潘三礦下保護層開采條件下地面鉆孔瓦斯抽采技術(shù)及效果

陸占金，石必明，穆朝民，陳 思

(安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽淮南232001)

地面鉆孔抽采瓦斯是一項煤與瓦斯共采的綠色開采技術(shù)。在我國，地面鉆孔的應(yīng)用最早是1956年陽泉礦務(wù)局四礦，瓦斯抽采量達4.86～7.65m3/min;1979年，包頭五當溝實施了5口地面鉆孔抽放鄰近層瓦斯，成功3口，單井最大抽放量7.14×105m3;鐵法礦區(qū)自2001－2006年，均進行了地面井抽采實驗，抽采效果較好;淮南礦區(qū)自2001年至今，共施工地面井40口以上，井深在600～950m之間，成功率在60%左右。由于各礦地質(zhì)及工程等條件的差異，使得地面鉆井抽采效果差異較大。我國煤炭滲透率普遍較低，采用地面鉆孔對煤層預(yù)抽瓦斯時，為提高瓦斯抽采效果，必須先對煤層進行卸壓，提高煤層透氣性。

保護層開采作為區(qū)域性防突措施普遍應(yīng)用于我國各個礦區(qū)。利用保護層開采的卸壓增透和卸壓增流作用，使被保護煤層透氣性增大，配以地面鉆孔抽采瓦斯，取得了良好的效益。研究表明，地面鉆孔抽采卸壓瓦斯具有施工不受井下巷道工程條件的限制、抽采范圍大、抽采期長、抽采效果好等優(yōu)點。潘三礦通過開采11－2煤作為保護層，并利用地面鉆孔抽采被保護層13－1煤瓦斯，取得了良好的效果。本文著重考察保護層開采對地面鉆孔抽采瓦斯效果的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)為潘三礦西二采區(qū)1492(1)采面及其保護上方的13－1煤。13－1煤屬穩(wěn)定煤層，厚度0.58～7.53m，平均 3.94m，最大瓦斯壓力為4.1MPa，瓦斯含量6～15m3/t，平均瓦斯含量約為10.0m3/t，煤層透氣性系數(shù)約為 1.2×10－3m2/(MPa2·d)。11－2煤的1492(1)工作面作為下保護層試驗工作面，標高在－790.1～－838.0 m之間，工作面走向長1471m，傾斜長226m，煤層平均厚度1.9m，平均傾角為8°。11－2煤與13－1煤間距為70m。

1.2 地面鉆孔布置

保證地面抽采鉆井抽采半徑相交點要大于13－1煤層上下被保護線以外，以保證回采面都在被保護范圍內(nèi)。潘三礦1492(1)工作面預(yù)抽對應(yīng)被保護層1472(3)工作面的卸壓瓦斯，從切眼開始向東60m范圍采用地面鉆孔抽采，設(shè)計共布置6口地面鉆孔，平均每口鉆井相距230m，其中1號孔位于開切眼以東60m;2號孔與1號孔間距為230m，在傾斜方向每個孔都位于1472(3)工作面水平投影的中上部。

在傾斜方向上，抽采鉆孔位于1472(3)工作面的中上部，考慮到地面鉆孔可能穿過高抽巷，因此距高抽巷向下偏20m，見圖1。根據(jù)緩傾斜陷落法頂板巖移的規(guī)律，在充分開采的條件下，采煤面的中部地表下沉量最大，其活躍期為2～3個月，以后頂板逐漸壓實，但最終不能恢復(fù)到原狀。潘三礦基巖中部最大下沉系數(shù)為0.7～0.8，即采高1m，上覆巖層留有0.3～0.2m的空間未壓實。這就是說工作面中部上覆煤巖層的膨脹和煤層滲透率最大，因此，鉆孔布置在中上部，是煤層卸壓瓦斯流動最佳時間內(nèi)的最佳范圍。

圖1 地面鉆孔抽采布置

1.3 地面鉆井結(jié)構(gòu)

地面鉆井結(jié)構(gòu)一般分為3段:第1段為表土段，鉆井穿過表土進入堅硬基巖，下套管，進行表土段固井;第2段為基巖段，鉆井鉆進至目標層(卸壓瓦斯抽采煤層或煤層群)頂板20～40m，下套管，進行基巖段固井 (套管長度為第1段與第2段之和、固井至地面);第3段為目標段，鉆井鉆進至保護層頂板 5～10m(取決于保護層開采厚度)，下篩管，不固井。施工過程中需進行以下幾個環(huán)節(jié):測井、井徑檢查、井斜、固井、洗井、完井，以保證地面鉆井的施工質(zhì)量。地面鉆井的表土段孔口直徑不小于311mm，水泥固井后表土段有效抽采直徑不小于177.8mm，基巖段鉆井的抽采直徑略小于表土段。地面鉆井示意如圖2。

