新景礦超遠(yuǎn)距離保護(hù)層開采瓦斯治理技術(shù)

陳小建，郝智峰

(山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000)

近年來[1-3]，由于對(duì)淺部煤炭資源的大量開采，賦存條件較為良好的淺部煤炭基本被開采完畢，煤炭開采開始逐年向地下深部延伸。隨之而來的是瓦斯壓力的增大造成煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性增高，煤炭開采和安全生產(chǎn)管理難度加大。保護(hù)層開采卸壓[4-6]及瓦斯抽采是一種實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、高效的瓦斯綜合治理技術(shù)。保護(hù)層開采卸壓及瓦斯抽采即是通過開采被保護(hù)煤層附近的煤層，使得被保護(hù)煤層原有應(yīng)力分布改變，加速吸附的瓦斯氣體向游離的瓦斯氣體轉(zhuǎn)變，增大原有煤層瓦斯?jié)B透率，提高瓦斯抽采效率。目前學(xué)者們[7-10]對(duì)于保護(hù)層開采技術(shù)進(jìn)行了大量的研究探索，但是關(guān)于超遠(yuǎn)距離保護(hù)層開采卸壓增透效果研究報(bào)道較為少見。同時(shí)，由于煤層的賦存條件存在獨(dú)特性，適用于某地區(qū)的保護(hù)層開采技術(shù)并不一定適用于其他地區(qū)。因此對(duì)于超遠(yuǎn)距離保護(hù)層開采卸壓效果的研究具有重要意義。

新景礦的主采煤層均富含瓦斯且煤層透氣性較差，在開采和掘進(jìn)過程中，曾多次發(fā)生瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，給新景礦的安全生產(chǎn)帶來極大的威脅。通過監(jiān)測(cè)被保護(hù)層各項(xiàng)安全指標(biāo)，探究超遠(yuǎn)距離保護(hù)層開采保護(hù)范圍以及促進(jìn)上覆煤層卸壓瓦斯抽采效果，為全面消除各主采煤層的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性和實(shí)現(xiàn)煤層群的安全高效開采，提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 工程概況

新景礦3號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、15號(hào)各煤層均富含瓦斯，各煤層瓦斯賦存如表1所示。3號(hào)、8號(hào)煤層與15號(hào)煤層的平均層間距分別為120 m和83.3 m，15號(hào)煤層相對(duì)于3號(hào)、8號(hào)煤層突出危險(xiǎn)性較低。因此，以15號(hào)煤層作為超遠(yuǎn)距離保護(hù)層開采消除3號(hào)及8號(hào)煤層的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。15303綜放工作面位于蘆南15號(hào)煤采區(qū)，工作面標(biāo)高380～464 m，地面標(biāo)高915～1 025 m，埋藏深度為458～605 m.本工作面走向長(zhǎng)1 093 m，傾斜長(zhǎng)170 m，面積185 810 m2.工作面上覆3號(hào)煤層為三礦72901工作面采空區(qū)，上覆8號(hào)煤層為8123工作面采空區(qū)、8122工作面(未采)，其他煤層均未開采。

表1 新景礦各煤層瓦斯賦存情況

本文考察鉆孔的試驗(yàn)地點(diǎn)為8號(hào)煤8123綜采工作面，該工作面位于+ 525水平，工作面標(biāo)高483～559 m，埋藏深度為356～515 m.本工作面走向長(zhǎng)915.5 m，傾斜長(zhǎng)120～180 m，面積117 298 m2.本工作面井下位于蘆南8號(hào)煤采區(qū)北翼東部，東隔600 m為525水平大巷，南為8122工作面(已掘未采)，西為8 號(hào)煤蘆南區(qū)北翼采區(qū)大巷，北為8124工作面(正掘)。

2 考察方案及參數(shù)測(cè)定

2.1 鉆孔布置方案

測(cè)定地點(diǎn)為蘆南區(qū)8123工作面東三主巷，測(cè)定過程中，在巷道內(nèi)布置4個(gè)鉆場(chǎng)，鉆孔孔徑均為85 mm，設(shè)計(jì)施工鉆孔共計(jì)18個(gè)。鉆孔距開切眼處100 m以上，鉆孔間距要控制在50 m以上。如圖1所示，擬定開孔高度為1.5 m左右(可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況改變)，穿層鉆孔終孔位置分別位于3號(hào)、9號(hào)煤層，順層鉆孔終孔位置位于8號(hào)煤層。具體位置根據(jù)巷道內(nèi)實(shí)際水電風(fēng)情況而定。各鉆孔參數(shù)如表2所示。

圖1 蘆南區(qū)8123工作面東三主巷鉆孔分布

表2 鉆孔參數(shù)

