鉆孔抽采及排放煤層瓦斯區(qū)域性防突效果研究?

丁 勇，王宏圖，2，舒 才，王會強(qiáng)

(1.重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室， 重慶 400044；2.重慶大學(xué)復(fù)雜煤氣層瓦斯抽采國家地方聯(lián)合工程實驗室， 重慶 400044)

鉆孔抽采及排放煤層瓦斯區(qū)域性防突效果研究?

丁 勇1，王宏圖1，2，舒 才1，王會強(qiáng)1

(1.重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室， 重慶 400044；2.重慶大學(xué)復(fù)雜煤氣層瓦斯抽采國家地方聯(lián)合工程實驗室， 重慶 400044)

為了研究興隆煤礦鉆孔抽采及排放煤層瓦斯區(qū)域性防突效果，現(xiàn)場測量和理論計算了論證區(qū)域煤層的殘存瓦斯含量和殘存瓦斯壓力。結(jié)果表明，現(xiàn)場測量與理論計算的殘余煤層瓦斯壓力與殘余瓦斯含量值較吻合，且均小于有關(guān)規(guī)定要求的值，因此論證區(qū)域煤層預(yù)抽瓦斯效果達(dá)標(biāo)，采取的鉆孔抽采及排放煤層瓦斯區(qū)域性防突措施可行

區(qū)域性防突；瓦斯含量；瓦斯壓力；防突效果

《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》[1]指出:有突出礦井的煤礦企業(yè)、突出礦井應(yīng)當(dāng)根據(jù)突出礦井的實際狀況和條件，制定區(qū)域綜合防突措施和局部綜合防突措施。未采取區(qū)域綜合防突措施并未達(dá)到指標(biāo)要求的嚴(yán)禁進(jìn)行采掘活動，做到“不掘突出頭，不采突出面”[2]。區(qū)域防突措施包括開采保護(hù)層和預(yù)抽煤層瓦斯2類[1]，當(dāng)不適合采用開采保護(hù)層的防突措施時，預(yù)抽煤層瓦斯是礦井區(qū)域性防突的重要發(fā)展方向，通過預(yù)抽煤層瓦斯可降低煤層瓦斯含量和壓力，使煤層透氣性增加、煤的堅固性增大，地應(yīng)力下降，從而消除煤層的突出危險性[3]。當(dāng)煤層煤體的透氣性較差時，首先要增大煤體的透氣性，再預(yù)抽煤層瓦斯。多年來，國內(nèi)外對增大煤層煤體的透氣性進(jìn)行了大量研究，如深孔預(yù)裂控制爆破[4]，水力割縫[5]，水力沖孔[6]，水力壓裂[7]。本文通過現(xiàn)場實測和理論計算煤層殘存瓦斯含量和殘存瓦斯壓力，對興隆煤礦1401上段－1工作面采取的鉆孔抽采及排放煤層瓦斯區(qū)域性防突措施效果進(jìn)行了論證。

1 論證區(qū)煤層概況

興隆煤礦為新建的煤與瓦斯突出礦井，4＃煤層為全區(qū)可采，6＃煤層為大部可采。4＃煤層平均厚度為2.84m，平均傾角為42°，原始瓦斯含量為18.205m3/t，最大原始瓦斯壓力為1.84 MPa，屬于較難抽采煤層。6＃煤層平均厚度為0.93m，平均傾角為42°，原始瓦斯含量為17.0098m3/t，原始煤層瓦斯壓力為1.5 MPa。興隆煤礦決定將6＃煤層作為保護(hù)層首先開采，4＃煤層作為被保護(hù)層。6＃煤層的1601 N工作面為保護(hù)層工作面，4＃煤層標(biāo)高為＋255～＋350m 的1401上段－1工作面設(shè)計為首采工作面。1601 N工作面的回采保護(hù)4＃煤層標(biāo)高為＋240～＋327m的范圍，走向從一區(qū)北石門以北520m的范圍。1401上段－1工作面上部為平壩煤礦采空區(qū)，平壩煤礦6＃煤層開采保護(hù)4＃煤層標(biāo)高為＋391m以上的范圍。因此，興隆煤礦保護(hù)層開采未保護(hù)區(qū)范圍為4＃煤層標(biāo)高＋327～＋391m區(qū)域，斜長為100m。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》[8]規(guī)定，相鄰礦井的分界處應(yīng)當(dāng)留防隔水煤(巖)柱。平壩煤礦4＃煤層最低開采標(biāo)高為＋400m水平，首采工作面1401上段1工作面風(fēng)巷設(shè)計為＋350m水平。因此，4＃煤層隔水煤柱實際留設(shè)是從＋350m到＋400m水平，斜長為76m。針對4＃煤層1401上段—1工作面的未保護(hù)區(qū)域，興隆煤礦采取穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯和順層鉆孔排放煤層瓦斯區(qū)域防突措施，并輔以水力壓裂和水力割縫增透技術(shù)措施。本文通過現(xiàn)場實測和理論計算4＃煤層1401上段—1工作面傾向＋327～＋370m標(biāo)高，斜長68m，走向范圍從距離一區(qū)中間石門40m起向北160m的范圍煤層的殘存瓦斯含量和殘存瓦斯壓力對興隆煤礦1401上段－1工作面采取的鉆孔抽采及排放煤層瓦斯區(qū)域性防突措施效果進(jìn)行了論證。

