山西某礦井煤層瓦斯賦存特征及抽放方案優(yōu)化

趙建盛

(山西汾西礦業(yè)集團(tuán)高陽(yáng)煤礦)

在鉆孔瓦斯抽放過(guò)程中，瓦斯賦存條件、鉆孔抽放參數(shù)(如鉆孔半徑、鉆孔抽放負(fù)壓等)對(duì)瓦斯抽放效率、濃度均有重要影響。本研究以山西某礦為例，對(duì)該礦煤層瓦斯賦存特征進(jìn)行分析，并對(duì)瓦斯的基礎(chǔ)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行測(cè)定。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)評(píng)價(jià)礦井瓦斯抽放效果，進(jìn)一步對(duì)抽放方案進(jìn)行優(yōu)化。

1 煤層瓦斯賦存情況

目前，該礦一、二水平均已開(kāi)采完畢，正在采掘三水平，四水平處于施工階段，礦井瓦斯儲(chǔ)量估算以三水平瓦斯含量為主。近年來(lái)，該礦經(jīng)過(guò)多次井田邊界劃分，也經(jīng)過(guò)多次生產(chǎn)改造，瓦斯?jié)舛扔兴档?表1)。受復(fù)雜地質(zhì)條件的影響，該礦瓦斯涌出不規(guī)律，有突出性危險(xiǎn)[1-4]，屬煤與瓦斯突出型礦井。

表1 礦井瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果

2 礦井煤層瓦斯基礎(chǔ)技術(shù)參數(shù)測(cè)定

2.1 煤層瓦斯壓力

本研究選擇人工方法實(shí)測(cè)該礦三水平煤層瓦斯壓力值[5]。在距離測(cè)量煤層8 m以外區(qū)域打鉆孔，孔徑不小于0.05 m，在保證孔口完整的條件下使鉆孔穿透煤層；鉆孔布置完畢后需對(duì)鉆孔內(nèi)部進(jìn)行清理，防止堵孔，并將加工后的鍍鋅鐵管(長(zhǎng)度與鉆孔長(zhǎng)度相當(dāng)，直徑約5 mm)放入鉆孔內(nèi)，鍍鋅鐵管一端頭部加工成扁形導(dǎo)氣孔，采用固體材料(水泥砂漿)封孔；應(yīng)用礦用2NB(BW)50型泥漿泵，封孔采用水泥料漿(水與水泥質(zhì)量比為1∶0.5)封孔，封孔深度為5 m；封孔完畢后，安裝壓力表，待3個(gè)月后表壓穩(wěn)定，即可測(cè)定煤層瓦斯壓力。經(jīng)實(shí)測(cè)，該礦三水平22#煤層初始瓦斯壓力平均值為2.46 MPa。

2.2 煤層瓦斯含量

一般來(lái)說(shuō)，煤層瓦斯含量測(cè)定主要有地勘解析法、井下解析法以及間接估算法[6-7]。本研究采用井下解析法測(cè)定該礦三水平22-1#、22-2#煤層瓦斯含量，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 22#煤層瓦斯工業(yè)參數(shù)

2.3 煤層透氣性系數(shù)

本研究假定鉆孔瓦斯抽放中瓦斯流動(dòng)為徑向非穩(wěn)流，并根據(jù)22#煤層瓦斯壓力、含量等參數(shù)，計(jì)算出該煤層透氣性系數(shù)為1.445 906 m2/(MPa2·d)。

2.4 鉆孔瓦斯流量和衰減系數(shù)

自然狀態(tài)下的鉆孔瓦斯流量(q0)和瓦斯流量衰減系數(shù)(α)的測(cè)定步驟為：①向含新鮮暴露煤壁的煤層打孔(鉆孔直徑70 mm，鉆孔長(zhǎng)35 m)，鉆孔完畢后立即封孔并檢查氣密性；②測(cè)量一定時(shí)間間隔下的鉆孔自然瓦斯流量qt，多組測(cè)定值(ti，qi)(i為測(cè)量次數(shù))中按下式

qt=q0e-αt，

回歸分析得出的q0和α值分別為3.860 259m3/min和0.027 96。

3 22#煤層瓦斯抽放效果

(1)三水平北二石門15#煤層右三段于2015年2月始抽，現(xiàn)有抽放鉆孔5 000個(gè)，預(yù)抽率達(dá)到27%，采用底板巖巷穿層瓦斯預(yù)抽技術(shù)，在標(biāo)高-240m運(yùn)輸巷內(nèi)向煤層打穿層鉆孔。

(2)三水平北二石門15#煤層右二段于2015年4月開(kāi)始抽采，工程量底板巷道長(zhǎng)260m，抽放鉆孔300個(gè)，總長(zhǎng)20 000m，鋪設(shè)瓦斯抽放管路400m。該段預(yù)抽率達(dá)到30%，采用底板巖巷穿層打孔以及煤巷順層鉆孔瓦斯預(yù)抽技術(shù)，在標(biāo)高-160m底板巷道向煤層打穿層預(yù)抽鉆孔，每個(gè)鉆場(chǎng)呈扇形布置鉆孔，鉆孔數(shù)量為20～30個(gè)；在機(jī)道沿煤層傾向、走向布置順層預(yù)抽鉆孔，在機(jī)道每隔50m施工1個(gè)抽放鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)鉆孔按照扇形布置，施工鉆孔20～30個(gè)。

