煤峪口礦3-5#煤層增透瓦斯抽采技術(shù)研究

崔佳楠

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)安全督察大隊(duì)，山西 大同 037000)

大同礦區(qū)煤峪口礦煤層滲透系數(shù)偏低，對(duì)煤層瓦斯具有較強(qiáng)的吸附能力，瓦斯壓力通常偏高，這些特點(diǎn)嚴(yán)重制約煤層瓦斯的開(kāi)采和井下瓦斯抽放。如何解決此類(lèi)礦井煤層高瓦斯低滲透的常見(jiàn)問(wèn)題，增強(qiáng)煤礦對(duì)于煤層瓦斯抽采及利用能力，確保煤礦安全高效生產(chǎn)，已成為煤礦企業(yè)面臨的重大挑戰(zhàn)。針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題，眾多研究者提出并實(shí)施了煤層增透技術(shù)來(lái)提高瓦斯抽采效果，高壓液體割縫技術(shù)就是其中之一。針對(duì)煤峪口礦煤層瓦斯賦存狀況，研究提出采用高壓液體割縫技術(shù)對(duì)煤層進(jìn)行增透，通過(guò)預(yù)抽鉆孔在煤層切開(kāi)人工煤層縫隙，以降低煤層所受到的地應(yīng)力，提高煤層的整體破碎程度，進(jìn)而達(dá)到對(duì)煤層進(jìn)行卸壓的目的，增加煤層的滲透能力[1-2]。

1 5101 工作面簡(jiǎn)介

煤峪口礦3-5#煤層5101 回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面，煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，屬于可采的穩(wěn)定煤層。瓦斯含量為9.89 m3/t，煤層傾角平均3°，煤層厚度2.55～3.75 m，平均3.12 m。5101 回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面沿3-5#煤層布置，巷道為矩形斷面，尺寸為4.7 m×3.9 m。根據(jù)礦井氣體分析報(bào)告表及礦井調(diào)度室提供的產(chǎn)量數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算礦井瓦斯絕對(duì)涌出量8.18 m3/min，二氧化碳絕對(duì)涌出量9.27 m3/min，瓦斯相對(duì)涌出量為8.26 m3/t，二氧化碳相對(duì)涌出量為7.88 m3/t。掘進(jìn)工作面最大瓦斯絕對(duì)涌出量為5101巷的6.24 m3/min，5101 巷掘進(jìn)期間瓦斯?jié)舛茸畲鬄?.43%，瓦斯?jié)舛绕骄禐?.25%

2 高壓液體割裂煤層施工方案

根據(jù)煤峪口礦5101 回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面地壓以及巷道斷面情況，本次試驗(yàn)計(jì)劃布置方式為：利用原1、原2、原3、補(bǔ)1、補(bǔ)2、補(bǔ)3 號(hào)鉆孔進(jìn)行高壓液體割裂煤層增透，原4、原5 號(hào)預(yù)抽鉆孔作為對(duì)照孔不進(jìn)行高壓液體割裂煤層增透。預(yù)抽鉆孔深度根據(jù)規(guī)程要求確定應(yīng)為60～120 m，孔徑均不小于90 mm。各個(gè)預(yù)抽鉆孔布置方位如圖1。

圖1 預(yù)抽鉆孔布置方位圖

高壓液體割裂煤層施工于2020 年4 月2 日至9日進(jìn)行。由于割裂煤層過(guò)程嚴(yán)格按照既定施工方案執(zhí)行，割縫管進(jìn)入煤層的平均深度為90 m，平均割縫深度為76 m，割縫速度均為1.5 m/min，割裂煤層過(guò)程中存在排水排渣現(xiàn)象。具體記錄見(jiàn)表1。

表1 高壓液體割裂煤層施工記錄

3 高壓液體割裂煤層增透效果分析

在高壓液體割裂煤層后，一方面煤層切割縫上下兩側(cè)的煤體向割縫中心移動(dòng)，形成一定范圍的卸壓區(qū)，煤體承受?chē)鷫航档?，煤層原有壓密裂縫張開(kāi)，使煤層透氣性增加；另一方面，切割縫兩側(cè)煤體在地應(yīng)力作用下發(fā)生破裂，產(chǎn)生新的裂隙，滲流通道增加，從而提高了煤層透氣性。

高壓液體割裂煤層的抽放效果可以通過(guò)抽放管路的瓦斯流量與濃度進(jìn)行觀測(cè)，與普通鉆孔進(jìn)行比較，采用瓦斯抽放綜合參數(shù)測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定。5101回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面高壓液體割裂煤層鉆孔及其對(duì)照鉆孔的瓦斯抽放總流量與濃度數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2和表3。

表2 瓦斯抽放總流量（m3/min）測(cè)定

表3 瓦斯抽放濃度（%）測(cè)定

經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，5101 回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面高壓液體割裂煤層抽放孔在20 d 抽采期內(nèi)總流量平均值為0.999 m3/min，其中1 號(hào)孔最大，達(dá)1.993 m3/min，2 號(hào)孔最小，達(dá)到0.331 m3/min；普通抽放孔在此期間總流量平均值僅為0.149 m3/min。高壓液體割裂煤層抽放孔在20 d 抽采期內(nèi)瓦斯抽放濃度平均值為40.2%，其中2 號(hào)孔最大，達(dá)到了57.8%，3 號(hào)孔最小，達(dá)到30.8%；普通抽放孔在此期間瓦斯抽放濃度平均值僅為9.9%。高壓液體割裂煤層抽放孔的瓦斯總流量平均值是普通抽放孔的6.7 倍，其中流量最大的1號(hào)孔瓦斯總流量平均值是普通抽放孔的13.4倍；高壓液體割裂煤層抽放孔的瓦斯抽放濃度平均值是普通抽放孔的4.1 倍，其中濃度最大的2 號(hào)孔瓦斯抽放濃度平均值是普通抽放孔的5.9 倍。這表明，高壓液體割裂煤層技術(shù)的實(shí)施，可以有效提高掘進(jìn)工作面瓦斯抽放量以及瓦斯?jié)舛?，從而達(dá)到煤層瓦斯高效抽采與巷道快速掘進(jìn)的目的。

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)高壓液體割裂煤層試驗(yàn)，5101 回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面高壓液體割裂煤層抽放孔的瓦斯總流量平均值是普通抽放孔的6.7 倍，其中流量最大的1 號(hào)孔瓦斯總流量平均值是普通抽放孔的13.4 倍；高壓液體割裂煤層抽放孔的瓦斯?jié)舛绕骄凳瞧胀ǔ榉趴椎?.1 倍，其中濃度最大的2 號(hào)孔瓦斯抽放濃度平均值是普通抽放孔的5.9 倍。由此可見(jiàn)，煤峪口礦5101 回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面經(jīng)過(guò)高壓液體割裂煤層試驗(yàn)后，大大提高了煤層的透氣性，瓦斯抽放孔的總流量和濃度顯著增大，實(shí)現(xiàn)了煤層瓦斯高效抽采以及回風(fēng)巷道快速掘進(jìn)的目的。