常村煤礦瓦斯抽放鉆孔合理封孔位置研究

延 安

(山西潞安礦業(yè)集團(tuán)公司 常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046000)

·試驗(yàn)研究·

常村煤礦瓦斯抽放鉆孔合理封孔位置研究

延 安

(山西潞安礦業(yè)集團(tuán)公司 常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046000)

通過(guò)對(duì)常村煤礦3號(hào)煤層石門揭煤前瓦斯壓力的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定和實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，結(jié)果表明，3號(hào)煤層具有一般突出危險(xiǎn)性。3號(hào)煤層埋藏較深，有可能存在局部瓦斯積聚的可能性，在巷道內(nèi)通過(guò)穩(wěn)流法測(cè)定了合理的抽放鉆孔封孔長(zhǎng)度為11 m，現(xiàn)場(chǎng)不同位置抽放瓦斯結(jié)果表明，合理的封孔位置能夠有效地提高瓦斯抽放濃度，降低煤層固有的瓦斯壓力，進(jìn)而消除瓦斯壓力過(guò)大導(dǎo)致的復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害顯現(xiàn)。

瓦斯壓力；封孔位置；穩(wěn)流法；鉆孔

煤與瓦斯突出是指在高應(yīng)力和瓦斯壓力的共同作用下，煤與瓦斯在很短時(shí)間內(nèi)突然連續(xù)地自煤壁拋向巷道空間所引起的動(dòng)力現(xiàn)象。沖擊地壓是指高應(yīng)力狀態(tài)下煤巖體中的能量突然釋放，產(chǎn)生的動(dòng)力將煤巖拋向巷道空間，并伴隨有強(qiáng)烈聲響的動(dòng)力現(xiàn)象。由于兩種動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生條件差異較大，且在淺部礦井中兩種動(dòng)力災(zāi)害一般不會(huì)重疊發(fā)生，以往對(duì)兩種災(zāi)害機(jī)理和防治方面的科學(xué)研究基本是平行開(kāi)展的，少有交叉。近年來(lái)，埋深小于600 m的煤炭資源逐漸枯竭，開(kāi)采深度以每年20 m的速度向深部發(fā)展，因此，開(kāi)展深部具有沖擊、突出復(fù)合型動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)煤層的誘發(fā)機(jī)制及防治研究，對(duì)深部煤炭資源安全高效開(kāi)采具有重要意義。

1 地質(zhì)概況

常村礦有可采煤層3號(hào)煤層，屬穩(wěn)定煤層，全區(qū)可采。3號(hào)煤層結(jié)構(gòu)單一，煤厚較為穩(wěn)定，平均煤厚6.48 m，平均傾角3°，容重1.40 t/m3，堅(jiān)固性系數(shù)為0.9～1.3，綜放開(kāi)采。礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為10.5 m3/min，屬瓦斯礦井。3號(hào)煤層標(biāo)高+546～+590 m，地表標(biāo)高+940～+998 m，平均開(kāi)采深度達(dá)430 m，屬于中深部開(kāi)采。

2 瓦斯壓力測(cè)定

對(duì)于3號(hào)煤層開(kāi)采，在石門揭煤之前對(duì)煤層瓦斯壓力進(jìn)行了測(cè)定。通過(guò)在井底聯(lián)絡(luò)巷道內(nèi)布置4個(gè)上行穿層鉆孔，對(duì)3號(hào)煤層的瓦斯壓力進(jìn)行精確的測(cè)量。1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)鉆孔具體布置情況見(jiàn)圖1.

封孔質(zhì)量是確保鉆孔準(zhǔn)確測(cè)定煤層瓦斯壓力的重要因素。為了提高封孔質(zhì)量，本次3號(hào)煤層瓦斯壓力測(cè)定采用注漿泵進(jìn)行注漿封孔。本次測(cè)壓鉆孔注漿封孔長(zhǎng)度嚴(yán)格按有關(guān)規(guī)定，避開(kāi)了煤層采動(dòng)影響范圍。測(cè)壓管為d15 mm的鐵管連接而成，前端的第一根鐵管為篩孔管，將測(cè)壓管安裝在鉆孔中預(yù)定的封孔深度，孔口用馬麗散堵住并固定測(cè)壓管，安裝好注漿管。為防止水泥漿凝固后因收縮產(chǎn)生裂隙，根據(jù)封孔深度，在水泥漿中加入一定比例的膨脹劑，再按一定比例配制好水泥漿后，用注漿泵一次性連續(xù)將水泥漿注入鉆孔內(nèi)，直至注到預(yù)定深度。本次3號(hào)煤層4個(gè)測(cè)壓鉆孔均按要求封孔到位，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1.

