阳泉矿区瓦斯治理创新模式与实践

　第４６卷第２期煤炭科学技术Ｖｏｌ􀆰４６　Ｎｏ􀆰２　　２０１８年２月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｆｅｂ.２０１８　安全技术及工程阳泉矿区瓦斯治理技术创新模式与实践翟　红ꎬ令狐建设(阳泉煤业(集团)有限责任公司　山西阳泉　０４５０００)摘　要:针对阳泉矿区煤与瓦斯突出严重的现状ꎬ结合矿区瓦斯地质特征ꎬ基于本煤层钻孔瓦斯抽采技术提出了“一个钻孔就是一项工程”的瓦斯治理模式ꎮ结果表明:通过技术创新、钻孔工程的质量标准化管理、过程质量管理和目标管理ꎬ大幅度提高了钻孔质量和瓦斯抽采效果ꎬ本煤层钻孔瓦斯抽采浓度由原来的平均８％提高到了４０％以上ꎬ提高了５倍ꎻ单孔(百米)瓦斯抽采流量由原来的０.０１ｍ３/ｍｉｎ提高到了０.０３~０.０４ｍ３/ｍｉｎꎬ提高了２~３倍ꎻ减少了钻孔数量ꎬ节约了瓦斯治理成本ꎬ实现了阳泉矿区瓦斯治理水平的大幅提升ꎬ保障了矿井的安全生产ꎮ关键词:瓦斯治理ꎻ瓦斯抽采ꎻ本煤层钻孔ꎻ煤与瓦斯突出中图分类号:ＴＤ７２　　　文献标志码:Ａ　　　文章编号:０２５３－２３３６(２０１８)０２－０１６８－０８ＰｒａｃｔｉｃｅａｎｄｍｏｄｅｏｆｇａｓｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｉｃａｌｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｉｎＹａｎｇｑｕａｎＭｉｎｉｎｇＡｒｅａＺＨＡＩＨｏｎｇꎬＬＩＮＧＨＵＪｉａｎｓｈｅ(ＹａｎｇｑｕａｎＣｏａｌＩｎｄｕｓｔｒｙ(Ｇｒｏｕｐ)Ｃｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＹａｎｇｑｕａｎ　０４５０００ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＩｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅｓｅｒｉｏｕｓｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｃｏａｌａｎｄｇａｓｏｕｔｂｕｒｓｔｉｎＹａｎｇｑｕａｎＭｉｎｉｎｇＡｒｅａꎬｉｎｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｗｉｔｈｇａｓｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓ￣ｔｉｃｓｉｎｔｈｉｓａｒｅａꎬｔｈｅ“ｏｎｅｂｏｒｅｈｏｌｅｉｓａｐｒｏｊｅｃｔ”ｇａｓｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｅｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｂｙａｄｏｐｔｉｎｇｔｈｅｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｂｏｒｅｈｏｌｅｉｎｍｉｎｉｎｇｓｅａｍ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｑｕａｌｉｔｙａｎｄｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｇａｓｄｒａｉｎａｇｅａｒｅｇｒｅａｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｅｃｈｎｉｃａｌｉｎｎｏｖａｔｉｏｎꎬｑｕａｌｉｔｙｓｔａｎｄａｒｄｉ￣ｚａｔｉｏｎｍａｎａｇｅｍｅｎｔｏｆｄｒｉｌｌｉｎｇｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬｐｒｏｃｅｓｓｑｕａｌｉｔｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔａｎｄｔａｒｇｅｔｍａｎａｇｅｍｅｎｔ.Ｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｇａｓꎬｗｈｉｃｈｃｏｍｅｆｒｏｍｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｏｆｔｈｅｂｏｒｅｈｏｌｅｉｎｍｉｎｉｎｇｓｅａｍꎬｉｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｆｒｏｍｆｏｒｍｅｒａｖｅｒａｇｅｏｆ８％ｔｏ４０％ｏｒｍｏｒｅꎬｗｈｉｃｈｉｓａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙａｎｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｆｉｖｅｔｉｍｅｓꎻｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｆｌｏｗｏｆ１００ｍｓｉｎｇｌｅｂｏｒｅｈｏｌｅｉｎｃｒｅａｓｅｂｙ２ｔｏ３ｔｉｍｅｓꎬｆｒｏｍ０.０１ｍ３/ｍｉｎｔｏ０.０３~０.０４ｍ３/ｍｉｎ.Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａ￣ｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｇａｓｍａｎａｇｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｒｅｄｕｃｅｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｄｒｉｌｌｉｎｇｂｏｒｅｈｏｌｅｓａｎｄｓａｖｅｔｈｅｃｏｓｔｏｆｇａｓｃｏｎｔｒｏｌꎬｗｈｉｃｈｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｌｅｖｅｌｏｆｇａｓｃｏｎｔｒｏｌｉｎＹａｎｇｑｕａｎＭｉｎｉｎｇＡｒｅａａｎｄｇｕａｒａｎｔｅｅｔｈｅｃｏａｌｍｉｎｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｓａｆｅｔｙ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｇａｓｃｏｎｔｒｏｌꎻｇａｓｄｒａｉｎａｇｅꎻｂｏｒｅｈｏｌｅｉｎｍｉｎｉｎｇｓｅａｍꎻｃｏａｌａｎｄｇａｓｏｕｔｂｕｒｓｔ收稿日期:２０１８－０１－２０ꎻ责任编辑:代艳玲　　ＤＯＩ:１０􀆰１３１９９/ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０１８􀆰０２􀆰０２３作者简介:翟　红(１９６２—)ꎬ男ꎬ山西灵石人ꎬ成绩优异的高级工程师ꎬ博士ꎬ现任阳泉煤业(集团)有限责任公司党委书记、董事长ꎮ引用格式:翟　红ꎬ令狐建设􀆰阳泉矿区瓦斯治理技术创新模式与实践[Ｊ]􀆰煤炭科学技术ꎬ２０１８ꎬ４６(２):１６８－１７５􀆰ＺＨＡＩＨｏｎｇꎬＬＩＮＧＨＵＪｉａｎｓｈｅ􀆰ＰｒａｃｔｉｃｅａｎｄｍｏｄｅｏｆｇａｓｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｉｃａｌｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｉｎＹａｎｇｑｕａｎＭｉｎｉｎｇＡｒｅａ[Ｊ]􀆰ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１８ꎬ４６(２):１６８－１７５􀆰０　引　　言煤炭是我国的主要能源ꎬ在能源消费构成中长期占比６０％左右ꎮ２０１６年全国煤炭总产量为３３.