煤層瓦斯抽采區域提濃技術體系及應用

劉延保

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室,重慶400037;2.中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶400037)

煤層瓦斯抽采區域提濃技術體系及應用

劉延保1,2

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室,重慶400037;2.中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶400037)

為了提高煤礦井下瓦斯抽采的濃度，提出了以高效封孔技術，管路連接、檢漏、堵漏技術，負壓調節、管網運行管理“三位一體”的技術體系，從源頭上提高瓦斯濃度，保障管網輸送過程中瓦斯濃度，解決抽采管網管理的難題。利用該技術在潞安集團余吾煤業S2108膠帶順槽煤層進行了169個鉆孔的區域提濃試驗。試驗結果表明：試驗支管在保證不減少抽采的純瓦斯量的情況下，濃度明顯較其他支管有較大幅度提高，試驗支管濃度由11%提升至25%；支管瓦斯抽采濃度的提高，使抽采系統運行效率顯著提高，降低對支管管徑、泵站能力的要求，降低了抽采成本；支管提高濃度后使其遠離爆炸界限，保證了瓦斯輸送過程中的安全性；同時，可為實現瓦斯梯級利用提供技術保障。

瓦斯；提濃；高效封孔；抽采管網；檢漏儀；抽采負壓

煤層瓦斯抽采是解決高瓦斯礦井煤炭開采中瓦斯災害問題最有效的技術措施。當前，瓦斯抽采面臨的主要問題是如何有效地、大幅度地提高抽采效果和抽采系統的效率。提高瓦斯抽采濃度不僅可以保證抽采效果，極大地解放抽采系統能力、提高整個抽采系統運行效率、減少礦井對抽采系統的投入、降低抽采成本，還能縮短抽采系統的建設周期，節約瓦斯抽采時間，解決采掘接替緊張的問題。同時，提高抽采瓦斯濃度能有效保障輸送過程的安全，避免井下瓦斯抽采引發煤自燃及管網瓦斯爆炸等事故[1-2]。而且，提高瓦斯抽采濃度更是實現瓦斯梯級利用的技術保障。因此，提高瓦斯抽采濃度對礦井的安全生產和提高經濟效益都具有重要意義。

1 技術原理及思路

提高瓦斯抽采濃度的“三位一體”技術體系路線見圖1。

圖1 技術體系路線圖

1)采用高效封孔技術提高源頭的瓦斯濃度。瓦斯抽采濃度低除受煤層地質賦存條件及煤層滲透率等自然因素制約外，抽采鉆孔的封孔質量是主要影響因素?；凇皟啥乱蛔ⅰ睅鹤{封孔工藝的技術原理，采用以HD-Ⅰ型無機封孔材料和FKJW型礦用注漿封孔器為一體的“二次封孔”工藝，提高封孔質量，延緩衰減速度，從源頭上提高抽采鉆孔內瓦斯的濃度。

2)利用管網檢漏、堵漏技術保障管網內瓦斯濃度。瓦斯抽采管網的作用是連接抽采泵和井下抽采

鉆孔，將地面瓦斯抽采泵運行形成的抽采負壓傳遞至井下各抽采區域的抽采鉆孔內。同時，將抽采的瓦斯輸送至地面進行利用或排空。抽采管路連接不當或發生泄漏都會使空氣在負壓的作用下進入管路，導致管路內瓦斯濃度降低。因此，采用基于超聲波檢漏原理的瓦斯抽放管道檢漏技術，對管網進行巡檢，獲得漏氣規律，完善管路連接方式、并對漏氣點進行堵漏處理。

3)保證合理抽采參數，加強管網運行管理。在長期的生產實踐中發現，提高抽采負壓會使抽采效率表現出一定程度的上升，但負壓過大時會引起抽采濃度降低，從而導致抽采效率下降[3]。因此，可根據監測數據確定鉆孔合理抽采負壓，提高抽采瓦斯濃度。同時，加強管網運行管理，對抽采管路進行巡檢，對管路積水、積渣及時發現、處理，減小管道阻力損失，保障管網正常運行。

2 礦井概況

潞安集團余吾煤業有限責任公司地處山西省屯留、襄垣縣境內。該礦井為高瓦斯礦井，主采山西組3#煤層，核定生產能力8.0Mt/a；全井田共劃分12個采區，工作面采用綜采放頂煤采煤法；礦井采用抽出式通風，絕對瓦斯涌出量為294.38m3/min，相對涌出量為21.8m3/t(2014年實測數據)。隨著礦井產能的不斷提升，瓦斯抽采壓力逐步增大，亟需提高抽采系統濃度，緩解瓦斯泵站抽采能力，滿足抽采達標需要。因此，選擇在S2108膠帶順槽開展區域提濃工業性試驗。