圖2 地面鉆孔結(jié)構(gòu)示意

2 地面鉆孔抽采卸壓瓦斯效果考察

2.1 殘余瓦斯壓力與瓦斯含量考察

2011年8月20日起，現(xiàn)場施工順層鉆孔考察13－1煤在地面抽采瓦斯后的瓦斯壓力，考察孔的布置如圖3所示。

圖3 考察孔布置

依據(jù)1號～4號地面抽采鉆孔順層瓦斯壓力考察孔測定的瓦斯壓力數(shù)據(jù)，結(jié)合考察孔和地面鉆孔的位置關(guān)系圖，分別分析1號和4號地面抽采鉆孔抽采瓦斯后13－1煤的殘余瓦斯壓力和瓦斯含量。以此為基礎(chǔ)，考察和分析地面鉆孔瓦斯抽采效果。

2.1.1 1號地面抽采鉆孔抽采瓦斯效果

1號地面抽采鉆孔從2009年8月7日起開始抽采瓦斯，到2011年4月17日累計共抽采瓦斯3201127m3，每月平均日抽采量達到6063m3。地面抽采鉆孔日均瓦斯抽采量如圖4所示，其中2010年2月、3月和2010年8月，1號鉆孔停抽瓦斯。

圖4 1號地面抽采鉆孔日均瓦斯抽采量

從圖4中可看出，抽采之初日均瓦斯抽采量很高，在2009年9月達到最高22476m3，之后日抽采量迅速波動下降，說明在抽采之初，煤層積聚了大量的瓦斯，瓦斯抽采量快速上升。待大量瓦斯抽出之后，瓦斯的抽采量逐漸趨于穩(wěn)定。

在2011年9月，通過順層考察鉆孔考察13－1煤的殘余瓦斯含量和瓦斯壓力，1號地面抽采鉆孔考察孔的瓦斯壓力和含量見表1。

表1 1號地面抽采鉆孔考察孔瓦斯壓力和瓦斯含量

由表1可知，在地面抽采鉆孔抽采瓦斯之后，煤層的瓦斯壓力和殘余瓦斯含量都隨著與抽采鉆孔距離的增大而增大，且煤層的瓦斯壓力和殘余的瓦斯含量都明顯低于《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中突出指標的預(yù)測數(shù)值，防突效果明顯。其中8號考察孔距抽采鉆孔111m，從抽采地面鉆孔周圍瓦斯梯度可以推算出防突半徑可以達到200m。

2.1.2 4號地面抽采鉆孔抽采瓦斯效果

4號地面抽采鉆孔從2010年4月30日起開始抽采瓦斯，到2011年4月17日累計共抽采瓦斯2274486m3，每月平均日抽采量達到6462m3。地面抽采鉆孔日均瓦斯抽采量見圖5。

圖5 4號地面抽采鉆孔日均瓦斯抽采量

從圖5中可以看出，在4號地面抽采鉆孔抽采伊始，每月日均瓦斯抽采量迅速升高，并在2010年5月達到峰值10566m3，而后日瓦斯抽采量穩(wěn)定在7000m3左右。但在2010年11月瓦斯抽采量達到最大，即12842m3。對比1號地面抽采鉆孔抽采瓦斯數(shù)據(jù)的變化趨勢可知，2010年11月1號抽采鉆孔的瓦斯抽采量也明顯升高。因此，4號抽采鉆孔瓦斯的突然升高，與11－2煤保護層開采有關(guān)。此后，4號抽采鉆孔的瓦斯抽采量趨于穩(wěn)定，基本保持在日抽采瓦斯4000m3。

在2011年9月，通過順層考察鉆孔考察13－1煤的殘余瓦斯含量和瓦斯壓力，4號抽采鉆孔考察孔瓦斯壓力與含量見表2。

表2 4號抽采鉆孔考察孔瓦斯壓力和瓦斯含量

由表2可知，在地面抽采鉆孔抽采瓦斯之后，煤層的瓦斯壓力和殘余瓦斯含量都隨著與抽采鉆孔距離的增大而增大，且煤層的瓦斯壓力和殘余的瓦斯含量都明顯低于《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中突出指標的預(yù)測數(shù)值，防突效果明顯。其中6號考察孔距抽采鉆孔131m，從抽采鉆孔周圍瓦斯梯度可以推算出防突半徑可以達到200m。

2.2 瓦斯抽采率

以1號～6號地面鉆孔抽采瓦斯總量與1472(3)工作面原始瓦斯賦存總量的比值為基礎(chǔ)，計算地面瓦斯抽采鉆孔瓦斯抽采率。1號～6號孔抽采總量為8105335m3，1472(3)工作面瓦斯總量為14990195m3，平均抽采率為54.1%。地面瓦斯抽采鉆井均滿足《煤礦安全規(guī)程》中“煤層瓦斯預(yù)抽率遠大于30%”的要求，瓦斯抽采效果明顯。

3 總結(jié)

通過潘三礦下保護層開采結(jié)合地面鉆孔抽采卸壓瓦斯的技術(shù)研究及現(xiàn)場實測得出，抽采量和抽采率與抽采時間是正相關(guān)的。1號～6號地面鉆孔抽采總量達到8105335m3，抽采率為54.1%。瓦斯抽采后煤層中殘余瓦斯壓力為0.21MPa，殘余瓦斯含量為2.07m3/t，均低于《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中規(guī)定的臨界值，取得了較好的防突效果。由此可見，保護層開采對于地面鉆孔抽采被保護層卸壓瓦斯具有十分重要的作用。

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