(3)三水平北二石門22#煤層右三段計(jì)劃抽采時(shí)間為2015全年，工程量施工高位鉆場(chǎng)4個(gè)，抽放鉆孔180個(gè)，總長(zhǎng)12 000m，鋪設(shè)瓦斯抽放管路800m，預(yù)抽率為18.5%。該區(qū)為新區(qū)，采用沿煤巷布置順層鉆孔瓦斯預(yù)抽技術(shù)，在機(jī)道沿煤層傾向、走向布置順層預(yù)抽鉆孔，在機(jī)道每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)布置20～30個(gè)鉆孔，機(jī)道抽放鉆場(chǎng)間距為50m，鉆孔呈扇形布置；回風(fēng)道按要求施工4個(gè)高位鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)內(nèi)鉆孔數(shù)量不少于10個(gè)。

(4)三水平北二石門22#煤層右四段工作面開(kāi)采期間的回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?.24%，回風(fēng)風(fēng)速1.03m/s，回風(fēng)風(fēng)量560m3/min，工作面絕對(duì)瓦斯涌出量3m3/min，抽采時(shí)間達(dá)3個(gè)月，抽采純瓦斯流量1.62m3/min。該區(qū)應(yīng)用走向高位鉆孔瓦斯抽放技術(shù)，同時(shí)利用上分段機(jī)道作為頂板巷，采用頂板巷道瓦斯抽放方法，抽放率達(dá)到54%。

該礦利用地面永久瓦斯抽放泵站，通過(guò)抽放管路對(duì)接抽采鉆孔實(shí)施抽放，并將瓦斯通過(guò)排放管路鋪設(shè)至地面[8-10]。瓦斯抽采泵及其附屬設(shè)備至少應(yīng)有1套備用，使用專用線路供電，專人看管抽放泵，每小時(shí)填寫1遍抽放記錄。鉆孔每布置完1組后，立即用專用封孔泵封孔、下套管，封孔套管長(zhǎng)度不小于10m，套管出口距巷壁不大于100mm(出口處焊接水針用于測(cè)量單孔參數(shù))。該礦2015年度計(jì)劃抽采瓦斯520萬(wàn)m3，實(shí)際瓦斯抽采量?jī)H335萬(wàn)m3?？傮w上，礦井瓦斯抽放率僅為32%，采煤工作面瓦斯抽放率僅為35%，瓦斯抽采濃度也達(dá)不到設(shè)計(jì)要求[11]。

4 瓦斯抽放方案優(yōu)化

本研究在3N2石門22#煤層右三段溜子道施工了順層瓦斯抽放鉆孔，在回風(fēng)道施工了高位鉆場(chǎng)布置走向高位鉆孔。該區(qū)煤層厚度8m，走向長(zhǎng)206m，傾斜長(zhǎng)120m，煤層硬度中等。煤層層理、節(jié)理發(fā)育，密度1.4t/m3，工作面絕對(duì)瓦斯涌出量4.3m3/min，頂板為中砂巖，底板為細(xì)砂巖[11]。瓦斯抽放管路布置如圖1所示。

圖1 抽采面管路布置示意

在溜子道布置順層抽采鉆孔，每孔長(zhǎng)約90 m，每間隔7 m布置1個(gè)預(yù)抽鉆孔，鉆孔總工程量為2 610 m。鉆孔角度根據(jù)打鉆實(shí)際見(jiàn)煤情況隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，由于22#煤層屬于中厚煤層，煤層傾角不大(6°～10°)，故將瓦斯抽放鉆孔的傾角設(shè)計(jì)為7°～12°。打鉆時(shí)，鉆機(jī)機(jī)長(zhǎng)需隨身攜帶1臺(tái)便攜式甲烷檢測(cè)報(bào)警儀，并將其處于開(kāi)機(jī)狀態(tài)，隨時(shí)監(jiān)測(cè)施工鉆場(chǎng)內(nèi)的瓦斯?jié)舛?鉆場(chǎng)內(nèi)瓦斯?jié)舛炔灰顺^(guò)1%)。同時(shí)要求施工人員嚴(yán)格按照封孔程序操作，封孔完畢后完成抽采鉆孔與抽采管路的連接。選用2BEA-353型抽采泵，將抽放負(fù)壓值由-25 kPa調(diào)整為-30 kPa，將鉆孔直徑由0.072 m調(diào)整為0.086 m，對(duì)該工作面進(jìn)行為期100 d的抽采試驗(yàn)。

22#煤層右三段工作面瓦斯抽放期間的鉆孔瓦斯抽放量、抽放濃度等數(shù)據(jù)如圖2所示。通過(guò)對(duì)比分析該礦其余工作面瓦斯抽放效果可知，提高瓦斯抽放負(fù)壓有助于縮短煤層瓦斯抽放時(shí)間，增大鉆孔有效抽放半徑；盡管增大抽放直徑并未對(duì)煤層瓦斯壓力的整體變化趨勢(shì)有較大影響，但使得鉆孔瓦斯流量在一定程度上有所增加。

圖2 工作面瓦斯抽放效果

5 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)山西某礦22#煤層瓦斯基礎(chǔ)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，對(duì)該煤層瓦斯抽放效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，認(rèn)為該煤層瓦斯抽放效果總體不理想。在此基礎(chǔ)上，選取3N2石門22層右三段溜子道進(jìn)行瓦斯抽放方案優(yōu)化試驗(yàn)，將抽放負(fù)壓由-25 kPa提高至-30 kPa，鉆孔直徑由0.072 m增大至0.086 m。試驗(yàn)表明：方案優(yōu)化后，有助于縮短煤層瓦斯抽放時(shí)間，增加鉆孔瓦斯流量，瓦斯抽放效果也得到了大幅提升。