根據(jù)表1可知，1號(hào)～4號(hào)鉆孔的煤層瓦斯壓力依次為：0.43 MPa、0.35 MPa、0.42 MPa和0.40 MPa，平均瓦斯壓力值為0.4 MPa，煤層瓦斯壓力變化幅度較小，且瓦斯壓力處于中等偏下水平。

圖1 測(cè)瓦斯壓力鉆孔剖面示意圖

表1 測(cè)壓鉆孔具體參數(shù)值表

鉆孔編號(hào)巷道底板標(biāo)高/m鉆孔開(kāi)孔標(biāo)高/m封孔長(zhǎng)度/m見(jiàn)煤標(biāo)高/m埋深/m瓦斯壓力/MPa1+546 0+547 521+512 5422 50 432+546 0+546 928+508 1416 90 353+557 8+558 816+515 0432 50 424+557 8+559 316+514 6408 20 40

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)3號(hào)煤層取煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，主要測(cè)定瓦斯放散初速度(△P)和煤的堅(jiān)固性系數(shù)(f)兩個(gè)指標(biāo)。測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 3號(hào)煤層突出危險(xiǎn)性各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果表

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的瓦斯壓力值，實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的瓦斯放散初速度(△P)和煤的堅(jiān)固性系數(shù)(f)，基于突出危險(xiǎn)臨界值進(jìn)行判定可知，3號(hào)煤層具有一般突出危險(xiǎn)性，可以較安全的進(jìn)行石門揭煤，進(jìn)而對(duì)3號(hào)煤層進(jìn)行掘進(jìn)布置回采工作面。

3 瓦斯抽放孔合理封孔位置

煤體是一種特殊的材料體，其在自身固體的基礎(chǔ)上，還在內(nèi)部結(jié)構(gòu)中存儲(chǔ)著一定量的瓦斯氣體，如圖2所示，可以將煤體發(fā)生的動(dòng)力災(zāi)害細(xì)分為4類，其中以瓦斯壓力釋放能量誘導(dǎo)的破壞和以煤巖體應(yīng)力集中釋放能量誘導(dǎo)的破壞分別被稱作煤與瓦斯突出和沖擊地壓，而介于二者之間，瓦斯壓力和煤巖體應(yīng)力集中共同作用誘發(fā)的動(dòng)力災(zāi)害，稱之為復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害。復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害又依據(jù)瓦斯壓力與應(yīng)力集中釋放能量的大小分為突出-沖擊型和沖擊-突出型兩種復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害。

圖2 動(dòng)力災(zāi)害劃分圖

3號(hào)煤層埋深較大，且瓦斯壓力較大，3號(hào)煤層布置工作面回采前，如果不進(jìn)行有效的瓦斯抽采卸壓，很容易在工作面回采過(guò)程中誘發(fā)復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害，進(jìn)而對(duì)礦井的安全高效生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。

