—焦作礦區(qū)瓦斯抽采技術(shù)研究試驗(yàn)方案焦作礦區(qū)瓦斯抽采技術(shù)研討實(shí)驗(yàn)方案焦作煤業(yè)（集團(tuán)）公司科學(xué)技術(shù)研討所焦作煤業(yè)（集團(tuán)）公司技術(shù)管理處二〇〇五年九月焦作礦區(qū)瓦斯抽采技術(shù)研討實(shí)驗(yàn)方案1．前言煤層瓦斯抽放作為防止煤礦瓦斯災(zāi)害事故的根本措施，于19年即開頭在焦作礦區(qū)開展應(yīng)用，各生產(chǎn)礦井逐步建立了配套的瓦斯抽放系統(tǒng)，以及專業(yè)的瓦斯抽放隊(duì)伍。鑒于本礦區(qū)單一煤層開采的特點(diǎn)，焦作礦區(qū)在煤層瓦斯預(yù)抽方面分別進(jìn)行了鉆孔布置方式、抽放鉆孔封孔工藝和抽放鉆孔施工機(jī)具等方面的技術(shù)研討，《抽放瓦斯鉆孔固孔工藝技術(shù)研討》、《交叉鉆孔抽放本煤層瓦斯實(shí)驗(yàn)研討》、《鉆孔瓦斯參數(shù)優(yōu)化選擇研討》等工程的完成，推廣應(yīng)用了工作面交叉鉆孔抽放、聚氨酯化學(xué)材料封孔及自動(dòng)變徑擴(kuò)孔鉆頭等技術(shù)，并在肯定的時(shí)期取得了較好的瓦斯抽放效果。伴著焦作礦區(qū)開采深度的延長，煤層瓦斯含量、瓦斯壓力逐步上升，開采期間的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性日益嚴(yán)峻，煤與瓦斯突出強(qiáng)度、礦井瓦斯涌出量顯著增加。在現(xiàn)有的抽放技術(shù)條件下，為有效解除工作面的突出危險(xiǎn)，生產(chǎn)礦井往往需要6~8個(gè)月，乃至十幾個(gè)月的時(shí)間進(jìn)行采前預(yù)抽，仍無法滿意安全生產(chǎn)的需要，因瓦斯問題束縛生產(chǎn)的現(xiàn)象屢屢顯現(xiàn)。采前的低抽出率，導(dǎo)致工作面回采期間肯定瓦斯涌出量的增加，單純依靠提高通風(fēng)風(fēng)量解決瓦斯涌出，必定帶來風(fēng)速超限等一系列問題，對礦井安全生產(chǎn)埋下巨大的隱患。雖然近年來在突出地區(qū)煤巷掘進(jìn)方面進(jìn)行的一系列技術(shù)研討，有力地保證了采掘施工安全，并完成了掘進(jìn)速度大幅度提高，為工作面抽放贏得了更為充足的時(shí)間，但現(xiàn)有的抽放裝備及技術(shù)仍無法滿意高產(chǎn)高效化礦井建設(shè)的需要。綜合機(jī)械化開采實(shí)驗(yàn)在焦作礦區(qū)的實(shí)驗(yàn)勝利，其開采強(qiáng)度大、推動(dòng)速度快、肯定瓦斯涌出量大的特點(diǎn)對工作面的接替及采前抽放提出了更高的要求。從根本上轉(zhuǎn)變焦作礦區(qū)瓦斯防治的技術(shù)思路，是焦作礦區(qū)防突安全面貌發(fā)生根本改觀的迫切需要。2.總體技術(shù)思路國家在煤炭行業(yè)明確提出了先抽后采，監(jiān)測監(jiān)控，以風(fēng)定產(chǎn)的十二字方針，要求突出礦井及高瓦斯礦井必需通過有效的瓦斯抽放技術(shù)，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(shù)措施，如何得到充足的利用，應(yīng)提高到戰(zhàn)略與戰(zhàn)術(shù)的高度去重視和貫徹。焦作礦區(qū)瓦斯抽采技術(shù)研討主要技術(shù)思路，應(yīng)將瓦斯抽放觀念轉(zhuǎn)變?yōu)橥咚钩椴?，并作為焦作礦區(qū)瓦斯防治戰(zhàn)略的主要內(nèi)容。焦作礦區(qū)瓦斯防治面貌完成新的突破，主要戰(zhàn)略概括為：以科技為先導(dǎo)、以產(chǎn)業(yè)化開發(fā)、以利用促抽采、以抽采保安全。詳細(xì)到瓦斯抽放，應(yīng)做到應(yīng)抽必抽、以用促抽、采前預(yù)抽、邊采邊抽、采后再抽。