６亿ｔꎬ占世界煤炭开采总量的５０％ꎮ我国«能源中长期发展规划纲要(２００４~２０２０年)»确定了“坚持以煤炭为主体、电力为中心、油气和新能源全面发展的能源战略”ꎻ中国工程院«国家能源发展战略２０３０~２０５０»预测ꎬ到２０５０年我国煤炭年产量将控制在３０亿ｔ/ａꎬ仍将是我国的主导能源[１]ꎮ我国煤矿瓦斯地质条件复杂ꎬ瓦斯灾害严重ꎬ瓦斯突出和瓦斯爆炸灾害频繁发生ꎬ严重影响了煤炭安全生产ꎮ建国以来共发生过２４起一次死亡百人以上的煤矿事故ꎬ其中１９次是瓦斯灾害ꎮ据２０１２年１２２８１处煤矿的瓦斯等级鉴定结果ꎬ全国共有高瓦斯和突出煤矿３２８４处ꎬ占２６.７％ꎬ瓦斯矿井８９９７处ꎬ占７６.３％ꎮ随着煤炭开采深度以２０ｍ/ａ左右的速度增加ꎬ开采煤层的地应力增加ꎬ渗透率急剧降低ꎬ瓦斯含量和压力相应升高ꎬ高瓦斯和突出煤矿数量继续增加ꎬ瓦斯灾害越加严重[２]ꎮ８６１翟　红等:阳泉矿区瓦斯治理技术创新模式与实践２０１８年第２期有效抽采煤层瓦斯可以将瓦斯含量和压力降低到安全水平ꎬ从根本上消除瓦斯灾害ꎮ通过长期研究和大量实践ꎬ我国开发了多种瓦斯抽采技术ꎬ包括开采解放层[３－４]、底板巷道抽采[５]、水力压裂[６]、水力割缝[７]和冲孔[８]、钻割抽一体化[９]、炸药松动爆破[１０－１１]、气体驱替[１２－１３]和本煤层钻孔等技术[１４－１５]ꎮ不同技术适应于不同瓦斯地质条件的煤层和矿区ꎬ相对于其他技术ꎬ本煤层钻孔瓦斯抽采是全国高瓦斯煤矿应用普遍、成本较低、设备和施工简单的瓦斯治理技术ꎮ本煤层瓦斯抽采钻孔是煤炭行业一个庞大的井下工程ꎮ全国有１/３的煤炭开采自高瓦斯突出矿井ꎬ年产量１０亿ｔ以上ꎬ全国年钻孔进尺约１亿ｍꎮ阳泉煤业(集团)有限责任公司(简称阳煤集团)２０１６年完成钻孔近６万个ꎬ钻孔进尺６００万ｍꎮ瓦斯抽采钻孔是建设在煤层瓦斯和抽采管路系统之间的人工通道ꎬ是瓦斯从煤层深部流出的唯一途径ꎮ钻孔质量决定了瓦斯抽采效率的高低和瓦斯治理的成效ꎮ保障瓦斯抽采钻孔质量ꎬ提高钻孔的瓦斯抽采效果和长期稳定性ꎬ是钻孔技术治理瓦斯的核心内容和最高技术目标ꎮ抽采钻孔虽小ꎬ但环节众多ꎮ从技术管理和系统工程角度分析ꎬ一个瓦斯抽采钻孔就是一个独立的系统工程ꎮ基于这一认识ꎬ阳煤集团创新提出了“一个钻孔就是一项工程”的管理理念ꎬ经过２年的实践ꎬ形成了适用于阳煤矿区瓦斯地质条件的本煤层钻孔治理瓦斯技术和管理方法ꎬ有效提高了钻孔质量ꎬ改善了治理瓦斯效果ꎮ笔者就阳煤集团“一个钻孔就是一项工程”的提出与实践效果进行讨论ꎬ以期对类似瓦斯地质条件下的煤矿瓦斯治理有所借鉴ꎮ１　阳泉矿区瓦斯地质及瓦斯治理现状阳泉矿区位于沁水煤田东北部ꎬ是我国煤与瓦斯突出严重的矿区ꎬ主采煤层为山西组３号和太原组的８号、１２号、１５号煤层ꎮ阳煤集团所属生产矿井均为高瓦斯矿井或煤与瓦斯突出矿井ꎬ瓦斯灾害十分严重ꎮ现有高瓦斯及煤与瓦斯突出生产矿井１７处ꎬ主采煤层具有瓦斯含量高、压力大ꎬ瓦斯涌出量大ꎬ突出严重的特征ꎮ瓦斯压力最大达到２.５ＭＰａꎬ瓦斯含量多数在１０ｍ３/ｔ以上ꎬ局部达到３０ｍ３/ｔ以上ꎻ２０１６年阳煤集团１７座生产矿井瓦斯绝对涌出量高达３７００ｍ３/ｍｉｎꎬ年瓦斯涌出量约２０亿ｍ３ꎮ主采煤层碎软ꎬ煤层普氏系数普遍在０.５以下ꎬ钻孔施工难度大ꎬ成孔质量差ꎻ煤层透气性差ꎬ透气性系数普遍在０.１ｍ２/(ＭＰａ２􀅰ｄ)以下ꎬ部分突出矿井煤层透气性系数在０.