淮南矿区煤矿煤层气抽采技术.pdf

第 3卷 第 1 期 2 0 0 6年 1 月 中国煤层气 C 瑚 A C 0 E D M删A NE V0 1． 3 No． 1 J a n ．2 ∞6 澡 澡 恩 气 驹 蠛 袁 亮 淮南矿业集团有限责任公司，安徽淮南2 3 2 0 0 1 摘 要 根据淮南矿 区实际，提 出并研 究 了复杂特 困条件 下煤与煤层 气共采技 术。应用数值模 拟 、相似材料试验、工业性试验等方法，研究 了开采煤层顶板煤层气抽采技 术、开采保护层卸压 增透抽采煤层气技术、地面钻井抽采采动影响区域煤层气技术等采动煤岩移动卸压抽采煤层气技 术，以及原始煤层强化抽采煤层气技 术的关键参数 ，全面考察 了现场应用效果。 关键词 煤矿煤层气矿 井瓦斯抽采 Co a l Mi n e Me t h a n e Dr a i n a g e Te c h n o l o g y i n Hu a i n a n C o a l Mi n i n g Ar e a Yu a n L i a n g H u a i n a n C o a l Mi n i n g G r o u p C o ． ， L t d ． ，A n h u i 2 3 2 0 0 1 Ab s t r a c t Th e C O - e x t mc t 。o n t e c h n o l o g y o f c o a l a n d CMM u n d e r t h e c o mp l i c a t e d an d d i ffi c u l t g e o l o g i c al c o n d i - t i o n s i n Hu a i n an C o al Mi n i n g Ar e a i s p r e s e n t ed ．W i th n u me r i c al s i mu l a t i o n，s i mi l a r ma t e ri als t e s t i n g，c o n- me r c i al t est i n g。e t c． 。the CMM d r a i n a g e t echn o l o g i e s t h t h e d i s p l a c e me n t an d d e p r ess u r i z a t i o n o f mi n i n g c o a l r o c k，i n v o l v i n g c o al s e a m r o o f ，d e p r ess u r i z a t i o n a n d e n h anc e d p e r me a b i l i t y o f p rot ect i v e c o al s e a m，and min i n g i n fl u e n c e z o n e o f s u r f a c e d r i l l i n g d r a i n age ， and the i n t e n s i fi ed C MM d r a i n age t echno l o gi es w i th v i r g i n c o a l s e a m a r e s t u d i ed， the k e y p a r m n e t e r s o b t a i n ed． T h e o n - s i t e a p p l i c a t i o n o f th e t e c hno l o gi e s i