2.1 試驗區域煤層及鉆孔情況

試驗區域煤層厚度5.32～6.15m，平均瓦斯含量為9.23m3/t，殘存瓦斯含量2.37m3/t，透氣性系數0.524～1.7446m2/(MPa2·d)，煤質較松軟，堅固性系數在0.44～0.53之間。巷道沿煤層頂板掘進，向S2108工作面側煤體施工平行預抽鉆孔，鉆孔間距2.5m，直徑115mm，設計深度145m，見圖2。

圖2 S2108膠帶順槽地質構造

2.2 抽采鉆孔封孔及接抽情況

試驗區域原封孔工藝采用布袋“兩堵一注”封孔，工藝原理見圖3。依次在抽采管上固定2m的長布袋和0.8m的短布袋，用設置有單向閥的注漿管將兩個布袋連通。注漿時，先將兩端布袋注滿，當布袋內壓力達到一定值后單向閥自動打開，開始對布袋之間的空間進行注漿，待返漿管出漿后停止注漿，封堵好注漿管與返漿管，完成封孔。

巷道內敷設有兩路DN400mm支管，一路帶抽S2108膠帶順槽預抽鉆孔，另一路是為裂隙鉆孔抽采預留的支管。鉆孔接抽時，每4～5個鉆孔為一組連入匯流管，匯流管通過三通與支管相連，支管平均瓦斯濃度11%。

3 試驗方案

為提高試驗區域的瓦斯抽采濃度，根據現場具體情況，制定了技術方案。

3.1 高效封孔方案

鉆孔抽采濃度低、衰減較快其原因主要是封孔材料不能有效封堵封孔管與孔壁之間的縫隙以及孔壁內生裂隙，在負壓影響下出現漏氣[3-4]。針對這一情況，基于“兩堵一注”的原理，開發出了“兩堵一注”二次封孔工藝。其技術核心是利用專用的封孔注漿設備和FKJW型封孔器[5]將HD-Ⅰ型封孔材料漿體帶壓注入鉆孔周圍裂隙中，對鉆孔周圍煤巖體施加主動支護，漿體有效滲入到煤體裂隙中，并發生膨脹硬化反應；且當抽采濃度降低時，可以繼續進行二次封孔，保證抽采瓦斯濃度持續穩定。優化后的封孔工藝如圖4所示。該封孔工藝不但適用于本煤層不同角度的水平孔、俯孔和仰孔，對于穿層鉆孔同樣適用。

該工藝的連接管路由FKJW型礦用注漿封孔器、抽采管(包括里端花管)、注漿管(一次、二次注漿管)、返漿管等構成。注漿、返漿管通過快速接頭與封孔器連接，結構見圖4。注漿時，將HD-Ⅰ型封孔材料按照水灰比0.6∶1混合均勻后注漿；漿體先被注入封孔器，待脹滿鉆孔且內部達到一定值后，單向爆破閥自動打開，開始對封孔器之間的空間進行注漿，直至返漿管中有漿體流出；此時，將返漿管對折密封，繼續注漿，待達到預定壓力時對折密封注漿管；在孔口插入二次注漿管，并用水泥敷住孔口。注漿結束24小時后可進行接抽。如接抽一段時間后出現濃度降低，則按上述過程通過二次注漿管進行二次注漿。

圖3 布袋封孔示意圖

圖4 二次封孔工藝示意圖

方案采用的HD-Ⅰ型封孔材料是專門針對煤礦瓦斯抽采封孔研發的一種新型無機復合封孔材料，具有流動性強、易攪拌、不沉淀、膨脹率較大且分布均勻、抗壓強度高、致密性好等優良特征，物性參數見表1。

表1 HD-Ⅰ型封孔材料物性參數表

3.2 管路連接及檢漏、堵漏

1)管路接抽。試驗鉆孔采用巷道內另一路為頂板裂隙鉆孔抽采預留的支管單獨接抽，見圖5。鉆孔采用直徑80mm的高壓管連入匯流管，匯流管通過三通與支管相連，各管路連接方式為法蘭連接。匯流管與支管之間安裝有負壓放水器和孔板流量計，鉆孔可單獨計量負壓和濃度。

2)管路檢漏、堵漏。利用YJL40C型煤礦用瓦斯抽放管道檢漏儀對抽采管路進行巡檢，該設備基于超聲波檢漏原理，通過檢測泄漏點的氣體流動產生的超聲波信號源，從而精確定位氣體泄漏點，實現負壓抽采管路在線泄漏檢測[6-8]。巡檢結果見圖5，泄漏點主要分布在支管法蘭連接處，鉆孔抽采管連接處、匯流管連接處、鉆孔抽采管連接處等，其中，抽采管與高壓管的連接普遍存在漏氣現象。根據現場實際情況制定了堵漏措施，法蘭連接部位的漏氣采用浸有聚氨酯的棉布纏繞的方式堵漏；鉆孔抽采管與高壓管改用塑料管接頭連接，使用前進行氣密性檢測。

