“三化一工程”瓦斯抽采精细化管理_俞宏庆.pdf

第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 “三化一工程” 瓦斯抽采精细化管理 俞宏庆， 郭艳飞， 李学臣， 王良金 （焦作煤业 （集团） 有限责任公司， 河南 焦作 454000） 摘要 针对焦作矿区高瓦斯低透气性单一厚煤层， 实施底板岩巷穿层钻孔抽采全掩护区域措 施期间， 矿井单产单进低、 抽-掘-采接替紧张的难题， 开展基于 “三化一工程” 瓦斯抽采精细化管 理， 并辅以钻孔施工作业防护系统等保障措施， 进一步规范瓦斯抽采措施、 提高瓦斯治理效果， 在缩短瓦斯治理周期的同时， 实现矿井瓦斯治理目标从 “区域消突” 到 “安全高效” 的根本转变。 通过在古汉山矿 16 采区实施验证， 煤巷掘进速率提升 45， 工作面产能提升 85。 关键词 瓦斯抽采； 三化一工程； 精细化管理； 穿层钻孔； 防喷装置 中图分类号 TD712文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 010-0078-04 Fine Management of Gas Extraction Based on“Three-Modernization and One-Project” YU Hongqing, GUO Yanfei, LI Xuechen, WANG Liangjin （Jiaozuo Coal Industry （Group）Co., Ltd., Jiaozuo 454000, China） Abstract In order to solve the problem of low yield per unit and unbalanced proportion of mining, during the implementation of the full cover area measures for drilling and pumping through the bottom rock roadway, in Jiaozuo Mining Area with high gas, low permeability and single thick coal seam, the fine management of gas drainage is carried out based on “three-modernization and one-project” , supplemented with the safeguard measures such as drilling operation protection system, to further standardize gas drainage measures and improve the effect of gas control. At the same time of shortening the period of gas control, the goal of mine gas control is changed from“eliminating outburst in area”to“safe and efficient” . Through the verification in the 16 mining area of Guhanshan Mine, the driving rate of coal roadway is increased by 45, and the working face capacity is increased by 85. Key words gas extraction; three-modernization and one-project; fine management; through beds hole; blowout preventer 2019 年全国原煤产量完成 38.5 亿 t，同比增长 4.0， 煤炭消费量占能源消费总量的 57.7， 与能源 结构调整无法快速改变相对应的是长久以来制约煤 矿安全生产的瓦斯灾害防治等重大难题。