新大地煤礦本煤層瓦斯超前卸壓抽采試驗研究＊

吳仁倫 許家林 秦 偉 王中偉 張海平 田林祥

(1.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇省徐州市,221008;2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221116)

陽泉礦區(qū)是我國典型的高瓦斯礦區(qū),經(jīng)過長期不懈的實踐和創(chuàng)新,陽泉礦區(qū)形成了一套獨特的煤層卸壓瓦斯抽采與綜合治理技術(shù)體系,基本解決了煤層開采中的瓦斯問題。但是,隨著開采深度的增加,本煤層瓦斯原始含量有明顯的增大,煤層瓦斯涌出量大幅增加,導(dǎo)致工作面瓦斯頻繁超限,嚴(yán)重影響安全高效開采。因此,要保證安全開采,必須對煤層瓦斯進(jìn)行抽采,但由于陽泉礦區(qū)開采煤層滲透率低,瓦斯預(yù)抽難度較大。實踐證明,一旦煤層開采引起巖層移動,即使是滲透率很低的煤層,其滲透率也將增大數(shù)十倍至數(shù)百倍,這就給瓦斯的抽采提供了可能。工作面超前支承壓力對本煤層滲透率變化起主導(dǎo)作用,掌握超前支承壓力對本煤層瓦斯的卸壓影響規(guī)律,能夠提高煤層瓦斯抽采效果,保證高瓦斯、低透氣性煤層的安全高效開采。為此,在多個煤礦開展了本煤層超前卸壓瓦斯抽采試驗,本文主要介紹在新大地煤礦15101綜放面的試驗情況。

1 15101工作面概況

山西新大地煤業(yè)有限公司主采15#煤層,15101綜放面為該礦首采面,工作面埋深344～337 m,走向長度為500 m,傾斜長度為121 m,煤層厚度為4.50～5.30 m,平均厚度為4.90 m,傾角為8～12°,局部達(dá)到20°。15#煤層絕對瓦斯涌出量為18.48 m3/t,瓦斯壓力1.25為MPa,煤層透氣性系數(shù)為0.175 m2/(MPa2·d),百米鉆孔自然瓦斯流量衰減系數(shù)為0.0417/d。

2 本煤層瓦斯抽采鉆孔布置

15101綜放面本煤層瓦斯抽采鉆孔均沿進(jìn)風(fēng)巷布置,所有鉆孔均平行于切眼、垂直于工作面進(jìn)風(fēng)巷、沿煤層傾角布置,鉆孔開孔位置距煤層底板1.5 m,鉆孔間距5 m,孔徑?60 mm,孔深90 m,本煤層瓦斯抽采鉆孔布置如圖1所示。

圖1 15101綜放面本煤層瓦斯抽采鉆孔布置示意圖

3 本煤層瓦斯超前卸壓抽采的實測研究

3.1 實測方案

工作面開采過程中,106個本煤層鉆孔全部進(jìn)行抽采,在距切眼100 m范圍內(nèi)的20個鉆孔管路上各安裝1個孔板流量計,對單孔瓦斯抽采變化情況進(jìn)行監(jiān)測;在瓦斯抽采總管路上安裝1臺直讀式流量計,監(jiān)測本煤層瓦斯抽采總量變化情況。此外,每天在回風(fēng)巷和外錯尾巷出口處進(jìn)行風(fēng)量和風(fēng)排瓦斯?jié)舛鹊膶崪y,據(jù)此分析煤層風(fēng)排瓦斯量的變化,考察煤層鉆孔的預(yù)抽效果。

圖2 距工作面不同距離下7#鉆孔瓦斯抽采情況

3.2 數(shù)據(jù)分析

15101綜放面自2009年10月10日試采起至2009年12月3日觀測結(jié)束,工作面累計推進(jìn)124.05 m,其中7#和9#觀測鉆孔的抽采情況如圖2、圖3所示,15101綜放面超前支承壓力與本煤層鉆孔瓦斯抽采量之間的關(guān)系如圖4所示,煤層鉆孔瓦斯抽采量統(tǒng)計如表1所示。

由圖2～4和表1看出,工作面生產(chǎn)過程中的礦山壓力對提高本煤層鉆孔抽采效果起到很顯著的作用,通過觀測可以發(fā)現(xiàn)進(jìn)風(fēng)巷瓦斯抽采鉆孔抽采量變化情況大致可以分為如下4個時期。

(1)瓦斯抽采原始期。該階段內(nèi)煤體未受到工作面生產(chǎn)的影響,煤體的應(yīng)力場、孔隙度以及瓦斯的賦存狀態(tài)都未發(fā)生變化,鉆孔瓦斯抽采效果保持原始抽采狀態(tài)。其中單孔抽采量在0.002～0.190 m3/min之間,平均為0.032 m3/min。