圖5 試驗鉆孔接抽及檢漏示意圖

3.3 負壓調節及管網管理

1)負壓調節。采用文獻[9]中的負壓考察方法，選取10個典型鉆孔進行10k～25kPa負壓進行考察。通過改變匯流管上的閥門來調節負壓，負壓采用從低到高的調節方法。根據監測的單孔負壓、濃度值以及衰減規律，判別鉆孔負壓是否合理。監測結果表明：鉆孔純瓦斯流量在10k～14kPa范圍內隨抽采負壓增加而增大，當負壓從14kPa增至25kPa時，純流量增長幅度趨于平緩。由此可見，負壓過高時，會引起鉆孔周圍煤壁漏氣，雖然混合流量增加，但會降低瓦斯濃度，造成抽采系統效率不高。因此，確定支管的合理抽采負壓為14kPa。

2)管網管理。鉆孔與管路管理按照每天對試驗巷道管路進行巡檢，對管路低洼處積水和管路積渣及時處理，減小管道阻力損失。對孔口漏氣嚴重的鉆孔及時封堵好，對于漏氣嚴重無法處理且抽采量小的鉆孔進行關?；虿鸪?。支管抽采參數每三天監測一次，單孔抽采參數每周進行一次監測。

4 試驗結果

4.1 支管提濃效果

試驗時間持續6個月，共完成169個采面預抽鉆孔的封孔、接抽、負壓考察和管路維護。試驗巷道內的其他196個鉆孔由原支管接抽。兩路支管的抽采效果對比見表2。對比分析發現，試驗支管濃度明顯高于同一巷道內另一支管，試驗鉆孔平均百米純瓦斯流量也與巷道內其他鉆孔相差不大。

表2 支管提濃效果

4.2 單孔提濃效果

試驗6個月后，根據觀測數據對試驗巷道內的抽采鉆孔進行統計分析，結果見圖6。其中，原支管接抽鉆孔因孔內水大、抽采管損壞或者串孔的原因關閉61個，而試驗鉆孔因同樣原因關閉33個。在正常接抽的鉆孔中，單孔濃度大于30%的原支管接抽鉆孔有76個，占56.3%；而試驗鉆孔濃度大于30%的鉆孔有110個，占80.9%。由此可見，試驗鉆孔中高濃度鉆孔(濃度大于30%)所占的比例明顯高于非試驗鉆孔。

對抽采時間較長(>120d)的鉆孔進一步分析發現，試驗鉆孔中濃度大于50%的鉆孔占48.3%，而非試驗鉆孔同比只占16.4%。以上結果表明，試驗鉆孔單孔濃度得到有效提升。

4.3 試驗鉆孔濃度衰減情況分析

選取抽采時間最長(180d左右)的8個典型鉆孔，分析鉆孔的平均抽采瓦斯濃度隨抽采時間的變化規律，結果如見圖7。從圖中可以看出，在抽采的前30d，鉆孔瓦斯濃度開始有少量降低，但是很快就上升到最高值；約45d后，濃度開始持續緩慢下降，中間稍有波動；到120d后，鉆孔濃度基本穩定。該組試驗鉆孔初始平均濃度為44.58%，抽采120d后基本穩定在40%左右，平均衰減速度為1.79%/月，衰減速度明顯降低，能保持濃度的持續穩定。

圖6 試驗鉆孔提濃效果

圖7 試驗鉆孔濃度衰減趨勢

綜上所述，試驗巷道在采用抽采提濃技術后，鉆孔單孔濃度得到有效提升，并且鉆孔單孔濃度的衰減速度明顯降低，能保持濃度的持續穩定；在保證不減少抽采的純瓦斯量的情況下，明顯地提高了支管瓦斯濃度，最終試驗支管的瓦斯抽采濃度達到25.0%左右，提濃效果顯著。

5 討論

通過對試驗過程的深入分析，總結了進一步提高抽采濃度的措施。

1)提高鉆孔成孔長度。試驗巷道地質條件復雜，從圖2中可以看出，S2108工作面煤層整體為一向斜構造，向斜構造的底部在試驗段內距離S2108膠帶順槽的距離近，約60～90m，造成試驗鉆孔的深度普遍偏小。169個試驗鉆孔中，只有9個鉆孔達到了設計深度141m，最小煤孔長度只有36m，平均煤孔段長度只有73.8m。因此，應盡量提高鉆孔成孔長度。