随着我国 煤炭开采规模不断扩大，开采深度逐步增加，煤与 瓦斯突出、 冲击地压、 水害、 热害等灾害威胁日益严 重， 复合灾害加剧[1-3]， 其中尤以瓦斯事故更为严重。 我国煤矿瓦斯抽采技术由单一井下抽采，逐步向地 面与井下联合抽采、 地面预抽转变[4]， 以 “淮南模式” 煤群采动卸压瓦斯立体抽采[5-6]和 “晋城模式” 煤矿区瓦斯三区联动立体抽采[7-8]为代表的地面钻 井法煤与瓦斯共采技术已趋于成熟。然而，针对高 瓦斯低透气性单一厚煤层，目前仍然主要依靠典型 的井下巷道抽采模式， 实现卸压区煤与瓦斯共采[4]。 各矿区结合自身煤层赋存特征分别提出了“一孔两 消技术”（淮南） [9-11]、 递近掩护方式 （盘江） 、 水力压裂 技术 （松藻） [12]、 “73” 瓦斯治理模式 （阳煤） ， 并取得 了良好效果。焦作矿区自 20 世纪 50 年代开始尝试 井下局部抽放，至 2009 年进入抽采钻孔全掩护阶 段，矿井安全形势得到有效改善，但在煤巷掘进过 程中仍发生了 3 起突出事故，瓦斯抽采由本煤层顺 层钻孔抽采全面转为底抽巷穿层钻孔掩护。但矿井 单产单进仍保持较低水平、抽-掘-采矛盾日益凸显、 生产成本居高不下，究其原因，必须在加强煤矿安 全生产工艺革新、 技术装备升级的同时， 创新精细化 管理方式，进一步夯实、规范瓦斯抽采措施。基于 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.010.012 俞宏庆， 郭艳飞， 李学臣， 等. “三化一工程” 瓦斯抽采精细化管理 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （10 ） 78-81， 86. YU Hongqing, GUO Yanfei, LI Xuechen, et al. Fine Management of Gas Extraction Based on “Three-Mod－ ernization and One-Project”［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （10） 78-81, 86.移动扫码阅读 78 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 此， 以 “三化一工程” 建设为背景， 介绍焦煤公司瓦 斯抽采精细化管理举措及实施效果，为突出矿井底 板岩巷穿层钻孔抽采模式下，进一步提高瓦斯治理 效果、 消除薄弱环节， 实现安全高效开采提供借鉴。 1焦作矿区瓦斯治理变革 1.1焦作矿区概况 焦作矿区位于华北板块太行山断隆区南缘山前 断裂带， 为太行山背斜的东南翼[13]。 煤系地层属石炭 二叠系， 主采煤层为山西组二1煤层， 煤层平均厚度 6 m， 倾角 10～15， 煤层瓦斯含量 5～42 m3/t， 煤层瓦 斯压力 0.1～3.05 MPa，透气性系数 0.189 1～1.769 1 m2/ （MPa2 d） ， 钻孔瓦斯流量衰减系数 0.026～0.030 1 d-1。矿区瓦斯含量高、 压力大、 煤层透气性差， 瓦斯、 水文地质条件复杂，是全国严重的煤与瓦斯突出矿 区之一。 焦作煤矿自 1898 年建矿以来已有 120 余年历 史， 是全国主要无烟煤生产基地之一。自 1955 年 6 月 24 日李封矿天官区发生第 1 次煤与瓦斯突出以 来，至今共发生煤与瓦斯突出事故 371 起。其中 2011 年 10 月 27 日， 九里山矿 16031 回风巷掘进工 作面发生的煤与瓦斯突出事故，是焦煤历史上突出 煤量、 瓦斯量最大的突出事故， 突出煤量 3 246 t， 瓦 斯量 29.12 万 m3； 最近 1 次煤与瓦斯突出事故发生 在 2018 年 5 月 14 日，中马村矿 39061 切眼掘进工 作面， 突出煤量 77.28 t， 瓦斯量 5 961 m3。焦煤公司 历年瓦斯突出次数统计情况如图 1。 