李家樓煤業(yè)2 號(hào)煤層預(yù)抽鉆孔抽采半徑研究

王 寧

（太原東山李家樓煤業(yè)通風(fēng)部，山西 太原 030009）

0 引 言

1 礦井基本情況

李家樓煤業(yè)位于太原市清徐縣城西北6.0 km處，馬峪鄉(xiāng)葡峰山莊一帶，礦井交通便利。批采03～9號(hào)煤層，開(kāi)采標(biāo)高+925～+585 m，井田面積7.542 9 km2，生產(chǎn)規(guī)模為1.20 Mt/a。井田地質(zhì)構(gòu)造屬簡(jiǎn)單類型，主要可采煤層包括賦存于山西組的03、2、4 號(hào)煤層以及賦存于太原組的 5 上、5、6、8+9 號(hào)煤層等 7 個(gè)煤層。其中，2 號(hào)煤層與03 號(hào)煤層之間的平均層間距約7.50 m，與4 號(hào)煤層之間的平均層間距約15.50 m，其煤厚范圍為1.60～3.65 m，平均2.79 m。礦井瓦斯的絕對(duì)、相對(duì)涌出量分別為36.75 m3/min、45.94 m3/t，屬高瓦斯礦井。

礦井開(kāi)拓方式為斜-立混合式，布置有主斜井、副斜井以及回風(fēng)立井。目前，礦井正在進(jìn)行2 號(hào)煤層的開(kāi)采活動(dòng)，采用綜采采煤方法，全部垮落法管理頂板。

2 抽采半徑測(cè)試方法

目前，對(duì)瓦斯鉆孔有效抽采半徑所采用的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法主要包括壓力下降法、瓦斯儲(chǔ)量法和示蹤氣體法。本次李家樓煤業(yè)考察的抽采半徑主要應(yīng)用于2號(hào)煤層回采工作面瓦斯預(yù)抽，結(jié)合礦井的實(shí)際條件，并考慮到瓦斯儲(chǔ)量法測(cè)試過(guò)程較為繁瑣、施工工程量大，示蹤氣體法還處于研究階段，可靠性不高，而壓力下降法具有應(yīng)用成熟、測(cè)試方便的特點(diǎn)；因此，本次抽采半徑考察采用瓦斯壓力下降法。

3 有效抽采半徑測(cè)試

3.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

采用瓦斯壓力下降法測(cè)試煤層瓦斯抽采半徑時(shí)，測(cè)試地點(diǎn)應(yīng)盡量選擇原始煤體，其要求類似于煤層瓦斯壓力測(cè)試，具體應(yīng)遵循以下原則：①測(cè)試地點(diǎn)的瓦斯賦存情況和地質(zhì)單元有代表性，煤體無(wú)斷層、裂隙等構(gòu)造完整未破壞；②測(cè)試鉆孔與巷道內(nèi)含水層、溶洞等地質(zhì)構(gòu)造地點(diǎn)之間的距離要大于50 m；③測(cè)試鉆孔要遠(yuǎn)離工作面采動(dòng)、抽采等卸壓情況的影響；④測(cè)試鉆孔所處的工作面回采日期必須滿足考察所需的抽采時(shí)間；⑤測(cè)試地點(diǎn)施工測(cè)試鉆孔的供風(fēng)、用水、用電等條件必須符合要求，并確保現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)安全。

根據(jù)上述原則，選擇1204 膠帶順槽里程900～950 m 范圍處作為本次抽采半徑測(cè)試的施工地點(diǎn)，如圖1 所示。

圖1 測(cè)試地點(diǎn)示意圖

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1）選擇未施工瓦斯抽采鉆孔的1204 膠帶順槽里程900～950m 范圍作為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試地點(diǎn)，將施工設(shè)備與封孔材料運(yùn)抵瓦斯抽采試驗(yàn)地點(diǎn)附近。按圖3施工2 組測(cè)試鉆孔，2 組鉆孔間隔不小于20m，在里程900m 施工第一組壓力測(cè)試孔，即1、2 號(hào)孔；在里程930m 處施工第二組測(cè)試孔，即3、4 號(hào)孔。測(cè)試鉆孔孔徑94mm，孔深35m，仰角5°。成孔一個(gè)封一個(gè)，然后再鉆進(jìn)另一個(gè)，采用“兩堵一注”方法封孔，封孔深度為30m，保證封孔段不漏氣。鉆孔布置布置如圖2 所示。

圖2 鉆孔布置圖

2）待封孔材料凝固后，在 1、2、3、4 號(hào)孔分別裝上壓力表，測(cè)定各測(cè)試孔壓力變化情況。

表1 鉆孔施工參數(shù)表

3）待壓力穩(wěn)定后，再分別施工抽采鉆孔A 孔和B 孔，鉆孔直徑94 mm，孔深35 m，仰角5°。采用“2堵1 注”封孔，封孔長(zhǎng)度為10 m，將抽采孔與抽采管網(wǎng)連接開(kāi)始抽采，抽采負(fù)壓為20 kPa；瓦斯抽采孔開(kāi)始抽采后，每天安排專人讀取各個(gè)觀測(cè)孔的壓力表數(shù)據(jù)并做好記錄，再利用所記錄測(cè)試數(shù)據(jù)繪制出各個(gè)測(cè)試鉆孔瓦斯壓力隨時(shí)間變化曲線。鉆孔施工參數(shù)見(jiàn)表1。