采前預(yù)抽技術(shù)不僅包括采面進(jìn)行本煤層預(yù)抽，而且包括地面鉆孔預(yù)抽技術(shù)的研討與開發(fā)；邊采邊抽則包括工作面回采期間的邊采邊抽，掘進(jìn)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(shù)；采后再抽則可通過地面鉆孔進(jìn)行采后老塘抽放，以及采空區(qū)埋管抽放等。通過在瓦斯抽放上的技術(shù)突破，形成焦作礦區(qū)瓦斯資源的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，并形成以利用促抽采、以抽采保安全的良性循環(huán)。3．瓦斯抽采技術(shù)方案3.1采前預(yù)抽技術(shù)方案開采煤層采前進(jìn)行瓦斯抽放，對于提前解除開采期間的煤層瓦斯突出危險(xiǎn)具有重要的作用。結(jié)合并借鑒國內(nèi)外突出（高瓦斯）礦區(qū)進(jìn)行煤層瓦斯預(yù)抽的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，提出以下技術(shù)方案：3.1.1地面鉆孔瓦斯抽放技術(shù)地面鉆孔抽放瓦斯技術(shù)，即通過在地表向采掘工作面區(qū)域內(nèi)施工鉆孔，經(jīng)過鉆孔、完井、固井、對煤層強(qiáng)化處理、排水、抽氣、氣水別離等工藝抽取煤層氣（瓦斯）。我國在20世紀(jì)8020XX年X月末借鑒的勝利經(jīng)驗(yàn)，開展地面鉆孔抽放瓦斯的勘探及實(shí)驗(yàn)工作，主要實(shí)驗(yàn)垂直鉆孔進(jìn)入煤層或采空區(qū)抽放未采動(dòng)煤層或采空區(qū)瓦斯。至今已實(shí)驗(yàn)200多口井，其中國外投資21口井，國內(nèi)投資XXX多口井。地面鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯在淮北、鐵法等礦區(qū)都取得勝利?；幢钡V區(qū)20XX年底開頭在桃源礦XXX8首采工作面進(jìn)行地面鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯實(shí)驗(yàn)，前半年平均抽放量577m3/d，以后衰減，共抽14個(gè)月，抽出瓦斯180km3，瓦斯抽放率到達(dá).1%，抽放瓦斯?jié)舛仁冀K保持在90%以上，鉆孔抽放半徑可達(dá)300m以上。鐵法礦區(qū)首先在大興礦北一采區(qū)405工作面進(jìn)行地面鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯實(shí)驗(yàn)，共打3個(gè)實(shí)驗(yàn)孔，孔間距150m，鉆孔布置在離回風(fēng)巷約50m處，套管直徑180mm。開頭抽放時(shí)單孔日抽氣量3440m3/d，呈遞減趨勢，停抽1～2天又恢復(fù)，抽氣瓦斯?jié)舛榷荚?5%以上。目前為止，礦區(qū)已施工15口地面鉆井抽放采空區(qū)瓦斯。焦作礦區(qū)具有豐富的瓦斯資源，通過與國內(nèi)外具有相關(guān)技術(shù)與裝備的研討院所、公司企業(yè)合作，研討合適于焦作礦區(qū)的地面鉆孔抽放瓦斯技術(shù)，是礦區(qū)瓦斯抽采的一個(gè)重要途徑。3.1.2頂板巖巷預(yù)抽煤層瓦斯技術(shù)焦作礦區(qū)主采二1煤透氣性差，多數(shù)礦區(qū)煤質(zhì)松軟，在頂?shù)装甯浇幸卉浢悍謱印Ｃ合锞蜻M(jìn)期間及進(jìn)行本煤層預(yù)抽過程中抽放效果差，達(dá)不到較好的防治瓦斯效果。頂板巖巷預(yù)抽煤層瓦斯技術(shù)，即通過在回采工作面設(shè)計(jì)范圍內(nèi)預(yù)先施工一條頂板巖巷，在巖巷內(nèi)分別向回采巷道掘進(jìn)區(qū)域及回采工作面內(nèi)施工預(yù)抽鉆孔，進(jìn)行煤層瓦斯的抽放。相對而言，該方式進(jìn)行抽放鉆孔的施工，更易到達(dá)全面掌握回采區(qū)域煤層，提高瓦斯抽放效果的目的。同時(shí)，利用對回采巷道掘進(jìn)范圍內(nèi)的瓦斯提前預(yù)抽，可提前解除或降低掘進(jìn)工作面的突出危險(xiǎn)性，對于進(jìn)一步加快煤巷掘進(jìn)速度有著重要的作用。