潞安礦區(qū)地面井抽采影響下的掘進(jìn)巷瓦斯涌出特征分析

何 健，崔寶庫(kù)，周建偉

(1.山西潞安礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 瓦斯研究院，山西 長(zhǎng)治 046204；2.山西潞安集團(tuán)示范礦井 瓦斯治理研究中心，山西 長(zhǎng)治 046100)

針對(duì)煤層高瓦斯含量制約井下煤層巷道安全高效掘進(jìn)和干擾礦井采掘接替的問題，為了掩護(hù)井下煤層巷道的安全快速掘進(jìn)，近一二十年來，我國(guó)不少高瓦斯礦區(qū)探索實(shí)施了地面井壓裂抽排掩護(hù)煤層巷道掘進(jìn)的技術(shù)。目前，地面井壓裂抽采已成為降低井下煤層瓦斯含量的重要途徑[1-9]，潞安礦區(qū)示范礦井作為山西省重點(diǎn)試點(diǎn)單位也進(jìn)行了地面井壓裂抽排的積極探索。

示范礦井地面壓裂抽排井主要分布在南五采區(qū)，2008年至2018年累計(jì)對(duì)37口井進(jìn)行排采。為客觀評(píng)價(jià)地面井壓裂抽排對(duì)井下煤層掘進(jìn)巷道瓦斯涌出的影響，經(jīng)過約5 a的地面井抽排之后，在考察地面井抽排影響范圍的基礎(chǔ)上，選擇了示范礦井南五采區(qū)內(nèi)S5206工作面膠帶巷和回風(fēng)巷兩條掘進(jìn)巷道進(jìn)行了瓦斯涌出的考察，并重點(diǎn)對(duì)S5206膠帶巷地面壓裂井附近區(qū)域瓦斯涌出特征的分析。分析結(jié)果表明，巷道掘進(jìn)期間瓦斯涌出不均勻系數(shù)、瓦斯涌出量也相對(duì)越低，地面井壓裂抽排達(dá)到了目的。

1 S5206工作面概況

S5206工作面位于南五采區(qū)南側(cè)，沿東西方向布置。工作面北側(cè)為南五2號(hào)回風(fēng)下山，南側(cè)為實(shí)體煤，東側(cè)為實(shí)體煤，西側(cè)為實(shí)體煤，煤層平均厚度6.1 m。工作面原始瓦斯含量接近11 m3/t，巷道掘進(jìn)期間采用2臺(tái)45 kW風(fēng)機(jī)進(jìn)行局部供風(fēng)，供風(fēng)量為1 425 m3/min，最大風(fēng)排瓦斯涌出量為9 m3/min。掘進(jìn)期間局部瓦斯治理方式為邁步鉆場(chǎng)邊掘邊抽鉆孔+迎頭釋放孔，其中邁步鉆場(chǎng)布置6個(gè)130 m鉆孔，平均抽采純量為0.46 m3/min,迎頭釋放孔個(gè)數(shù)為20個(gè)，直徑D65 mm，孔深為15 m。

2 地面抽采井技術(shù)參數(shù)與效果

2.1 地面抽采井技術(shù)參數(shù)

S5206工作面范圍內(nèi)共布置9口抽采井，平面布置如圖1所示。在工作面膠帶巷、回風(fēng)巷0～60 m范圍內(nèi)，2011年年底至2017年進(jìn)行排采。

圖1 S5206工作面地面抽采井平面布置(m)

S5206工作面地面井編號(hào)分別是LA-027、LA-028、LA-029、LA-030、LA-032、LA-033、LA-034、LA-035 、LA-036，井深為601～658 m，除LA-030、LA-035號(hào)井外，其余7口井均于2011年年底至2017年進(jìn)行壓裂排采，地面井壓裂參數(shù)見表1。壓裂采用氮?dú)饧由皦毫压に?，最大破裂壓力達(dá)17.2 MPa，加砂量40 m3。

表1 S5206工作面地面井壓裂參數(shù)

2.2 地面井抽采參數(shù)

2.2.1 地面井抽采瓦斯參數(shù)

S5206工作面附近9口地面抽采井相對(duì)位置、抽采時(shí)間、封井時(shí)間、累計(jì)抽采瓦斯量、噸煤瓦斯含量下降量以及抽采井附近實(shí)測(cè)瓦斯含量見表2。由表2可知，S5206工作面附近地面抽采井的抽采時(shí)間平均約5年半，單井排采瓦斯量相差較大，但在巷道掘進(jìn)過程中實(shí)測(cè)抽采井附近煤體殘余瓦斯含量卻基本在9.0～9.8 m3/t之間，殘余瓦斯含量較為接近。

表2 S5206工作面地面抽采井瓦斯抽采參數(shù)

地面井排采瓦斯的過程是抽采井附近煤體瓦斯解吸運(yùn)移動(dòng)態(tài)平衡的過程，瓦斯壓力梯度是瓦斯由遠(yuǎn)及近向抽采井運(yùn)移的動(dòng)力，地面抽采井附近煤體殘余瓦斯含量與距離壓裂井距離大小未表現(xiàn)出明顯相關(guān)性，可能原因?yàn)槌椴删陂L(zhǎng)期的排采后，抽采井附近煤體瓦斯壓力達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡。