s i n t r o d u c ed i n an a l l - rou n d wa y． Ke y wo r d s CMM ；c o al mi n e g a s；d r a i n ag e 1 矿 区概述 淮南矿区地处安徽省淮北平原的南部 ，东西延 展 7 0 k m，南北宽 2 5 k m，面积 1 5 7 1 k m 2 ，为我国高 瓦斯矿区的典 型代表 ，煤炭资源量 5 0 0亿 t ，已探 明储量 1 2 3亿 t ，煤层气资源量 5 9 2 8 亿 m 3 。矿 区地 质构造复杂 ，探明 3 m以上断层 2 9 7 0条。矿区开采 煤层 8～1 5层 ，多组高瓦斯煤层群开采。煤层 围岩 属高应力软岩 ，水 平应力为垂直应 力 的 1 ． 1～1 ． 5 倍 ，Ⅳ、V类极易破碎型顶板 占 8 0 ％以上 ，巷道支 护困难。矿区现有的9 对生产矿井全部为煤与瓦斯 突出矿井，瓦斯涌出量达 8 2 0 m S ／ rain 。与矿井瓦斯 赋存有关的参数如表 1 。 淮南矿区曾被认为是瓦斯事故重灾区，采煤技 术落后 ，生产效率低下 ，矿区产量 4 0年来一直徘 徊在 8 0 0 1 0 0 0万 t ／ a 。1 9 9 7年 以前 ，矿 区煤 层 气 抽采效果极差 ，年均抽采量 5 2 0万 m 3 ， 矿井平均抽 采率 3 ％ 。 矿 区在 1 9 8 7～1 9 9 7 的 1 0 年 间 ， 发 生 特 作者简介袁亮 ，男 ，淮南矿 业集团常务副总经理 ，总工程师，从 事煤矿煤层气抽采和瓦斯治理工作 多年 。 维普资讯 8 中 国 煤 层 气 第 1 期 别重大瓦斯爆 炸事故 5起 ，死 亡 2 9 3人。其 中在 1 9 9 7年 1 1 月份的两周时间内发 生 2起特别重大瓦 斯爆炸事故 ，死亡 1 3 3人。 表 1 煤矿煤层气赋存参数表 名 称 参数值 煤层气含量 煤层埋藏深度 煤质松软 煤层透气性 瓦斯压力 1 2 ～2 6 n l 3 ／ t 一 3 0 0～ 一1 5 00 m f 0 ． 2 0 ． 8 0 ． 0 0 1 l m 2 ／ ． d P 6 MP a 1 9 9 8年 以来 ，矿 区通过科研攻关 ，研究成功 并推广应用煤与煤层气共采技术 ，效果显著。淮南 矿区 1 9 9 7年与 2 0 0 4 年对 比显示 ，煤层气抽采量 由 1 0 0 0万 m 3 增加到 1 ． 5亿 m 3 ，煤层气抽采率 由 5 ％ 提高到 4 2 ％，煤炭产量 由 1 0 0 0万 t 增加到 3 0 0 0万 t ， 综采工作面最高单产由 6 0 万 t ／ a 增加到 3 1 0 万 t／ a ，掘进单进超 l O 0 0 m ／ 月，达到全国同类条件最 好水平 。控制了重特大瓦斯爆炸事故 ，百万吨死亡 率 由 1 5人 降低到 0 ． 4人 。淮南矿 区在瓦斯 控制方 面所取得的成绩主要得益于采用了先进 、高效的煤 层气抽采技术。 2 采动煤岩移动卸压抽采煤层气技术 2． 1 开采煤层顶板抽采煤层气技术 理论研究、数值模拟和现场实验测试结果证 实 ，在淮南矿区煤层和顶板条件下 ，采场煤层气富 集区位于煤层顶板垂直 向上 82 5 m，回风巷 向下 0 3 0 m 的环形裂隙圈 内，如 图 1 所示 。因此 ，开 采煤层顶板抽采的基本方法是在煤层顶板施工钻孔 环形裂隙 圈位置 垂直煤层 顶板 向上 8～ 1 5 m 倾斜方 向 0～ 3 0 m 1 0 2 0 ．1 0 0 0 ． 2 0 00 ． 5 0 00 ． 8 0 01 ． 1 0 0 1 ． 4 0 0 1 ． 