2 論證區(qū)瓦斯抽采達(dá)標(biāo)采用的防突措施

2.1 穿層預(yù)抽煤層瓦斯

在＋300m標(biāo)高1401回風(fēng)平巷布置80個穿層預(yù)抽煤層瓦斯鉆孔，鉆孔平均間距20m，其中論證區(qū)域內(nèi)共有穿層預(yù)抽鉆孔24個，鉆孔貫穿煤層全厚，并進(jìn)入頂(底)板0.5m。穿層預(yù)抽鉆孔控制4＃煤層的范圍為標(biāo)高＋327～＋370m，傾向方向長度為68m，覆蓋全部論證區(qū)域范圍。

2.2 順層鉆孔排放煤層瓦斯

鉆場布置在1401上段－1工作面＋310m腰巷，順層鉆孔垂直于煤層走向沿4＃煤層向上仰角布置，孔徑90mm，孔深30～90m，鉆孔平均間距0.75m，鉆孔數(shù)298個，煤孔總長17032m。順層孔在走向從距離1區(qū)中間石門40m起向北160m的范圍，覆蓋全部論證區(qū)域范圍。

2.3 水力割縫措施

興隆煤礦在標(biāo)高＋350m補(bǔ)掘了＋350m底板抽放巷道，在巷道內(nèi)布置鉆場向4＃煤層＋350～＋370m標(biāo)高范圍內(nèi)采取水力割縫增透措施，來提高煤層的透氣性。水力割縫鉆孔間距8m，在傾向＋350～＋370m、走向160m范圍內(nèi)共布置77個水力割縫鉆孔，平均每個鉆孔割縫出來的煤量為1 t。水力割縫措施完成后，對水力割縫鉆孔進(jìn)行封孔操作繼續(xù)抽采煤層瓦斯。

3 論證區(qū)瓦斯抽采防突效果驗證指標(biāo)的現(xiàn)場突側(cè)

在＋300m水平三區(qū)補(bǔ)套回風(fēng)平巷內(nèi)的鉆場內(nèi)，沿4＃煤層走向每隔30～45m布置一個測壓考察點，共布置J1－J8八個測壓鉆孔，考慮到未保護(hù)區(qū)傾向上的差異，測壓考察點在＋327～＋370m標(biāo)高范圍內(nèi)均勻布置，沿傾斜方向平均間距為25m。測壓考察點總體上呈“M”型分布。

選用被動測壓法測定瓦斯壓力，采用馬麗散化學(xué)藥劑和水泥石膏漿機(jī)械封孔相結(jié)合的方法封孔。

經(jīng)過整理測量鉆孔資料得到1401上段－1工作面J1～J8殘余瓦斯壓力值見表1。

由表1數(shù)據(jù)可知，殘余瓦斯壓力都小于0.74 MPa，目前抽采已經(jīng)達(dá)標(biāo)。

測定1401上段—1工作面殘余瓦斯含量，在＋300m水平三區(qū)補(bǔ)套回風(fēng)平巷內(nèi)的鉆場內(nèi)布置穿層鉆孔取煤樣，采用DGC法直接測定殘余瓦斯含量。殘余瓦斯含量取樣鉆孔共8個。

經(jīng)過整理測量鉆孔資料得到殘余瓦斯含量測定結(jié)果，見表2。

由表2可知，在論證區(qū)域現(xiàn)場取樣實測得到的殘余瓦斯含量平均為4.38m3/t，最大值為5.205m3/t，都小于8m3/t，目前抽采已經(jīng)達(dá)標(biāo)。