2.2 參數(shù)測(cè)定

1) 被保護(hù)層地應(yīng)力測(cè)定。在鉆孔施工完畢后，用返漿管固定鉆孔應(yīng)力計(jì)(返漿管管口高于鉆孔應(yīng)力計(jì)2 m，保證應(yīng)力計(jì)可以被水泥漿浸沒)，將鉆孔應(yīng)力計(jì)送至被保護(hù)層中后，在孔口的返漿管上安裝閥門。在孔口裝入注漿管，注漿管上安裝閥門，安裝完畢后，用棉紗加聚氨酯封堵孔口，同時(shí)準(zhǔn)備水泥漿。待聚氨酯膨脹凝固后，將注漿管閥門與注漿泵連接，向孔內(nèi)注入水泥漿。當(dāng)水泥漿升高至返漿管處后，漿液從返漿管內(nèi)返回，證明水泥漿已經(jīng)浸沒鉆孔應(yīng)力計(jì)，關(guān)閉注漿管及返漿管上的閥門。鉆孔應(yīng)力計(jì)及安裝示意如圖2所示。鉆孔應(yīng)力計(jì)啟動(dòng)后，數(shù)據(jù)采集器對(duì)鉆孔應(yīng)力記錄的數(shù)據(jù)每3 d進(jìn)行采集，采集一直持續(xù)到工作面推過鉆孔位置200 m之上以后。

圖2 鉆孔應(yīng)力計(jì)及安裝示意

隨著15303工作面推進(jìn)，工作面與測(cè)點(diǎn)的距離不斷減小，應(yīng)力計(jì)數(shù)值不斷增大，3號(hào)、8號(hào)及9號(hào)煤層測(cè)點(diǎn)位置出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。隨著工作面的推過，鉆孔應(yīng)力數(shù)值平緩下降。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，采空區(qū)頂板垮落重新壓實(shí)，采動(dòng)應(yīng)力數(shù)值開始增加。最終，3號(hào)煤層采動(dòng)應(yīng)力穩(wěn)定在7.5 MPa左右，8號(hào)煤層采動(dòng)應(yīng)力為8.3 MPa左右，9號(hào)煤層采動(dòng)應(yīng)力為9.3 MPa左右。

2) 被保護(hù)層瓦斯壓力測(cè)定。用D75 mm鉆頭進(jìn)鉆至9號(hào)或者3號(hào)煤層頂板內(nèi)，記錄鉆進(jìn)的距離，退鉆后觀察孔內(nèi)是否完整，有無塌孔現(xiàn)象。向鉆孔內(nèi)安裝測(cè)壓管，測(cè)壓管第一段為1 m的篩管。向孔內(nèi)安裝1 m左右的注漿管一段，在孔口用棉紗加聚氨酯將孔口封堵，將注漿管與測(cè)壓管固定在煤壁上，同時(shí)準(zhǔn)備水泥漿及注漿泵。待聚氨酯發(fā)泡凝固后，向注漿管內(nèi)注漿，待漿液從測(cè)壓管中返回后，停止注漿，關(guān)閉注漿管上的閥門。安裝流量計(jì)測(cè)定裝置，測(cè)定鉆孔瓦斯流量。測(cè)壓鉆孔封孔示意如圖3所示。

圖3 測(cè)壓鉆孔封孔示意

15號(hào)保護(hù)層工作面開采前3號(hào)煤層的平均瓦斯壓力為1.03 MPa，8號(hào)煤層的平均瓦斯壓力為0.55 MPa，9號(hào)煤層的平均瓦斯壓力為0.8 MPa.15號(hào)保護(hù)層工作面開采后，煤體得到充分卸壓。3號(hào)煤層的平均瓦斯壓力為0.8 MPa，8號(hào)煤層的平均瓦斯壓力為0.46 MPa，9號(hào)煤層的平均瓦斯壓力為0.63 MPa.

3) 被保護(hù)層膨脹變形量測(cè)定。8號(hào)煤層膨脹變形測(cè)定方法是在蘆南區(qū)東三主巷的15303工作面投影范圍內(nèi)布置巷道頂?shù)装遄冃螠y(cè)距器(如圖4所示)，用激光測(cè)距儀測(cè)量?jī)蓚€(gè)基點(diǎn)之間的距離并記錄。在15303工作面開采過程中，記錄同一斷面兩個(gè)測(cè)距器的距離、鋼板的傾角以及工作面距巷道的距離。

圖4 巷道變形測(cè)距方法示意

3號(hào)、9號(hào)煤層被保護(hù)層頂?shù)装迮蛎涀冃瘟坎捎蒙畈炕c(diǎn)法測(cè)定，變形鉆孔施工時(shí)，要求鉆孔進(jìn)入3號(hào)及9號(hào)煤層底板1.0 m，并詳細(xì)記錄鉆孔的穿層情況。膨脹變形量測(cè)定方法示意如圖5所示。用百分表和千分卡尺測(cè)定鋼管與鋼筋的相對(duì)位移，然后計(jì)算煤層頂?shù)装逑鄬?duì)變形。

圖5 膨脹變形量測(cè)定方法示意

3號(hào)、8號(hào)及9號(hào)煤層相對(duì)變形量隨煤層采動(dòng)的變化規(guī)律基本相同，隨著工作面推進(jìn)，工作面與測(cè)點(diǎn)的距離不斷減小，由于工作面應(yīng)力集中，煤層開始被壓縮，并隨著工作面與測(cè)點(diǎn)的位置不斷接近，壓縮值逐漸增大。3號(hào)煤層變形量最大值達(dá)到2.8‰，8號(hào)煤層變形量最大值達(dá)到4‰，9號(hào)煤層變形量最大值達(dá)到4.2‰.