7 0 0 沿工作面倾斜方向水平距离 r r 1 图 1 顶板裂隙区数值模拟结果 E 一 坦 嗍 暹 旧 H 或巷道 ，利用抽采泵 的动力抽采采场煤层气富集区 的煤层气 ，切断上邻近层煤层气 涌向工作 面的通 道 ，对采空区下部的煤层气起到拉动作用，减少工 作面瓦斯涌出，控制上隅角煤层气积聚。 顶板钻孔或巷道的布置必须位于开采煤层顶板 煤层气富集区，抽采动力和管路要满足抽采流量的 要求 。在达到技术要求的条件下 ，一条顶板抽采巷 道可抽采煤层气 3 0 m 3 ／ m i n ，采煤工作 面煤层气抽 采率达到 7 0 ％。对于顶板钻孔 、孔 口负压 、钻孔 数量和抽采煤层气量之间的最佳匹配关系是 每个 钻场布置 8 个钻孔，钻场间距 1 0 0 m ，钻孔长度 1 2 0 m，抽采负压 1 6 2 0 k P a 。 2 ． 2 开采保护层卸压增透抽采煤层气技术 开采保护层是增加被保护煤层透气性的有效手 段，在淮南矿区的煤层赋存条件下，通过理论分析 和现场试验 ，研究成功开采远距离煤层上向卸压 、 开采近距离煤层下 向多重卸压和开采急倾斜煤层平 行卸压等一系列卸压增透技术 ，通过施工穿层钻孔 抽采卸压煤层气 ，消除了煤层发生突出的危险性 ， 降低了煤层的煤层气含量。 在层间距近 7 0 m，相 对层 间距 层 间距 与开 采煤层采高之比3 5 倍的条件下 ，通过现场考察， 得出了卸压煤层远程卸压及煤层气抽采相关参数 的 变化规律。首次观测 到被保护煤层 的透 气性 增大 2 8 8 0倍 ，发现 了卸压煤层 气流动存在活跃期 ，应 在卸压煤层气流动活跃期尽可能多抽采卸压煤层 气 。钻孔煤层气抽采量随时间的变化如图 2所示 ， 从 图中可明显的看出煤层应力变化规律与卸压煤层 气流动之间的关系。前 2 0天为煤层卸压应力活动 加剧期 ，煤层气抽采量增加 ；第 2 0天至 8 0天为卸 压应力活动稳定期 ，透气性系数达到最大，煤层气 抽采量 相对稳 定，平均单孔 抽采 量在 1 ． 0 m 3 ／ m i n 以上 ；第 8 0天 以后煤层逐渐开始压实 ，透气性 系 数下降 ，煤层气抽采量呈负指数规律下降。 当多重开采上部煤层时 ，下部的煤层经过多次 卸压 尽管卸压并不一定充分 ，煤层气得到多次 释放，煤层的残余瓦斯压力将比开采单一上部煤层 时的常规情况要低。实际考察 ，即在 与 B 4煤层距 离分别是 6 2 ． 3 m、5 2 ． 5 8 m、3 7 ． 3 m的 B 8 、B 7 、B 6 等 上部煤层 开采 后 ， B 4 煤层 的残余 瓦斯压力 实际 值为 0 ． 2 M P a ，比单一开采保护层卸压计算出的 0 ． 5 5 4MP a低 了很 多。相应地 ，理论计 算 的 B 6煤 O O O O O O 0 O O ∞ ∞ ∞ ∞ 舳 ∞ 锄 舳 7 6 5 4 3 2 l O 维普资讯 第 1 期 煤矿煤层气抽采技术 9 ．1 ◆ I ‘ 。 1 人 I} 1 l 1 。 J - ■ ． ． I ． ． L 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 O 1 4 0 1 6 0 1 8 0 时间 d 图2 钻孔煤层气抽采量随时间的变化曲线 层开采后 B 4煤层钻孔煤层气流量增大 的倍数将是 2 3 ． 4倍 ，而实际是平均 5 0 ． 5倍 。证明多重开采上 部煤层比开采单一煤层卸压效果更好。 2 ． 3 地面钻井抽采采动影响区域煤层气技术 地面钻井 的结构如图 3 所示 ，利用下部煤层采 动卸压增加上部煤层的透气性 ，通过地 面钻井抽采 采 动影 响 区域 煤 层 煤 层 气。