表1 1401上段－1工作面J1～J8殘余瓦斯壓力值

表2 殘余瓦斯含量測定結(jié)果

4 論證區(qū)瓦斯抽采防突效果驗證指標(biāo)的理論計算

4.1 殘余瓦斯流量的理論計算

按抽采半徑6m進(jìn)行計算，則穿層鉆孔預(yù)抽實際控制為傾斜長度80m、走向長度210m的范圍，由此計算控制區(qū)域的真斜面積S為16800m3，取煤層厚度h＝2.2m，容重γ＝1.5 t/m3，計算得到煤量W煤為55440 t。根據(jù)實測的瓦斯含量的數(shù)據(jù)，1401上段－1工作面內(nèi)瓦斯含量最大值W為18.205m3/t，則瓦斯儲量V總為1009285m3，當(dāng)殘余瓦斯含量降到臨界值W臨＝8m3/t時，需要抽采的噸煤瓦斯含量W抽為10.205m3/t，因此達(dá)標(biāo)時論證區(qū)域累計瓦斯抽采總量為565765.2m3。

4.1.1 論證區(qū)域穿層鉆孔瓦斯抽采量(輔以力壓裂增透)

由瓦斯計量裝置對穿層鉆孔抽采量跟蹤數(shù)據(jù)可知，瓦斯抽采總量為445799m3。鄰近層的瓦斯涌入量按總量的5%計算，穿層鉆孔控制區(qū)域?qū)嶋H瓦斯抽采量為445799×0.95＝423509(m3)。則論證區(qū)域噸煤抽采量為7.64m3/t，穿層鉆孔預(yù)抽瓦斯區(qū)域防突措施后，煤層的瓦斯含量降到10.57m3/t。

4.1.2 論證區(qū)域順層鉆孔排放瓦斯量

方法一:根據(jù)＋310m 1401 N風(fēng)巷鉆孔施工前后瓦斯?jié)舛炔罴巴L(fēng)風(fēng)量計算。通過測定順層鉆孔布置段巷道＋310m 1401 N風(fēng)巷在順層排放鉆孔施工前后的瓦斯?jié)舛炔顏泶_定順層鉆孔自然排放的瓦斯量。順層排放鉆孔施鉆巷道＋310m1401 N風(fēng)巷聯(lián)絡(luò)回風(fēng)瓦斯?jié)舛乳_始平均為0.15%，之后平均瓦斯?jié)舛葹?.45%，順層排放鉆孔施工前后瓦斯?jié)舛认嗖罴s0.3%；＋310m1401 N風(fēng)巷期間平均風(fēng)量500m3/min，考慮瓦斯有效的排放時間為3個月，計算得到順層排放鉆孔的風(fēng)排瓦斯量為194400m3。

方法二:根據(jù)實測的鉆孔單位長度瓦斯涌出量衰減曲線計算。

圖1 C2鉆孔瓦斯流量隨時間的衰減

在1402S工作面標(biāo)高＋321m(C2鉆孔)及標(biāo)高＋329m(C3鉆孔)測定了煤層鉆孔瓦斯涌出量變化規(guī)律，獲得了鉆孔瓦斯涌出量(排放量)隨時間的衰減的變化曲線，如圖1所示。借助此曲線的變化規(guī)律來估算順層鉆孔瓦斯的排放量。

從圖1可以看出，C2鉆孔瓦斯流量衰減規(guī)律近似服從線性關(guān)系，其方程為:

式中:y——鉆孔瓦斯流量，m3/d；

x——鉆孔排放時間，d。

C2鉆孔瓦斯流量近乎呈線性遞減趨勢，一段時間后，鉆孔幾乎沒有瓦斯涌出，鉆孔能有效排放瓦斯的時間為21 d。C2鉆孔煤孔長6.5m。根據(jù)線性回歸曲線可知，鉆孔施工完畢時瓦斯涌出量為3.36m3/d，根據(jù)線性遞減的規(guī)律，21 d內(nèi)C2鉆孔能排除的瓦斯量為:0.5×3.36×21＝35.28m3，則每米鉆孔在21 d內(nèi)能排放的瓦斯量為5.43m3/m。

C3鉆孔瓦斯流量隨時間的衰減情況如圖2所示。

圖2 C3鉆孔瓦斯流量隨時間的衰減

C3鉆孔瓦斯流量衰減規(guī)律近似服從冪函數(shù)關(guān)系，C3鉆孔煤孔長度6.8m，其鉆孔流量的衰減規(guī)律為:

式中:Y——鉆孔日排放量，m3/d；

X——排放時間，d。

若考慮鉆孔有效排放時間為90 d，則C3鉆孔排放的瓦斯量為:

則每米鉆孔從施工完畢起到90 d內(nèi)的排放量為18.076m3/m。

取鉆孔C3和C3每米排放量的平均值，則每米鉆孔排放量平均為(18.076＋5.43)/2＝11.75m3/m。順層排放鉆孔共施煤孔17032m，則順層鉆孔排放的總瓦斯量為17032m×11.75m3/m＝200200m3。