研討頂板巖巷預(yù)抽煤層瓦斯技術(shù)，應(yīng)依據(jù)煤層頂板巖性及采動(dòng)影響范圍合理布置巷道層位。一方面應(yīng)盡量削減抽放鉆孔的巖巷工程量，另一方面充足利用頂板巖巷的作用，完成回采過程中的巷道低負(fù)壓抽放，降低采空區(qū)瓦斯涌出，提高瓦斯資源的利用率。頂板巖巷預(yù)抽煤層瓦斯技術(shù)的抽放鉆孔布置方式如下列圖所示。3.1.3本煤層網(wǎng)格抽放技術(shù)考慮到本煤層施工順層鉆孔的特點(diǎn)，為有效增加煤層預(yù)抽鉆孔長度，在回采工作面每隔肯定距離布置一條中間巷，在該巷道內(nèi)，沿工作面走向施工順層抽放鉆孔，與工作面上下風(fēng)道的抽放鉆孔形成網(wǎng)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(nèi)的鉆孔抽放強(qiáng)度，同時(shí)可利用工作面超前采動(dòng)影響進(jìn)行工作面卸壓抽放。該方案布置表示圖見下列圖：3.1.4低透氣性煤層增透技術(shù)低透氣性煤層的瓦斯抽放是一項(xiàng)世界性的前沿技術(shù)難題。主要采煤國家都在進(jìn)行探究性研討。增加煤層透氣性的措施有兩大類，即層內(nèi)措施與層外措施；在層內(nèi)措施方面，前蘇聯(lián)曾經(jīng)試驗(yàn)過鹽酸化學(xué)法、水力裂開法、深孔松動(dòng)爆破法、靜電場等增透法，但效果不夠顯著，如今主要實(shí)行增加鉆孔在煤層內(nèi)的暴露面積、布孔密度和立體交叉鉆孔等措施。實(shí)驗(yàn)了水力壓裂預(yù)抽瓦斯技術(shù)，在煤層浸透率大于2～3md的煤層收到了較好效果，并得到廣泛應(yīng)用；但該方法用于低透氣性煤層效果不好，他們還試驗(yàn)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(lián)科學(xué)院對開采上、下愛護(hù)層時(shí)瓦斯壓力改變和愛護(hù)范圍與效果進(jìn)行過考察研討，取得了較多成果與應(yīng)用。國內(nèi)在增加煤層透氣性方面試驗(yàn)了水力壓裂法、水力割縫法、水力空穴法、深孔預(yù)裂爆破法、靜電法等，雖有肯定效果，但無較大突破；如今主要實(shí)行增加鉆孔在煤層內(nèi)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(yè)高校對遠(yuǎn)距離愛護(hù)層的愛護(hù)效果和抽放卸壓瓦斯技術(shù)進(jìn)行了卓有成效的研討，居領(lǐng)先地位，其成果在天府、淮南等礦區(qū)得到大面積推廣應(yīng)用。與國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)研討比擬，焦作礦區(qū)煤層無法完成層外抽放技術(shù)措施，結(jié)合焦作礦區(qū)的煤層賦存特點(diǎn)，通過研討水力切割、水力壓裂等煤層增透技術(shù)，到達(dá)短時(shí)、高效抽出煤層瓦斯，采前消退煤層煤與瓦斯突出危險(xiǎn)，是低透氣性煤層瓦斯抽放增透技術(shù)的主要研討目標(biāo)。在煤體中，層理與節(jié)理發(fā)育的不同，影響著煤體中游離瓦斯的運(yùn)移狀態(tài)，一般情況下，游離瓦斯主要是沿層理進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。研制可控的水力切割技術(shù)及裝置，將煤體中的層理互相溝通，則是開展水力切割增透技術(shù)研討的關(guān)鍵。同時(shí)，在水煤瓦斯體系形成后，由于互相之間的作用和影響，直接關(guān)系到抽放瓦斯的效果。開展相應(yīng)的基礎(chǔ)研討，確定合理的水力切割、水力壓裂技術(shù)參數(shù)，亦是非常重要。（1）水力切割增透技術(shù)實(shí)驗(yàn)方案水力切割增透即通過高壓水射流的切割，擴(kuò)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(nèi)一些礦區(qū)曾進(jìn)行了肯定的實(shí)驗(yàn)，通過擴(kuò)孔射流器到達(dá)水力擴(kuò)孔的效果。