1.2瓦斯防治技术发展过程 1） 第 1 阶段 排放钻孔局部抽放。19551988 年， 自焦作矿区发生第 1 次煤与瓦斯突出事故后， 开 始探索防突技术，由于当时国内突出矿井较少， 国 家没有正规的防突技术路线和规定，没有标准可 依， 仅采取简单的排放钻孔 （1965 年开始安装抽放 泵进行抽放， 1987 年开始瓦斯民用） 。 2） 第 2 阶段 综合局部措施全面抽采。1988 2009 年 （1988 年 4 月第 1 部 防治煤与瓦斯突出细 则 发布实施， 1995 年 5 月 1 日第 2 部 防治煤与瓦 斯突出细则 原煤炭工业部煤安字 ［1995］ 30 号发布 实施） ， 按照 防治煤与瓦斯突出细则 （1988 年版、 1995 年版） 要求， 煤巷掘进采取排放钻孔、 松动爆破 等局部防突措施， 揭煤、 回采工作面采取抽放措施。 （2008 开始瓦斯发电） 3） 第 3 阶段 顺层钻孔全掩护。20092011 年 （2009 年 8 月 1 日 防治煤与瓦斯突出规定 发布实 施） ， 按照 防治煤与瓦斯突出规定 要求并结合焦 作矿区实际，采取“顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦 斯顺层钻孔预抽区段煤层瓦斯” 区域防突措施。 4） 第 4 阶段 穿层条带顺层回采区域。2012 2018 年 （九里山矿 2011 年 “10 27” 煤与瓦斯突出事 故后） ， 严格按照 防治煤与瓦斯突出规定 采取 “穿 层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯顺层钻孔预抽回采 区域煤层瓦斯” 区域防突措施。 5） 第 5 阶段 穿层钻孔全掩护。2019 年至今 （中 马村矿 2018 年 “5 14” 煤与瓦斯突出事故后） ， 严格 按照河南省瓦斯防治 “双十条” 及 “登封会议 32 条” 要求， 采取 “穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯穿层 钻孔预抽回采区域煤层瓦斯” 区域防突措施， 即穿层 钻孔全掩护。 1.3现阶段瓦斯防治工作存在的问题 虽然焦煤公司瓦斯治理技术经历了 5 个阶段的 发展和提升， 认识也由最初的对付、 应付、 消极被动 治理转变为现在的积极主动治理。先后采取立体化 抽采、 水力化增透[14-18]、 定向长钻孔抽采[19-20]等措施， 但在采取“穿层钻孔全掩护”区域防突措施的过程 中， 仍存在着一些管理上的不足 钻孔施工、 封孔等 关键环节监督不到位，治理效果没有达到预期目 标； 瓦斯抽采量分区段计量、 单孔冲煤计量不精准， 难以保证煤层区域整体、 均匀治理。因此， 必须在加 强瓦斯治理关键技术研究的同时，进一步提升管理 举措， 确保区域措施执行到位、 瓦斯治理效果达标。 2瓦斯抽采 “三化一工程” 2.1瓦斯抽采 “三化一工程” 建设 “三化一工程” 理念是在结合 “73” 瓦斯治理阳 泉模式以及“一个钻孔就是一项工程”的先进经验 的基础上提出的， 即抽采标准化、 打钻视频化、 计量 精准化、 一个钻孔就是一项工程， 进一步细化瓦斯抽 图 1焦煤公司历年瓦斯突出次数统计情况 Fig.1Statistics on the number of gas outburst per year in Jiaozuo Coal Company 79 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 图 3钻孔施工作业密封缓冲防超限防护系统 Fig.3Protection system of gas over-limit by sealing and buffer function in drilling operation 图 2现场抽采管路铺设及连孔标准化效果图 Fig.2Effect diagram of standardization of pipeline laying and connecting holes 采管理， 提升区域瓦斯治理效果。 1） 抽采标准化。