為安全起見，取上述2種方法的最小值194400m3作為順層鉆孔瓦斯的排放量，鄰近層的瓦斯涌入量按總量的5%計算，順層鉆孔實際瓦斯排放總量為184680m3，噸煤排放量為4.37m3/t。采取順層鉆孔排放瓦斯防突措施采取后，順層排放鉆孔控制區(qū)域的殘余瓦斯含量6.19m3/t，即論證區(qū)域未進(jìn)行水力割縫區(qū)的殘余瓦斯含量6.19m3/t。

水力割縫鉆孔間距為8m，在傾向＋350～＋370m、走向160m范圍內(nèi)共布置77個水力割縫鉆孔，施工完畢后進(jìn)行抽采。水力割縫鉆孔控制傾斜長度為30m、走向長度為160m，則水力割縫鉆孔控制區(qū)域面積為4800m3。水力割縫鉆孔總抽采量為70215m3，按臨近層涌出系數(shù)5%，計算出水力割縫區(qū)域?qū)嶋H抽采量為66704.25m3，水力割縫區(qū)噸煤瓦斯抽采量4.21/m3/t，水力割縫區(qū)域殘余瓦斯含量為1.98m3/t。

綜上所述，4＃煤層水力壓裂穿層抽采瓦斯總量為423509m3，順層排放鉆孔排放瓦斯量為184680m3，水力割縫抽采瓦斯為66704.25m3。由于水力割縫措施僅在＋350～＋370m標(biāo)高內(nèi)進(jìn)行，因此水力割縫區(qū)域與非水力割縫區(qū)域殘余瓦斯含量理論計算值不同，從以上計算可知，在論證區(qū)域的非水力割縫區(qū)的殘余瓦斯含量為6.19m3/t，水力割縫區(qū)的殘余瓦斯含量為1.98m3/t。

4.2 殘余瓦斯壓力的理論計算

煤層壓力與瓦斯含量之間的關(guān)系式[9]:

式中，p為瓦斯壓力，MPa；a(m3/t)和b(1/MPa)為Langmuir吸附常數(shù)；f(t)、f(M)、f(v)分別為溫度、水分和灰分的修正系數(shù)；n為煤層孔隙率；B為單位換算系數(shù)。

式中:M——煤層水分；

A——煤層灰分；

t0——實驗溫度，K；

t——煤體溫度，K；

根據(jù)實驗室測定的4＃煤層吸附解吸常數(shù)，4＃煤層極限吸附量為35.7271m3/t，吸附壓力系數(shù)為1.0630(1/MPa)，水分2.29，灰分為30.15，煤體溫度為23℃，實驗測試溫度25℃，孔隙率為0.0529。取理論計算和現(xiàn)場實測得到的論證區(qū)域的殘余瓦斯含量6.19m3/t代入上式，可計算得到當(dāng)殘余瓦斯含量為1.98m3/t時，反算得到的殘余瓦斯壓力為0.14 MPa。當(dāng)瓦斯含量為6.19m3/t時，殘余瓦斯壓力為0.61 MPa。

5 結(jié) 論

(1)4＃煤層論證區(qū)域現(xiàn)場測定的殘余瓦斯壓力最大值0.45 MPa，小于0.74 MPa；殘余瓦斯含量最大值0.61m3/t，小于8m3/t。

(2)4＃煤層論證區(qū)域理論計算的非水力割縫區(qū)的殘余瓦斯含量為6.19m3/t，水力割縫區(qū)的殘余瓦斯含量為1.98m3/t，均小于8m3/t，理論計算的殘余瓦斯壓力最大值0.45 MPa，小于0.74 MPa。

(3)根據(jù)現(xiàn)場測定與理論計算分析，1401N上段—1＃工作面內(nèi)煤層殘余瓦斯壓力小于0.74 MPa且殘余瓦斯含量小于8m3/t，因此區(qū)域防突效果是有效的。采用的水力壓力，結(jié)合穿層預(yù)抽、順層排放、以及水力割縫的綜合防突措施治理煤與瓦斯突出是可行的。

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2015-06-16)

丁 勇(1990－)，男，湖南常德人，采礦工程碩士研究生，主要從事礦井災(zāi)害控制技術(shù)方面的研究，Email: 1145733969＠qq.com。

國家自然科學(xué)創(chuàng)新群體基金項目(50921063)；重慶市科委自然科學(xué)基金計劃資助項目(cstc 2012 jjB 0022).