3.3 測(cè)試結(jié)果

3.3.1 測(cè)試數(shù)據(jù)

（5）為了解決凝結(jié)水頂部漿液脫水引起的凹陷，在注漿結(jié)束后立即在射流孔內(nèi)進(jìn)行靜壓灌漿，直至孔內(nèi)液面不沉降。

根據(jù)上述方法在1204 膠帶順槽進(jìn)行了試驗(yàn)，2019年 7 月 4 日施工 1、2、3、4 號(hào)測(cè)壓孔，7 月 5 日安裝壓力表，7 月6 日開(kāi)始讀數(shù)。7 d 后，壓力達(dá)到最大值并保持穩(wěn)定，隨即施工A、B 抽采孔并進(jìn)行聯(lián)抽。本次測(cè)試過(guò)程中測(cè)定的煤層瓦斯壓力變化情況只是受到抽采測(cè)試孔的作用，測(cè)試過(guò)程基本與實(shí)際抽采情況相同，測(cè)試結(jié)果可以指導(dǎo)抽采鉆孔的布置受1204 工作面采掘工程部署的影響，測(cè)試90 多天后不再繼續(xù)觀測(cè)，結(jié)束本次2 號(hào)煤層預(yù)抽鉆孔抽采半徑考察。通過(guò)歷時(shí)3 個(gè)多月的觀測(cè)，圖3～6 所示為利用所記錄測(cè)試數(shù)據(jù)繪制出的各個(gè)測(cè)試鉆孔瓦斯壓力隨時(shí)間變化曲線。

圖3 1 號(hào)鉆孔煤層瓦斯壓力隨時(shí)間變化曲線

圖4 2 號(hào)鉆孔煤層瓦斯壓力隨時(shí)間變化曲線

圖5 3 號(hào)鉆孔煤層瓦斯壓力隨時(shí)間變化曲線

圖6 4#鉆孔煤層瓦斯壓力隨時(shí)間變化曲線

3.3.2 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

李家樓煤業(yè)生產(chǎn)規(guī)模為1.20 Mt/a，工作面產(chǎn)量約3 000 t/d，根據(jù)瓦斯抽采相關(guān)規(guī)定，回采之前工作面的可解吸瓦斯量要≤6 m3/t，對(duì)應(yīng)抽采后的殘余瓦斯含量要≤7.2 m3/t，1204 工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)出的原始瓦斯含量為10.38 m3/t，瓦斯壓力0.1～0.15 MPa。根據(jù)煤層瓦斯壓力與瓦斯含量之間存在拋物線型關(guān)系，當(dāng)殘余瓦斯壓力降低為原始瓦斯壓力的48%時(shí)，即瓦斯壓力下降了52%時(shí)，可符合工作面回采前煤層可解吸瓦斯量的相關(guān)要求。

由測(cè)試數(shù)據(jù)及圖 3～圖 6 可知：在 1、2、3、4 號(hào)測(cè)壓孔完成封孔后，再將壓力表安裝于各個(gè)鉆孔，并對(duì)其進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，隨后施工A、B 抽采孔并且連接抽采管路接入抽采系統(tǒng)。在經(jīng)過(guò)57 d 連續(xù)抽采后，距離抽采孔1.0 m 的1 號(hào)測(cè)壓孔壓力下降52.9%；抽采86 d 后，距離抽采孔1.5 m 的2 號(hào)測(cè)壓孔壓力下降52.6%；抽采90 d 后，距離抽采孔2.0 m 的3 號(hào)測(cè)壓孔壓力下降34.8%；距離抽采孔2.5 m 的4 號(hào)測(cè)壓孔壓力下降33.3%。

綜上所述，2 號(hào)煤層在抽采57 d 后有效抽采半徑為1.0 m，在抽采86 d 后有效抽采半徑為1.5 m。

4 結(jié) 論

本次預(yù)抽鉆孔抽采半徑測(cè)定采用的鉆孔直徑為94 mm，抽采負(fù)壓為20 kPa，考察時(shí)間90 d。根據(jù)上述各項(xiàng)影響因素前提條件下，對(duì)不同的抽采時(shí)間的抽采半徑進(jìn)行考察研究，通過(guò)測(cè)壓結(jié)果分析可得以下結(jié)論：

1）在孔徑為94 mm，抽采負(fù)壓為20 kPa 的條件下，在抽采57 d 后有效抽采半徑為1.0 m，在抽采86 d 后有效抽采半徑為1.5 m，可符合工作面回采前煤層可解吸瓦斯量的相關(guān)要求。

2）從本次現(xiàn)場(chǎng)考察抽采半徑為2.0 m 和2.5 m的過(guò)程中還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)抽采半徑達(dá)到一定距離時(shí)，鄰近區(qū)域的瓦斯很難被抽采出來(lái)，隨著抽采時(shí)間的增加，瓦斯壓力下降不明顯，抽采時(shí)間和抽采效果不成正比。

3）因預(yù)抽鉆孔抽采半徑要受到瓦斯壓力、鉆孔直徑、抽采時(shí)間、抽采負(fù)壓等因素影響，不同測(cè)試地點(diǎn)的抽采半徑會(huì)有所差異；因此，礦井在遇到地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯賦存異常區(qū)的時(shí)候，需要采用加密鉆孔或其他經(jīng)考察確定有效的方式，進(jìn)而達(dá)到保障礦井安全生產(chǎn)的目的。