钻 井 深度 为 6 5 0～ 6 8 0 ． 3 m， 工 作管 直 径 1 7 7 ． 8 l a in，目标 煤 层厚 度 7 ． 9 ～1 0 ． 5 m，抽采动 力为 2 B E 1 5 0 5 ／ 7 1 0水 环式 真空泵 图 3 地 面钻井结构不意图 现场考察结果表明，地面钻井单井抽采煤层气 量最高达 2 2 1 9 0 m 3 ／ d ，平均 1 4 9 4 3 m 3 ／ d 。抽采煤层 气浓度达到 9 5 ％，单井年抽采煤层气量 3 0 0万 m ] 。 在采动影响区域 ，地面钻井单井抽采半径达2 1 1 m。 地面钻井可有效抽采采动影响区域 的煤层气 ，也可 作为采空区抽采井。 3 强化抽 采煤层气技术 3 ． 1 区域煤层钻孔抽采煤层气技术 区域煤层钻孔包括顺层平行钻孔 、顺层交叉钻 孔和穿层钻孔三类 。在淮南矿区煤层条件下 ，顺层 钻孔 的布孔间距为 3～5 m，穿层钻孔 的煤孔 间距 为 7 ． 5 m。通过研究排渣工艺 ，优选钻机类型，优 化钻进工艺，淮南矿区松软煤层严重突出区域顺层 钻孔成孔深度达到 1 1 8 m，倾斜煤层下 向钻孔成孔 深度普遍超过 6 0 m。 经过 3 个月以上的抽采 ，淮南矿区采用区域煤 层钻孔的预抽率达到 2 0 ％，显著降低了煤壁和采 落煤炭的瓦斯涌 出量。2 0 0 0年 以来 ，淮 南矿 区有 l 2 个块段采用区域煤层钻孔强化抽采消除 了突出 危险 ，实现了突出煤层放顶煤回采 。 3 ． 2 掘进边抽边掘技术 在掘进巷道两帮分别施工钻场，从钻场内施工 沿掘进方 向的长钻孔抽采煤层气 ，同时，在掘进迎 头施工短钻孔抽采 。据测定 ，迎头钻孔在 1 6 h内 所抽出的煤 层气量约 占最大可抽 出量 的 8 0 ％。因 此，迎头钻孔的抽采煤层气时间确定为 1 6 h ，钻孔 的数 目为每平方米 断面不少于 2个钻孔 ，并保持 5 m以上的超前量。巷帮钻场间距 为 5 0 m，每个钻 场内布置 3～ 6个钻孔 ，钻孔 长度 6 0 m，保持钻孔 压茬 1 0 m。巷 帮长钻孔应布置在巷 帮卸压 区内并 避开松动区，这样既能够提高抽采效果 ，又可避免 钻孔漏气 。经现场测试 ，当钻孔距巷帮小于 2 ． 0 m 时抽采煤层气浓度较低 ，相距 2 ． 5 m～6 ． 9 m时抽 采效果最佳 。 边抽边掘能够有效地控制工作面前方断层等地 质情况 ，有利于及时准确地采取针对性 防突措施。 巷帮长钻孔抽采煤层气不受掘进工作面施工影响 ， 能保证不间断地抽采，能够有效地拦截巷道周边松 动煤体向工作面涌出的煤层气 ，减少落煤过程中的 瓦斯 涌 出量。长钻 孔 的单 孔 煤层 气 抽 采量 达 到 0． 5 m3 ／ mi n ，掘进面的煤层气抽采率达到 2 5 ％以上。 3． 3 深孔控制预裂爆破增透抽采煤层气技术 在煤巷掘进工作面迎头布置 1 ～2 个爆破深孔 ， 两侧施工 3 4个抽采钻孔 ，当爆破孔 中炸药爆炸 后 ，由于抽采孔的控制 、补偿作用 ，导致炸药能量 有效地作用在布孔区域的煤体上 ，使工作面前方煤 下转第 6页 6 5 4 3 2 1 O c I 山 ＼ c u J 一 蛳 霉 维普资讯 6 中 国 煤 层 气 第 1 期 源。由于控制面积大 ，流动通 道多， 可以大大 降低 煤粉堵塞的影响， 同时不用压裂 ， 也减少了储层的伤 害， 可以分别在煤 矿采动影响 区、 煤矿采空区、 煤矿 近期规划区 ， 甚至煤矿中、 长期规划 区进行地面开发 煤层气。