極薄煤層瓦斯基本參數測定實踐

劉益文 劉生龍 王 琴

(1.四川省安全監(jiān)管局 (四川煤監(jiān)局)安全技術中心,四川 610045;2.中油遼河工程有限公司,遼寧 124010)

1 礦井概況

四川汪洋能源股份有限公司 (以下簡稱汪洋煤礦),位于四川省眉山市仁壽縣汪洋鎮(zhèn),礦井始建于1983年,建成投產于1987年。設計生產能力為90kt/a,經技術改造后,2006年礦井核定生產能力為390kt/a。礦井開采須家河組高炭煤層 (K7煤層),煤層傾角2°～5°,煤層平均厚度0.55m,屬近水平極薄煤層。礦井瓦斯等級鑒定結果為高瓦斯礦井,其中：2006年度礦井絕對瓦斯涌出量為14.36m3/min,相對瓦斯涌出量為19.49m3/t;2007年度礦井絕對瓦斯涌出量為17.6m3/min,相對瓦斯涌出量為23.5m3/t。礦井在開采過程中,采煤工作面瓦斯經常超限,而通風無法有效解決。礦井曾于2006年6月8日2213采煤工作面放炮引起瓦斯燃燒事故,煤礦急需進行瓦斯抽采來治理瓦斯災害。為此,筆者與煤礦工程技術人員一起于2007年3月下旬～6月底對汪洋煤礦開采煤層進行了瓦斯基礎參數測定,為汪洋煤礦瓦斯抽采設計提供了科學依據。2007年下半年礦井建成地面瓦斯抽采系統(tǒng),以煤層基礎瓦斯參數為依據,采取合理的瓦斯抽采方法,解決了礦井瓦斯超限的難題,大大提高了礦井安全保障度和生產效率。目前已建三臺500kW的瓦斯發(fā)電機組進行發(fā)電,實現了對瓦斯的綜合利用。

2 煤層瓦斯參數測定

2.1 巷道與考察鉆孔布置

首先選擇周圍50m范圍內煤層原巖應力未受破壞的區(qū)域進行煤層瓦斯基本參數測定。根據汪洋煤礦井下巷道布置情況,在沿煤層布置的23回風巷中,沿煤層走向以30°傾角向下作40m斜巷,落平后沿煤層走向再掘進30m,即形成煤層瓦斯參數考察巷道。設計考察巷水平段每隔15m布置一組鉆孔 (每組為三個孔),鉆孔終孔點在穿過煤層頂板上方0.5m處,終孔間距20m。如圖1所示。

2.2 鉆孔施工

圖1 考察巷道鉆孔布置示意圖

礦井使用ZK-75型鉆機施工鉆孔。礦井第一次施工此類鉆孔,因巖石較硬,鉆頭磨損量大、備用鉆頭不足,礦井只施工了3#-1、3#-3、3#-2、2#-3和2#-2五個孔,現統(tǒng)一編為1#、2#、3#、4#、5#鉆孔。

2.3 測壓孔安裝與封孔

測壓孔見煤層頂板0.5m處即停止施工,用水清洗鉆孔后,將測壓管和注漿管放入開孔段,用水泥和粘土的混合物作填料,搗固后,加木楔固定測壓管及注漿管。24小時后再用注漿泵注入425號水泥、水、石膏配制的漿液,封孔長度15m。注漿24小時后,安裝壓力表和灌注高壓氮氣,測定鉆孔瓦斯壓力。

2.4 卸表和測流量

瓦斯壓力測定結束后卸壓力表時,特別注意了緩慢卸壓、作業(yè)場所堅持瓦斯檢測、觀測人員不能正對測壓管等安全問題。

壓力表卸下后,待鉆孔瓦斯流動正常時即進行初始瓦斯流量測定,以后每天定時測定鉆孔瓦斯流量,以便計算透氣性系數和鉆孔瓦斯流量衰減系數。

2.5 煤樣等溫吸附實驗和工業(yè)分析

取煤樣送有資質的單位做等溫吸附實驗,得到煤樣吸附瓦斯試驗與工業(yè)分析結果如表1。

表1 煤樣吸附瓦斯試驗與工業(yè)分析結果

3 測定結果與分析

3.1 瓦斯壓力測定結果

施工的5個鉆孔,1#鉆孔作廢。其余4個鉆孔煤層瓦斯壓力變化關系見圖2。當測壓孔瓦斯壓力表讀數穩(wěn)定不再變化后,卸下壓力表,用水桶量測孔內積水量來分析孔內積水對瓦斯壓力測定的影響程度。壓力測試結果見表2。

圖2 測壓鉆孔測定煤層瓦斯壓力變化圖

表2 鉆孔瓦斯壓力測定結果

3.2 瓦斯含量及含量系數計算

3.2.1 瓦斯含量計算

(1)絕對瓦斯壓力

以4#孔為例計算絕對瓦斯壓力P,則有P=P相對+0.1=2.25+0.1=2.35MPa

(2)計算煤層瓦斯含量

按4#孔的瓦斯壓力計算煤層瓦斯含量X

式中：X——煤層瓦斯含量,m3/t;