规范底抽巷瓦斯抽采系统设计， 细化封孔联网抽采工艺。主抽采管路、 分单元管路、 分源抽采管路从上到下依次固定，管路统一编号。 单孔采取 “两堵一注” 或 “两堵两注” 带压封孔工艺， 配合 “通管直联” 技术联入各分单元管路。现场抽采 管路铺设及连孔标准化效果如图 2。 2） 打钻视频化。将钻孔施工自稳设钻机至通过 直连抽采划分为 12 道工序， 全程采用分辨率不低于 720 P 的高清摄像头实时监控，并对钻孔定位、 冲 孔、 冲煤计量验收、 撤钻、 封孔、 钻孔参数验收 6 个 环节实行举牌确认。按照工作面、 巷道、 组孔、 单孔 建立分级视频影像资料管理，确保钻孔台账、钻孔 视频台账和井下原始记录三对照。实现治理过程的 安全管理和质量管控， 做到质量可靠、 过程可溯。 3） 计量精准化。将底抽巷每 200 m 区段划分为 1 个评价单元， 安装分单元自动计量装置， 建立基于 煤层原始瓦斯含量、抽采单元内瓦斯储量、分单元 抽采累计量和抽采趋势等参数的抽采达标预测模 型，实现对分单元区域的瓦斯抽采效果智能监测。 同时， 为了实现冲煤精准计量、 确保冲孔均匀卸压， 实行 “一钻一筛一计量” ， 组孔煤段冲煤总量不低于 0.6 t/m。 4） 一钻孔一工程。每个钻孔做到 “五有、 两分 析” ，“五有” 即每个钻孔有设计、 有视频、 有施工及 冲孔台账、 有抽采台账、 有竣工剖面，“两分析” 即及 时对钻孔竣工剖面及抽采情况进行分析，特别是对 当日钻孔施工、 抽采异常信息进行收集、 分析， 查找 问题原因， 制定预防、 整改措施。 2.2“三化一工程” 实施保障措施 1） 考察钻孔有效抽采半径， 为设计提供充分依 据。考察不同含量、 不同冲孔煤量、 不同抽采时间钻 孔有效抽采半径， 为瓦斯抽采提供详实、 准确的设计 依据， 使抽采设计更合理、 更优化、 更符合实际。 2） 考察穿层钻孔偏斜规律， 制定针对性措施。 考察分析钻孔测斜数据，针对焦作矿区穿层钻孔偏 斜规律， 制定针对性措施 倾角≥60、 孔深≤30 m 的钻孔轨迹与设计基本保持一致， 按照设计施工； 倾 角 2060、孔深 3070 m 钻孔轨迹较设计发生一 定偏斜， 但终孔位置在设计允许误差内， 相邻钻孔之 间不存在抽采空白带， 提高钻孔测斜比例， 特别是孔 深大于 60 m 的钻孔全部测斜，根据测斜结果采取 针对性措施； 倾角＜20、 孔深＞70 m 钻孔部分轨迹偏 斜超出设计误差范围、存在抽采空白带，以定向钻 机施工为主， 或控制底抽巷间距≤75 m、 设计钻孔 深度≤70 m。 3） 研制钻孔施工作业防护系统， 解决瓦斯超限 难题。针对穿层钻孔水力冲孔增透期间，大量的瓦 斯及煤渣在高压水流的作用下瞬间喷出钻孔，引起 孔口附近短时间瓦斯超限，研制钻孔施工作业密封 缓冲防超限防护系统， 集合孔口的挤压膨胀密封、 煤 水自动排放密封、 高压瓦斯减压缓冲功能， 显著降低 钻孔施工期间瓦斯超限次数， 为安全施工提供保障。 钻孔施工作业密封缓冲防超限防护系统如图 3。 80 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 3瓦斯抽采 “三化一工程” 实施效果 3.1煤巷掘进效果对比 实施底板岩巷穿层钻孔强化抽采之后，煤巷瓦 斯抽采治理效果明显。对比古汉山矿目前正在施工 的 1606 运输巷与 16031 运输巷、 回风巷掘进期间相 关数据 16031 运输巷抽采达标期 15 个月，掘进期 间采取每循环实施超前排放钻孔强化措施控制瓦斯 超限， 绝对瓦斯涌出量平均为 1.03 m3/min， 掘进速 度平均为 76 m/月，区域验证指标出现 6 次超标现 象， 风流最大瓦斯浓度为 0.78； 16031 回风巷抽采 达标期 50 个月， 掘进期间采取每循环实施超前排放 钻孔强化措施控制瓦斯超限，绝对瓦斯涌出量平均 为 0.8 m3/min， 掘进速度平均为 81 m/月， 区域验证 指标出现 3 次超标现象，风流最大瓦斯浓度为 0.69。 1606 运输巷区域煤层厚度 5～7.01 m， 平均厚度 5.6 m， 煤层原始瓦斯含量 28.04 m3/t， 原始瓦斯压力 1.3 MPa。