区瓦斯抽放
采空区瓦斯抽放的主要目的是为了解决采煤工作面瓦斯超限的问题，尤其对高产集约化生产的工作面，即使通过煤层瓦斯预抽或采动卸压抽放，或者即使煤层瓦斯含量不高，但由于工作面产量高，工作面瓦斯仍然难以利用通风方法解决，这时采用采空区瓦斯抽放是必要的。采空区瓦斯抽放对于减少采空区向生产采掘空间泄露瓦斯，减轻矿井通风的压力有着重要的作用。
采空区瓦斯抽放的方法很多，前面提到的地面钻孔抽放采空区瓦斯、顶板岩石巷道抽放采空区瓦斯，高位钻孔抽放采空区瓦斯等都是非常有效的采空区抽放瓦斯方法。另外还有采空区埋管抽放瓦斯、老采空区封闭抽放瓦斯等方法也得到广泛应用。
4.加强瓦斯抽放的意义
在煤矿采掘过程中，瓦斯是最大的威胁，瓦斯抽放是解除这种威胁最有效的措施，只有在进行大量瓦斯抽放，通风足以稀释在任何意外情况出现的瓦斯浓度时，才能给采掘生产创造一个不受瓦斯威胁的相对安全环境。瓦斯抽放是煤矿生产中最重要的一道生产工序，矿井瓦斯抽放计划中应充分考虑瓦斯预抽、采动卸压抽、采空区抽的抽放瓦斯目标，并根据矿井各种抽放方法的抽放考察参数，合理计划抽掘采生产衔接计划，并严格执行计划，真正把瓦斯抽放纳入第一道生产工序中。
由于各矿井煤岩层的赋存特点、瓦斯赋存的规律、生产采掘工艺的方式等可能存在许多不同之处，根据矿井自身特点研究瓦斯抽放的合理组合方式、工艺参数、抽放效果评价技术等是非常必要的。这些研究成果能够为矿井瓦斯抽放的科学管理、生产计划的科学编制以及计划的严格实施提供必要的科学依据，也是确保安全生产、提高工作效率和生产效益的有效手段。