S5206工作面地面井布置間距，沿東西方向間距約為260 m，南北方向上間距約為340 m，平均間距為300 m，故地面井抽采半徑約為150 m，抽采井抽采影響區(qū)域內(nèi)煤層噸煤瓦斯含量下降量平均為0.94 m3/t(LA-030、LA-035未壓裂排采除外)，則煤體殘余瓦斯含量理論計(jì)算值約為10.06 m3/t，與實(shí)測(cè)平均值9.663 5 m3/t相差不大。

2.2.2 地面井抽采影響范圍

沿S5206膠帶巷從北至南均勻地布置有LA-027、LA-028、LA-029地面排采井。對(duì)該3口地面井周圍50 m范圍內(nèi)的煤層含砂及巷道煤體破碎程度進(jìn)行考察，如圖2所示。

圖2 LA-027、LA-028、LA-029排采井觀測(cè)區(qū)域示意(m)

LA-027實(shí)際在巷道掘進(jìn)正巷上揭露，揭露過程中巷道迎頭出現(xiàn)壓裂黃砂與水，如圖3所示。區(qū)域范圍約為2 m，LA-028、LA-029壓裂井未在正巷中揭露，且未見壓裂黃砂，僅出現(xiàn)巷道煤體不同程度的破碎。壓裂砂揭露情況及壓裂井附近區(qū)域煤體破碎情況，見表3。

圖3 LA-027附近壓裂黃砂與水分布情況

表3 LA-027、LA-028、LA-029地面井附近煤層情況

綜合分析上述3口壓裂排采井附近壓裂砂揭露情況可知，壓裂井直接壓裂范圍相對(duì)較小，壓裂砂等支撐物向外擴(kuò)散范圍有限，約為2 m距離；壓裂間接影響范圍相對(duì)較遠(yuǎn)，降低了附近煤體的強(qiáng)度，使得煤體更破碎、裂隙更發(fā)育，間接影響范圍約為42～50 m。

3 地面井附近區(qū)域工作面瓦斯涌出特征分析

為了考察地面井壓裂抽采影響下S5206工作面瓦斯涌出特征，選擇了地面井附近50 m范圍內(nèi)，統(tǒng)計(jì)分析了掘進(jìn)巷道的瓦斯涌出特征。

為了進(jìn)一步分析地面井對(duì)巷道掘進(jìn)的影響，重點(diǎn)選取LA-027、LA-028、LA-029號(hào)地面井附近區(qū)域巷道掘進(jìn)瓦斯涌出量與不均勻瓦斯涌出系數(shù)變化曲線，如圖4～圖6所示。

圖4 LA-027號(hào)地面井附近巷道掘進(jìn)瓦斯涌出變化曲線

圖5 LA-028號(hào)地面井附近巷道掘進(jìn)瓦斯涌出變化曲線

圖6 LA-029號(hào)地面井附近巷道掘進(jìn)瓦斯涌出變化曲線

由圖4～圖6可以看出，LA-027號(hào)壓裂井前后各50 m范圍內(nèi)瓦斯涌出量有降低趨勢(shì)，平均值為5.59 m3/min，LA-028、LA-029號(hào)壓裂井前后各50 m范圍內(nèi)瓦斯涌出量無降低趨勢(shì)，平均值分別為7.35 m3/min、5.89 m3/min，3口壓裂井附近巷道瓦斯涌出不均勻系數(shù)均相對(duì)較低，分別為1.42、1.38、1.27。

由此可見，在經(jīng)過地面井壓裂排采后，壓裂井前后各50 m范圍內(nèi)煤體透氣性得到改善，瓦斯分布區(qū)域均勻，巷道掘進(jìn)期間瓦斯涌出較為均勻，不均勻瓦斯涌出系數(shù)相對(duì)較低，保持在1.42以下；由于S5206工作面地面井排采時(shí)間相對(duì)較短，僅5 a左右，巷道掘進(jìn)期間，距離地面井較近區(qū)域巷道風(fēng)排瓦斯涌出量受地面井抽采效果影響較大，抽采效果越好，煤體殘余瓦斯含量越低，巷道掘進(jìn)期間瓦斯涌出量也相對(duì)越低。

4 結(jié) 語

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析了地面井抽采影響下掘進(jìn)巷瓦斯涌出特征分析，得出如下結(jié)論：

1) S5206工作面地面井平均抽采時(shí)長(zhǎng)分別為5.4 a，按布井半徑計(jì)算，平均噸煤瓦斯含量下降量分別為0.94 m3/t，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值相差不大。

2) 壓裂井直接壓裂范圍相對(duì)較小，壓裂砂等支撐物向外擴(kuò)散范圍有限，約為2 m距離；壓裂間接影響范圍相對(duì)較遠(yuǎn)，降低了附近煤體的強(qiáng)度，使得煤體更破碎、裂隙更發(fā)育，間接影響范圍約為42～50 m。

3) 在經(jīng)過地面井壓裂排采后，壓裂井前后各50 m范圍內(nèi)煤體透氣性得到改善，瓦斯分布區(qū)域均勻，巷道掘進(jìn)期間瓦斯涌出較為均勻，不均勻瓦斯涌出系數(shù)相對(duì)較低，保持在1.42以下。

4) 由于S5206工作面地面井排采時(shí)間相對(duì)較短，僅5年半左右，巷道掘進(jìn)期間，距離地面井較近區(qū)域巷道風(fēng)排瓦斯涌出量受地面井抽采效果影響較大，抽采效果越好，煤體殘余瓦斯含量越低，巷道掘進(jìn)期間瓦斯涌出量也相對(duì)越低。