通过实施穿层钻孔强化抽采， 抽采达标期 24 个月， 掘进期间未采取任何局部强化措施， 区域 验证指标未出现异常现象，风流最大瓦斯浓度为 0.52， 绝对瓦斯涌出量平均为 0.63 m3/min， 实施大 断面一次成巷， 掘进速度达到 118 m/月以上， 平均 正常日进尺达到 5 m， 初步实现了高效快速掘进。 3.2回采工作面效果对比 对比分析采取全区段穿层抽采掩护的回采工作 面与以往回采工作面的瓦斯治理效果，选取古汉山 矿 1604 综放工作面和 16031 分层综采工作面为例。 16031 工作面走向长 690～770 m，平均走向长 730 m，倾向长 157 m，煤层厚度 5.0～5.5 m，平均煤厚 5.2 m。原始瓦斯含量 25.08 m3/t，原始瓦斯压力 1.11 MPa。 在 1603 一号底抽巷施工条带穿层钻孔掩 护 16031 回风巷掘进， 1603 二号底抽巷施工条带穿 层钻孔和中深孔掩护 16031 运输巷掘进，在 16031 回风巷、运输巷施工顺层钻孔抽采 16031 工作面瓦 斯。 抽采达标评判前共抽出瓦斯量 3 190.4 万 m3， 实 测煤层残余瓦斯含量最大值为 5.64 m3/t，计算残余 瓦斯压力 0.237 MPa，采取分层综合机械化开采方 式。回采期间， 16031 工作面每天检修班必须施工强 化超前排放钻孔防止瓦斯超限，但仍有瓦斯超限现 象发生； 区域验证指标△h2最大值达到 156.8 Pa， 钻 屑量最大值 3.8 kg/m、瓦斯涌出初速度最大值 2.0 L/min； 工作面产能平均仅达到 4.5 万 t/月， 平均绝 对瓦斯涌出量为 3.90 m3/min。 1604 工作面走向长 975.6～1 008.4 m，倾向长 152 m， 煤层厚 4.8～5.5 m， 平均厚 5.2 m。原始瓦斯 含量 28.04 m3/t， 原始瓦斯压力 1.11 MPa。通过 1604 运输、 切眼底抽巷对 1604 工作面采取底板岩巷穿层 钻孔预抽回采区域煤层瓦斯区域防突措施；利用 6 条倾向底抽巷对工作面中部施工穿层钻孔进行抽 采； 在 1604 走向中间底抽巷施工穿层钻孔， 对工作 面中上部进行强化抽采，实现穿层钻孔对工作面全 覆盖。 抽采达标评判前共抽出瓦斯量 3 927.2 万 m3， 实测煤层残余瓦斯含量最大值为 5.84 m3/t，计算残 余瓦斯压力 0.27 MPa， 采取综合机械化放顶煤开采 工艺。截至目前， 1604 工作面已安全回采 610 m， 回 采期间未发生瓦斯超限、 区域验证超标、 顶钻、 喷孔 等现象，平均月产量 8.33 万 t，工作面产能可达到 12 万 t/月， 平均绝对瓦斯涌出量为 2.92 m3/min。 4结语 焦作矿区瓦斯地质条件复杂，煤与瓦斯突出事 故多发，瓦斯防治技术先后经历了排放钻孔局部 抽放、 综合局部措施全面抽采、 顺层钻孔全掩护、 穿层条带顺层回采区域抽采、穿层钻孔全掩护 5 个阶段发展。在加强煤矿安全生产工艺革新、技术 装备升级的同时， 实施“三化一工程” 建设， 创新穿 层钻孔施工“钻、 冲、 筛、 计、 运、 监” 精细化管理模 式， 借助先进的设备及完善的制度， 实现瓦斯抽采标 准化、 视频化、 精准化， 进一步规范瓦斯抽采措施， 确保全煤层整体均匀卸压消突。通过在古汉山矿 16 采区实施验证， 单产单进水平大幅提升， 确定了突出 矿井底板岩巷穿层钻孔抽采精细化管理的“焦作模 式” ， 为实现安全高效开采提供借鉴。 参考文献 ［1］ 宁德义.我国煤矿瓦斯防治技术的研究进展及发展方 向 ［J］ .煤矿安全， 2016， 47 （2） 161-165. ［2］ 谢和平， 周宏伟， 薛东杰， 等.我国煤与瓦斯共采 理 论、 技术与工程 ［J］ .煤炭学报， 2014， 39 （8） 1391. ［3］ 袁亮， 薛俊华， 张农， 等.煤层气抽采和煤与瓦斯共采 关键技术现状与展望 ［J］ .煤炭科学技术， 2013， 41 （9） 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