０１ｍ２/(ＭＰａ２􀅰ｄ)以下ꎬ为难(或极难)抽采煤层ꎬ瓦斯抽采浓度低、流量小ꎬ抽采效率低下ꎬ治理难度大ꎮ自１９６６年在阳泉三矿北头嘴发生第１次瓦斯突出以来ꎬ历史上共发生煤与瓦斯突出１５５４次ꎬ瓦斯喷出２４１５次ꎬ突出煤量８１２３.８９ｔꎬ瓦斯量涌出量３２７５６５７.４４ｍ３ꎬ成为山西省内最为严重的突出矿区ꎮ为有效治理瓦斯ꎬ阳煤集团先后开发应用过水力压裂、气相压裂、水力冲孔、水力割缝、氮气驱替、密集钻孔等本煤层瓦斯抽采技术ꎬ有效遏制了瓦斯灾害发生ꎮ基于成本和施工技术难度等原因ꎬ现阶段普遍应用的还是本煤层瓦斯抽采钻孔技术ꎮ２０１５年阳煤集团本煤层抽采钻孔进尺就达到７０７万ｍꎬ钻孔施工费用(包括人工、封孔材料等相关费用)高达７亿元ꎬ钻孔施工投入巨大ꎬ吨煤瓦斯治理投入占吨煤总成本的１５％~２０％ꎮ提高瓦斯抽采钻孔质量成为阳煤集团瓦斯治理技术和管理的攻坚战ꎮ基于此ꎬ２０１５年底ꎬ阳煤集团提出了“一个钻孔就是一项工程”理念ꎬ通过技术创新、工程质量标准化管理、工程质量过程管理和工程质量目标管理等４个方面的提升ꎬ实现了本煤层钻孔瓦斯预抽效果质的提升ꎮ２　瓦斯治理技术创新模式２.１　工程质量标准化管理关于瓦斯抽采钻孔的工程内容和技术改进ꎬ我国煤矿有大量成功的技术与经验[１６－１９]ꎬ如何通过质量管理进而提高工程(包括技术和施工)质量ꎬ实现钻孔瓦斯治理的最佳效果ꎬ是“一个钻孔就是一项工程”的主要内容和任务ꎮ工程质量标准化管理是要解决的第一个问题ꎮ２.１.１　瓦斯抽采钻孔的关键工程内容标准化１)工作面瓦斯地质条件评价ꎮ首先由地质部门评价煤层瓦斯地质条件、包括地质构造、煤体结构、瓦斯含量等ꎬ确定钻孔参数ꎬ根据煤体结构特征ꎬ分级评价钻孔施工的难易程度ꎬ预测瓦斯抽采难易程度、抽采效果和抽采时间ꎬ建立瓦斯抽采指标体系ꎬ确定钻孔间排距ꎬ制定钻孔施工的技术工艺ꎮ２)钻孔施工设计标准化ꎮ由集团公司制定瓦斯抽采钻孔施工设计标准化模板ꎬ按照标准模板ꎬ集９６１２０１８年第２期煤炭科学技术第４６卷团公司各矿瓦斯抽采部门完成单个瓦斯抽采钻孔的施工设计ꎮ标准设计的主要内容包括:①钻孔的几何学参数:孔径、深度、方向、倾角、方位角、距离煤层顶板或底板的距离等ꎬ或者选择煤层结构较好的分层ꎻ②施工钻机和钻具选择ꎻ③钻孔施工技术和工艺要求ꎻ④完钻后钻孔质量验收标准ꎻ⑤封孔技术ꎻ⑥封孔质量验收标准ꎻ⑦抽采管路连接技术要求和质量验收标准ꎻ⑧瓦斯抽采参数监测和统计分析ꎻ⑨瓦斯抽采效果初步预测ꎬ建立瓦斯抽采评价方法和标准ꎮ施工设计是瓦斯抽采钻孔施工、过程管理、工程验收和效果评价的技术依据ꎮ３)钻孔质量分级责任制ꎮ钻孔施工坚持“专人负责、分级验收、分级把关”的原则ꎮ即:钻孔施工过程中ꎬ明确各环节责任人和各自职责ꎬ施工班机长对班报的记录审查验收ꎬ验收人员对各环节验收、验收机构抽查验收和采掘过程中出现瓦斯异常涌出时分析倒查ꎬ若验收结果存在差异时ꎬ后一级验收可以否定前一级验收结果ꎬ形成长效责任追究机制ꎮ４)钻孔现场定位标准化ꎮ由瓦斯抽采管理部门组织ꎬ抽采、地质和钻孔施工队共同参与现场钻孔定位ꎬ开孔位置误差不超过±１００ｍｍꎬ角度误差不大于±０.１°ꎬ挂牌标识ꎬ记录入档ꎮ５)钻孔施工工艺标准化ꎮ根据煤层瓦斯地质条件和施工设计要求ꎬ优选钻机和钻具ꎬ按照要求完成钻孔施工ꎮ钻机选择原则是ꎬ针对煤层普遍碎软和施工过的塌孔现象ꎬ优先选用大功率、大转矩履带钻机ꎬ如:ＥＨ２６０钻机、６５００ＬＰ钻机等ꎮ其次ꎬ针对以往螺旋钻杆排渣距离长ꎬ对钻孔扰动大ꎬ钻杆旋转阻力大、导致钻机老化严重、维修率高等问题ꎬ优先选用肋骨钻杆、三棱钻杆和风水联动排渣工艺进行施工ꎬ减小对钻孔的扰动ꎬ降低钻机损耗ꎬ提高钻孔成孔率ꎮ６)钻孔封孔工艺标准化ꎮ采用囊袋式“两堵一注”专用封孔材料和带压封孔工艺ꎬ封孔压力不低于２ＭＰａꎮ通过标准化封孔工艺ꎬ提高钻孔的气密性和瓦斯抽采浓度ꎮ７)抽采管路标准化