(2)瓦斯抽采減弱期。煤體受到工作面開采的影響,工作面前方支承壓力開始增高并達(dá)到峰值,煤巖體孔隙受擠壓而封閉、收縮,使煤體透氣性降低,因而瓦斯流量和瓦斯抽采量相應(yīng)減少。其中單孔抽采量在0.001～0.284 m3/min之間,平均為0.029 m3/min,為原始抽采期的0.91倍。

表1 本煤層鉆孔瓦斯抽采量統(tǒng)計

(3)瓦斯抽采增長期。這一時期工作面超前支承壓力開始降低,煤巖層的應(yīng)力場和裂隙場發(fā)生改變,在煤體中形成了煤層采動裂隙,而且瓦斯壓力也有所減小,相應(yīng)吸附態(tài)瓦斯轉(zhuǎn)化為游離態(tài)瓦斯,從而使得鉆孔瓦斯抽采量逐漸增大。本階段鉆孔瓦斯抽采量保持上升趨勢,并達(dá)到最大值,其中單孔最大值在0.014～0.648 m3/min之間,平均為0.225 m3/min,為原始抽采期的7.03倍。

(4)瓦斯抽采衰減期。該階段內(nèi)煤體仍處于超前支承壓力的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi),但由于煤層內(nèi)的橫向采動裂隙與工作面連通,鉆孔抽采瓦斯的能力開始逐漸降低,瓦斯抽采量也開始下降,但仍高于原始抽采期瓦斯抽采量,平均為原始抽采期的6.19倍。

3.3 制定本煤層卸壓瓦斯抽采管理制度

由前面實測分析可知,處于瓦斯抽采增長期和瓦斯抽采衰減期內(nèi)(工作面前方20 m范圍)的本煤層鉆孔,受采動影響瓦斯抽采量有明顯提升,該范圍內(nèi)瓦斯抽采總量約占本煤層瓦斯抽采總量的43.23%～67.28%,平均為57.83%。因此,新大地煤礦15#煤層工作面前方20 m范圍是本煤層瓦斯抽采的最佳時期。但是,在實際生產(chǎn)過程中,這一區(qū)間又處于巷道超前支護(hù)的范圍,在超前支護(hù)和生產(chǎn)過程中,可能會出現(xiàn)由于操作不當(dāng)而使鉆孔及管路的密封性遭到破壞的現(xiàn)象,甚至還會出現(xiàn)提前拆除抽采管路的現(xiàn)象,這都會嚴(yán)重影響鉆孔的抽采效果。此外,進(jìn)、回風(fēng)側(cè)推進(jìn)速度差異較大而造成本煤層抽采鉆孔孔口側(cè)超前于終孔位置時,會造成孔口提前破壞而縮短鉆孔服務(wù)周期,從而減弱抽采效果。同時,由于本煤層抽采鉆孔和管路漏氣嚴(yán)重,導(dǎo)致同時抽采的鉆孔數(shù)目較少,瓦斯抽采量偏低。因此,為了保證開采過程中煤層卸壓瓦斯抽采鉆孔的抽采效果,應(yīng)當(dāng)制定嚴(yán)格的管理制度,對瓦斯抽采鉆孔管路的密封性、拆除位置和開孔位置等進(jìn)行規(guī)范,具體規(guī)定如下:

(1)必須保證瓦斯抽采鉆孔及管路具有良好的氣密性,封孔時必須保證封孔長度不得小于4 m,在鉆孔抽采期間需指派專人定時進(jìn)行檢查,一旦發(fā)現(xiàn)漏氣現(xiàn)象要立即采取封堵措施;

(2)瓦斯抽采鉆孔管路只能在距工作面3 m以內(nèi)的位置拆除,如遇特殊情況必須由相關(guān)負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)方可拆除;

(3)如工作面傾角較大,需要進(jìn)行偽斜開采時,則鉆孔開孔應(yīng)當(dāng)布置在工作面進(jìn)、回風(fēng)兩側(cè)中推進(jìn)滯后的一側(cè),即保證每個鉆孔從終孔位置開始逐步破壞。

4 結(jié)論

(1)受工作面超前支承壓力影響,本煤層瓦斯抽采鉆孔的抽采量隨工作面位置變化可劃分為4個時期:瓦斯抽采原始期、瓦斯抽采減弱期、瓦斯抽采增長期和瓦斯抽采衰減期。

(2)新大地煤礦15#煤層工作面前方20 m范圍(瓦斯抽采增長期和瓦斯抽采衰減期)是本煤層瓦斯抽采的最佳時期,瓦斯抽采總量平均為本煤層瓦斯抽采總量的57.83%。

(3)為保證本煤層瓦斯抽采效果,鉆孔封孔長度不得小于4 m,鉆孔管路只能在其距工作面3 m以內(nèi)的位置拆除,鉆孔孔口應(yīng)當(dāng)布置在工作面進(jìn)、回風(fēng)兩側(cè)中推進(jìn)滯后的一側(cè),保證鉆孔的氣密性和有效抽采時間。

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