圖3 M28煤層透氣性與圍巖應(yīng)力關(guān)系圖

在3號(hào)煤層某一工作面的運(yùn)輸巷中布置1#、2#和3#瓦斯抽采試驗(yàn)鉆孔，鉆孔間距50 m. 同時(shí)，在回風(fēng)巷中布置4#、5#和6#瓦斯抽采試驗(yàn)鉆孔，鉆孔間距也為50 m. 使用穩(wěn)流設(shè)備對(duì)實(shí)體煤幫煤體透氣性進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定工藝見(jiàn)圖3a)，兩個(gè)封孔膠囊之間距離1 m，通過(guò)往膠囊中注水實(shí)現(xiàn)封孔的效果，再通過(guò)調(diào)壓閥向兩膠囊之間形成的密閉空間內(nèi)注入惰性氣體(N2)，通過(guò)監(jiān)測(cè)恒壓作用下流量的變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)分段監(jiān)測(cè)煤體透氣性。現(xiàn)場(chǎng)6個(gè)試驗(yàn)鉆孔測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖3b)，從圖3數(shù)據(jù)變化規(guī)律可知，由于巷道表面圍巖較破碎，因此，該區(qū)域流量較大，最大達(dá)0.57 L/min. 隨著向煤壁深處測(cè)定，流量逐漸減小，在距巷幫煤壁約11 m的位置處，流量趨于穩(wěn)定。從圖3c)中6個(gè)試驗(yàn)鉆孔流量平均值變化規(guī)律與模擬巷幫煤體中應(yīng)力變化規(guī)律可以看出，巷幫應(yīng)力峰值點(diǎn)的位置與流量穩(wěn)流點(diǎn)的位置基本吻合，說(shuō)明煤體的透氣性隨著應(yīng)力的增高而降低，在應(yīng)力峰值位置處透氣性最差，再往深處煤體處于彈性區(qū)，不受巷道采掘影響，因此流量變化不大。

4 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)巷幫煤體實(shí)施不同深度封孔負(fù)壓抽采，瓦斯?jié)舛惹€見(jiàn)圖4. 1#、2#和3#瓦斯抽采試驗(yàn)鉆孔封孔位置為11 m處，4#、5#和6#瓦斯抽采試驗(yàn)鉆孔封孔位置為5 m處。從圖4可以看出，合理的封孔位置可以有效地提高煤體瓦斯抽放濃度，在11 m位置處封孔平均瓦斯抽放濃度由原來(lái)的最高為35.7%提高至最高達(dá)67.1%，抽放效率提高了88%. 抽放38天后，抽放瓦斯?jié)舛纫琅f能與封孔位置在5 m處初始抽放濃度一致，可見(jiàn)合理的封孔位置可有效提高對(duì)煤層瓦斯的抽放效果，從而大幅度降低煤層固有的瓦斯壓力，進(jìn)而消除瓦斯壓力過(guò)大導(dǎo)致釋放能量誘發(fā)的突出破壞。

圖4 不同封孔深度瓦斯抽采效果對(duì)比圖

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)3號(hào)煤層瓦斯壓力測(cè)定和實(shí)驗(yàn)室參數(shù)測(cè)定，可知3號(hào)煤層具有一般突出危險(xiǎn)性。由于煤層埋藏較深，在煤層布置回采工作面開(kāi)采前，需要進(jìn)行瓦斯抽采卸壓?，F(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)表明，封孔位置為11 m時(shí)抽采效率最高，合理的封孔位置有效提高了對(duì)煤層瓦斯的抽放效果，從而大幅降低了煤層固有的瓦斯壓力，進(jìn)而消除瓦斯壓力過(guò)大導(dǎo)致釋放能量誘發(fā)的突出破壞。

[1] 袁瑞甫.深部礦井沖擊-突出復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害的特點(diǎn)及防治技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41(8)：6-10.

[2] 林士良，馬春笑，王廣杰.深井煤巷掘進(jìn)沖擊地壓與瓦斯突出綜合防治技術(shù)[J].中州煤炭，2009(7)：83-85.

Study on Reasonable Sealing Location of Gas Drainage Drilling in Changcun Coal Mine

YAN An

On-site monitoring and measurement on gas pressure before mining in No.3 coal seam show that the No. 3 coal seam is of general outburst risk. Due to the relative deep in deposit for the No.3 coal seam, it is more inclined to partial gas accumulation. By the application of steady flow method, a reasonable borehole sealing length of 11meters is determined in the roadway with the location varies in gas drainage, practice show that reasonable sealing location can effectively improve the gas concentration, reduce the gas pressure inherent in the coal seam, and eliminate the complex dynamic disaster caused by the excessive gas pressure.

Gas pressure; Sealing position; Steady flow method

2016-12-12

延 安(1990—)，男，山西長(zhǎng)治人，2011年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，助理工程師，主要從事煤礦井下生產(chǎn)管理方面的工作

(E-mail)zengqiang5@126.com

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1672-0652(2017)01-0031-03