2)鉆孔施工及時排渣。水鉆施工鉆孔時，在鉆桿與煤體之間就會積聚大量的煤泥，鉆頭拔出后無法完全排出，能積聚至距孔口10m左右，造成封孔管和封孔器很難安裝到設計深度。為了保證封孔效果，在退鉆后改用麻花鉆桿重新鉆進20m左右，將鉆孔內煤泥排出。同時，鉆孔必須隨鉆隨封。

3)避免鉆孔竄孔。為了加快抽采達標時間，以鉆孔間距1.25m在原鉆孔之間補打鉆孔。由于鉆孔間距較小，鄰近鉆孔在鉆孔封孔段(0～18m)容易發生串孔。鉆孔交叉處煤體發生變形和垮落，導致局部鉆孔斷面過大，使封孔器囊袋難以形成密實的擋板，注入的封孔材料通過縫隙流入孔底或鄰孔，無法形成有效的密封段，嚴重影響封孔效果。因此，鉆孔設計及施工中應盡量避免串孔的發生。

4)采取鉆孔日常排水。試驗巷道段內存在兩個陷落柱構造，構造區域煤體周圍含水量較大，再加上施工的鉆孔為下行孔，造成鉆孔內易積水且難以排出，影響抽采效果；同時，另一方面鉆孔接抽后，鉆孔內的積水帶著煤泥被抽入抽采管網，造成管網堵塞，大大降低鉆孔的抽采負壓。因此，有必要加強管網日常管理，采取周期性鉆孔排水措施。

6 結論

1)提出了提高瓦斯抽采濃度的“三位一體”技術體系。以抽采鉆孔高效封孔為基礎，在做好抽采鉆孔的接抽和檢漏、堵漏工作的同時，加強抽采管網的管理，使支管濃度得到提升，進而提升全礦井的瓦斯抽采濃度。

2)現場應用提濃效果明顯，試驗鉆孔中高濃度鉆孔所占比例明顯高于非試驗鉆孔，濃度衰減速度低，試驗支管在保證不減少抽采的純瓦斯量的情況下，濃度明顯較其他支管有較大幅度提高，試驗支管濃度達到25%左右。

3)通過提濃試驗將支管瓦斯濃度11%提升至25%，使其遠離爆炸界限內(5%～16%)，避免了混合流量大、流速高，容易造成氣體與管路的摩擦和產生靜電量增加，可能引起不安全隱患，利于瓦斯安全輸送。

4)支管瓦斯抽采濃度的提升減少了支管的混合氣體流量，從而降低對支管管徑的要求，節約管路投入。待該技術規?；茝V后還能使泵站達到設計能力，滿足全礦井瓦斯抽采需要，節約泵站新建和擴建投入。

5)隨著山西省瓦斯抽采全覆蓋、構建具有山西特色的煤礦瓦斯防治與利用體系工作的穩步推進，該技術對潞安礦區礦井瓦斯抽采、利用水平的提升

具有重要的借鑒意義。

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Study on the technology system of improving gas drainage concentration in regional coal seam and its application

LIU Yan-bao1,2

(1. State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology, Chongqing 400037, China；2. Chongqing Research Institute Co., Ltd., China Coal Technology and Engineering Group, Chongqing 400037, China)

In order to improve the concentration of coal mine gas extraction, the trinity technology system was proposed with efficient hole sealing technology, pipeline connection, leak detection and plugging technology, negative pressure adjustment, network operation and management. It improving the gas concentration from the source, ensuring the gas concentration in the process of network transmission, and solving the problem of extraction pipe network management. Using this technology, the regional tests with 169 boreholes have been carried out in Yu’wu Mining S2108 tape area. The experimental results showed that under the condition of guarantee without reducing the pure volume of the gas extraction in branch pipes test, the concentration of coal mine gas extraction greater than other branch pipe obviously, increased from 11% to 25%. The increase of branch pipe gas extraction concentration improves the efficiency of the extraction system significantly, reducing the ability of the branch pipe diameter and the pumping station, reducing the costs of extraction. After increasing the concentration of branch pipe keeps away from the explosion limit, the safety of gas transport process is guaranteed. Therefore, it provides technical support for realization of gas cascade utilization.

gas；improving gas drainage concentration；efficient hole sealing；gas drainage pipeline network；leak detector；gas drainage subpressure

2016-07-15

國家“十三五”科技重大專項資助(編號：2016ZX05067-004-004;2016ZX05043-005-003)；國家自然科學基金項目資助(編號：51574280)；重慶市基礎與前沿研究計劃項目資助(編號：cstc2016jcy jA0085)

劉延保(1981-)，男，山東淄博人，博士，副研究員，主要從事煤礦瓦斯災害治理及煤層氣開發研究工作。

TD712

A

1004-4051(2017)01-0130-05