但相對來說，采納擴(kuò)孔射流器進(jìn)行擴(kuò)孔，需要在小直徑鉆孔成孔后將鉆桿退出，改裝擴(kuò)孔射流器，從而增加了施工難度的工程量。對其進(jìn)行肯定的技術(shù)改進(jìn)，研制更為順應(yīng)的擴(kuò)孔技術(shù)，是水力割縫增透的技術(shù)關(guān)鍵。為完成煤層水力切割增透，以科研所研制的BZ-Ⅱ型自動(dòng)變徑擴(kuò)孔鉆頭為基礎(chǔ)，進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)改進(jìn)，到達(dá)完成水力切割的技術(shù)目標(biāo)。BZ-Ⅱ型自動(dòng)變徑擴(kuò)孔鉆頭在鉆孔鉆進(jìn)過程中以較小的孔徑推動(dòng)，在鉆孔到達(dá)預(yù)定位置后，通過擴(kuò)孔刀具的切割，完成二次擴(kuò)孔。通過改進(jìn)，將刀具的切割與高壓水射流的切割綜合作用，到達(dá)較好地?cái)U(kuò)孔效果。（2）水力切割裝備及工藝水力切割技術(shù)實(shí)驗(yàn)主要利用煤礦現(xiàn)有的抽放鉆機(jī)及可提供高壓動(dòng)力水的注水泵來完成。一般情況下，要求抽放鉆機(jī)能夠在鉆進(jìn)過程中以壓風(fēng)作為排粉動(dòng)力，在到達(dá)預(yù)定位置后，將壓風(fēng)切換為高壓水，利用高壓水進(jìn)行鉆孔內(nèi)部的切割和排碴。依據(jù)在焦作礦區(qū)開展中高壓注水防突實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合水力掏槽措施工藝的有關(guān)參數(shù)，初步選擇水力切割壓力為10MPa左右，注水泵初步選用可提供充足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(tǒng)表示圖如下：水力切割鉆孔鉆進(jìn)至預(yù)定位置后，開動(dòng)注水泵并進(jìn)行相應(yīng)的切換，鉆機(jī)保持旋轉(zhuǎn)狀態(tài)后退，進(jìn)行水力切割。在到達(dá)距孔口10m位置后，停止旋轉(zhuǎn)、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(dòng)變徑鉆頭的改進(jìn)，采納兩種技術(shù)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(shè)計(jì)孔徑6~8mm的三個(gè)出氣（水）孔。同時(shí)，擴(kuò)孔鉆頭上部布置三個(gè)出氣（水）孔。鉆進(jìn)期間，通過三翼鉆頭及擴(kuò)孔鉆頭上的出氣孔起到排碴作用。待到達(dá)預(yù)定位置后，切換為高壓水，進(jìn)行鉆孔內(nèi)的水力切割。為形成肯定的切割面，擴(kuò)孔鉆頭上的出氣（水）孔相錯(cuò)布置，以提高切割面的寬度。該方案的鉆具結(jié)構(gòu)表示圖如下：方案二則是在擴(kuò)孔鉆頭與一般鉆頭之間，加裝一可控裝置，在鉆進(jìn)期間，由于風(fēng)壓較低，進(jìn)氣通路暢通，保證風(fēng)力排碴的需要，擴(kuò)孔鉆頭上的出氣孔也起到肯定的排碴作用；鉆進(jìn)到肯定位置后，將壓風(fēng)切換為高壓水，由于水壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于風(fēng)壓，裝置啟動(dòng)，通往前方的水路閉合，高壓水沿?cái)U(kuò)孔鉆頭上的出水孔沖出，到達(dá)水力切割煤體的目的。該方案的鉆具結(jié)構(gòu)表示圖如下：（4）水力切割技術(shù)參數(shù)水力切割即通過高壓水射流對煤體進(jìn)行短時(shí)、快速的破裂，以提高煤體卸壓影響范圍，提高煤體透氣性的技術(shù)措施。