该技术在 山西沁水盆地南部得到应用 ， 钻 了第一 口多分支水 平井一D N P 0 2井 ， 共 1 3个分枝 ， 煤层中总进尺 7 6 8 6 m， 产气量稳定在 2 0 0 0 0 m 3 ／ d 。 4． 2 井下顺煤层水平长钻孔技术 在 首采顺煤层部署定 向水平 长钻孔抽采煤层 气。在巷道掘进前 ，采用沿掘进方向施工长钻孔预 抽煤层气 ；掘进巷道时 ，在巷道两帮施工钻孔实现 边掘边抽 。当抽到一个合理时间段后 ，布置工作面 回采 ，实现煤炭开采与煤层气开发的合理部署 。这 项技术在寺河煤矿 和大宁煤矿得到 比较好 的应用。 其中，大宁煤矿单孔最大深度达到 l K I 2 m，抽采煤 层气浓度为 5 0 6 0 ％，抽采率为 8 0 ． 6 2 ％，远远 高 于全国平均水平 2 6 ． 5 0 ％。该技术大大提高了煤矿 的安全生产水平。 4． 3 煤层气卸压抽采技术 我 国煤矿煤层气 的抽 采工作取得 了很 大的进 展 ，但抽采的主要 目的还是为了采煤安全 ，而不是 将煤层气作为一种有用的资源进行开采 ，大部分矿 井的气体 未能利用直接排 放到大气 中，污染 了环 境，浪费了资源。资料表明，我国煤层气卸压抽采 总体上仍存在抽 出率低和钻孔工程量大的问题 ，煤 层气总体抽 出率仅 为 2 3 ％。 目前 ，有关学者 根据 岩层采动动态分布规律的研究成果 ，提 出了卸压煤 层气抽采钻孔布置的 “ 0形圈”理论 ，根据该理论 的指导，在淮北 、阳泉、淮南等矿区进行了上覆远 距离卸压煤层气抽采 、邻近层卸压煤层气抽采 、本 煤层采空区卸压煤层气抽采 ，试验取得 了成功 ，并 得到了应用。 5 结束语 我国拥有丰富的煤层气资源 ，它是我国常规天 然气的现实接替资源 ，目前 ，我国已初步具备了近 期内进行煤层气商业化开发的基础。国家也非常重 视煤层气的勘探 、 开发 、 利用工作。如何有效地开发 出并利用好煤层气资源 ， 关 系到构建和谐社会 和保 障国家能源的安全问题。煤层气的开发工作必须与 煤矿生产紧密结合 ， 依靠科技进步 ， 进一步提高煤层 气的抽采效率。通过煤层气的开采和利用 ， 把安全 和生产统一于科技进步和先进生产力之 中， 从 而达 到解放生产力、 保护生命、 保护资源、 保护环境的目 的， 实现“ 煤与煤层气共采” 的煤矿绿色开采 目标。 责任编辑康丽华 上接第 9页 舍 g g 一 嘲 霉 图4 掘进工作面强化增透前后抽采量变化曲线 体内产生一个具有一定长度 ，同时具有较大孔隙的 破碎带、松动圈和裂隙圈。有利于消除煤体结构的 不均匀 ，减小地应力 ，降低能量梯度 ，达到消突增 透的效果 。 通过研制可连接式塑料被筒和封孔装置，装药 深度达到 6 0 m，封孔深度达到 1 0 m以上。现场考 察结果如图 4所示 ，深孔控制预裂爆破实施后 ，煤 层钻孔的煤层气抽采量显著提高。 4 结束语 煤矿煤层气 瓦斯抽采是煤矿瓦斯治理 的重 要手段 ，通过煤矿煤层气的抽采可 以达到直接降低 煤层瓦斯含量 的作用。因此 ，为保 障矿井 安全生 产，减少煤矿瓦斯事故，必须研究提高煤矿煤层气 的抽采技术 ，尤其是在复杂地质条件下的煤矿煤层 气抽采技术。 参考文献 [ 1 ] 袁亮 ．松软低透煤层群瓦斯抽采理论与技术 [ M] ． 北京煤炭工业出版社，2 0 0 4 ． 1 2 [ 2 ] 袁亮，刘泽功．淮南矿区开采煤层顶板抽放瓦斯技 术的研究 [ J ] ．煤炭学报，2 0 0 3 年 o 2 期 [ 2 ] 袁亮．复杂特困条件下煤层群瓦斯抽 放技术研究 [ J ] ．煤炭科学技术，2 0 0 3年 3 1 卷 l 1 期 责任编辑孙庆刚 维普资讯