ρ——煤的視密度;

其余字母含義見表1。

故有：

即煤層的吸附瓦斯量為5.60m3/t,游離瓦斯量Xy為 0.415m3/t,游離瓦斯量占煤層瓦斯含量6.9%。說明游離瓦斯含量比例低。

3.2.2 瓦斯含量系數

4個測壓孔的計算結果見表3。

表3 四個測壓孔的計算結果

用汪洋煤礦瓦斯等級鑒定結果比較：用2006年度瓦斯等級鑒定結果計算,相對瓦斯涌出量為瓦斯含量的3.24倍,用2007年度瓦斯等級鑒定結果計算,相對瓦斯涌出量為瓦斯含量的3.9倍。2007年2月井下實際測定,相對瓦斯涌出量為瓦斯含量的3.5～4.0倍,可見礦井瓦斯來源不僅僅是本煤層瓦斯涌出,采煤工作面采空區(qū)瓦斯涌出量較大導致隅角瓦斯經常超限,瓦斯主要來源于上下鄰近層卸壓瓦斯。

3.3 透氣性系數

煤層瓦斯的透氣性系數λ,表示煤層內瓦斯流動的難易程度,該礦煤層透氣性系數測定使用直接測定法。鉆孔瓦斯流量測定結果見圖3。

圖3 測壓鉆孔瓦斯流量變化圖

結合圖2和圖3可知,4#鉆孔在四個鉆孔中最具有代表性,經計算得到4#鉆孔煤層透氣性系數λ為 0.002864～0.0819537m2/(MPa2·d), 平均值為0.02960m2/(MPa2·d)。

3.4 鉆孔瓦斯流量衰減系數

鉆孔瓦斯流量衰減系數計算公式如下：

式中 qt——百米煤孔經t日排放的瓦斯流量,m3/(min·100m);

q0——百米煤孔成孔初始時的瓦斯流量,m3/(min·100m);

β——鉆孔瓦斯流量衰減系數,d-1;

t——鉆孔涌出瓦斯經歷時間,d。

以最具有代表性4#鉆孔進行計算,第1天測定為 0.176m3/336min,第 3天測定為 0.004m3/140min,均是0.8m煤孔 (K7煤層底板0.94m以內有三層不可采煤線共計約0.25m),換算為100m煤孔,則應乘以 125,故數據分別為 0.065和0.0036m3/(min·100m)。代入上式有

3.5 煤層預抽瓦斯難易程度

以最具有代表性4#鉆孔進行計算,得到4#鉆孔的煤層透氣性系數為0.002864～0.0819537m2/(MPa2·d) ＜0.1m2/(MPa2·d); 鉆孔瓦斯衰減系數β為0.964d-1＞0.05d-1,礦井開采的 K7煤層屬于較難抽放煤層。

通過對汪洋煤礦開采的K7極薄煤層瓦斯基本參數的測定,可知K7煤層屬于較難抽放煤層,且煤層瓦斯含量低,若建立瓦斯抽采系統(tǒng)后,采用本煤層預抽瓦斯效果將不理想,礦井瓦斯來源主要為上下鄰近層卸壓瓦斯的涌出,抽采方法主要應以卸壓瓦斯抽采和采空區(qū)瓦斯抽采為主。礦井建立瓦斯抽采系統(tǒng)后的實踐證明,主要采用穿層鉆孔 (高位頂板鉆孔或底板下向鉆孔)抽采鄰近層的卸壓瓦斯,礦井瓦斯抽采純量達8～10m3/min,瓦斯抽采率和抽采濃度均達30%以上,單孔抽采瓦斯量可達到440L/min,礦井瓦斯抽采效果良好。

4 結論

(1)礦井巷道沿煤層布置時,從現有煤層巷道向煤層底板施工專用瓦斯考察巷道并布置考察鉆孔進行瓦斯參數測定是行之有效的,且施工考察鉆孔時、排碴、注漿和封孔均較方便。

(2)采用灌注高壓氮氣主動式測壓法,能在較短的時間內 (10～15天)測定出煤層瓦斯壓力,大大提高了瓦斯壓力測定效率。

(3)提高測壓孔的封孔工藝技術、保證連接接頭的密封質量、壓力表連接操作的穩(wěn)定性、壓力測定結束后壓力表的安全撤卸等,是保證瓦斯測壓成功的關鍵。

(4)測定瓦斯壓力,在煤層底板巷布置鉆場,施工穿層鉆孔以穿過原始煤體為宜,注漿泵封孔長度應有足夠的封孔長度,一般應不小于15m。

(5)利用測得開采煤層的瓦斯壓力和煤層瓦斯含量、透氣性系數、鉆孔瓦斯流量衰減系數等基本參數,可以分析礦井瓦斯來源,并為礦井建立地面永久瓦斯抽放系統(tǒng)后抽采方法的選擇提供科學依據。

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