一般情況下，從管路中沖出的高壓水，在肯定的范圍內(nèi)成擴(kuò)大狀態(tài)，且與管路的大小有著肯定的關(guān)系。在鉆孔中進(jìn)行水力切割，雖然沖割距離較短，但要到達(dá)肯定的切割壓力，必需選擇合理的出水孔直徑，結(jié)合水力掏槽的相關(guān)參數(shù)，在擴(kuò)孔鉆具上設(shè)計(jì)的出水孔直徑根據(jù)6mm、8mm等不同的大小進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，依據(jù)切割效果進(jìn)行考察確定。同時(shí)，鉆孔切割的大小，與水射流的壓力、鉆機(jī)的旋轉(zhuǎn)后退速度等有著重要關(guān)系。實(shí)驗(yàn)期間，應(yīng)依據(jù)沖出鉆孔的煤量大小綜合分析水力切割的效果。實(shí)驗(yàn)初期，應(yīng)有效掌握沖割后的鉆孔直徑不大于300mm。（5）鉆孔封孔技術(shù)采納水力切割技術(shù)進(jìn)行抽放鉆孔增透實(shí)驗(yàn)，必需保證良好的成孔質(zhì)量和相順應(yīng)的封孔技術(shù)。鉆孔以89mm直徑鉆進(jìn)，到達(dá)預(yù)定位置后，鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)后退，擴(kuò)孔刀具打開（設(shè)計(jì)擴(kuò)孔直徑150mm），協(xié)作高壓水射流的綜合作用，進(jìn)行鉆孔深部的切割擴(kuò)孔?？紤]到水力切割期間水流的排出對鉆孔孔口煤體外形的影響，采納相匹配的的護(hù)孔管（可采納108mm的護(hù)孔管）進(jìn)行護(hù)孔，以保證孔口的成型和封孔的質(zhì)量。鉆孔施工完畢，按時(shí)采納聚氨酯化學(xué)封孔材料進(jìn)行封孔，封孔深度依據(jù)實(shí)驗(yàn)地區(qū)的封孔經(jīng)驗(yàn)執(zhí)行。3.2邊采邊抽技術(shù)方案邊采邊抽技術(shù)方案充足利用煤體采動(dòng)影響造成的卸壓作用，對卸壓范圍內(nèi)的煤體瓦斯進(jìn)行綜合抽放，實(shí)踐說明，邊采邊抽技術(shù)對于降低回采期間風(fēng)流瓦斯涌出濃度，預(yù)防和削減風(fēng)流瓦斯?jié)舛瘸蘧哂兄匾淖饔谩Ｒ罁?jù)焦作礦區(qū)煤層開采的技術(shù)特點(diǎn)，主要實(shí)行以下技術(shù)措施：3.2.1卸壓帶鉆孔邊采邊抽技術(shù)順煤層鉆孔預(yù)抽瓦斯技術(shù)的缺點(diǎn)是透氣性低、煤層軟，使得單位工程預(yù)抽量小、預(yù)抽時(shí)間長、預(yù)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(dòng)卸壓抽放瓦斯的技術(shù)是合理的?？疾熳C明，一般在超前回采工作面肯定范圍內(nèi)，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(jìn)行卸壓帶抽放，可顯著地提高鉆孔的瓦斯抽出率。同時(shí)，利用這一現(xiàn)象，在回采工作面沿走向布置鉆孔，進(jìn)行卸壓帶淺孔抽放，對于降低回采工作面風(fēng)流瓦斯也有著重要的作用。3.2.2高位鉆孔抽放技術(shù)煤層開采過程中，頂板巖層受采動(dòng)影響發(fā)生破壞變形，形成破裂帶、裂隙帶，煤層中的瓦斯必定沿裂隙向上部的肯定空間運(yùn)動(dòng)，并富集在這些區(qū)域。開采前，向這一區(qū)域施工抽放鉆孔進(jìn)行聯(lián)抽，對于顯著降低采空區(qū)瓦斯涌出具有重要的作用。采納布置頂板巖巷方案時(shí)，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(jìn)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(qū)瓦斯抽放采空區(qū)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(chǎn)集約化生產(chǎn)的工作面，即使通