4) 被保護(hù)層透氣性系數(shù)測(cè)定。煤層透氣性系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)流程與前文所述的3號(hào)及8號(hào)煤層瓦斯壓力測(cè)定實(shí)驗(yàn)打孔及封孔流程相同。上壓力表之前使用高精度流量計(jì)測(cè)定鉆孔瓦斯流量，并記錄流量與測(cè)定流量的時(shí)間(年、月、日、時(shí)、分)。一周內(nèi)每天測(cè)定一次鉆孔瓦斯流量，一周后，每?jī)商鞙y(cè)定一次鉆孔瓦斯流量，取三組測(cè)定的平均值。當(dāng)保護(hù)層工作面推過鉆孔，重新安裝壓力表，測(cè)定方法與卸壓前測(cè)定方法相同，采集一直持續(xù)到工作面推過鉆孔位置處200 m之上以后。

鉆孔瓦斯流動(dòng)是徑向不穩(wěn)定流動(dòng)，求出其流動(dòng)方程的解吸解是困難的，因此采用試算法測(cè)定煤層的透氣性系數(shù)。徑向不穩(wěn)定流動(dòng)參數(shù)計(jì)算公式[11]如下：

(1)

(2)

F0=Bλ

(3)

(4)

式中：Y為流量準(zhǔn)數(shù)；F0為時(shí)間準(zhǔn)數(shù)；A和B為關(guān)于瓦斯壓力的常數(shù)。采用F0分段表示流量準(zhǔn)數(shù)與時(shí)間準(zhǔn)數(shù)之間關(guān)系，通過表3計(jì)算出3號(hào)及8號(hào)煤層卸壓前后的透氣性系數(shù)，進(jìn)而獲得透氣性系數(shù)增大倍數(shù)。

表3 煤層透氣性系數(shù)計(jì)算公式

經(jīng)計(jì)算，3號(hào)煤層開采前透氣性系數(shù)平均值為0.078 25 m2/(MPa2·d)，開采后平均值為0.331 00 m2/(MPa2·d)，變?yōu)樵瓉淼?.23倍。8號(hào)煤層開采前透氣性系數(shù)平均值為0.129 7 m2/(MPa2·d)，開采后平均值為0.613 5 m2/(MPa2·d)，變?yōu)樵瓉淼?.73倍。9號(hào)煤層開采前透氣性系數(shù)平均值為1.605 m2/(MPa2·d)，開采后平均值為8.218 m2/(MPa2·d)，變?yōu)樵瓉淼?.12倍。

5) 被保護(hù)層卸壓范圍測(cè)定。保護(hù)層開采后，受保護(hù)層采動(dòng)影響，圍巖發(fā)生移動(dòng)變形，圍巖內(nèi)應(yīng)力降低，煤層內(nèi)透氣性變大，根據(jù)保護(hù)層開采技術(shù)規(guī)范及相關(guān)理論研究，保護(hù)層開采后，被保護(hù)層卸壓范圍受到層間距、煤層傾角、圍巖巖石力學(xué)性質(zhì)、被保護(hù)層采高等多種因素影響。15號(hào)煤層作為超遠(yuǎn)距離保護(hù)層最先開采，首先從理論上分析15號(hào)煤層開采后被保護(hù)層3號(hào)及8號(hào)煤層的有效卸壓范圍。蘆南分區(qū)15號(hào)煤層的厚約6 m，平均傾角8°，15303工作面，走向長(zhǎng)1 093 m，傾斜長(zhǎng)170 m.在15303工作面開采后被8號(hào)被保護(hù)層的理論卸壓范圍布置鉆孔，測(cè)得15號(hào)超遠(yuǎn)距離保護(hù)層開采對(duì)于上被保護(hù)煤層傾向上的卸壓角開切眼側(cè)為72°，工作面?zhèn)葹?7°，走向上的卸壓角56～60°.

3 卸壓前后預(yù)抽鉆孔抽采效果對(duì)比

3.1 抽采濃度、純量對(duì)比

保護(hù)層開采后，卸壓瓦斯?jié)舛却蟠笤龈?，通過統(tǒng)計(jì)保護(hù)層開采前后瓦斯抽采濃度和瓦斯抽采純量，探究開采保護(hù)層對(duì)瓦斯抽采的增益效果。

由圖6開采保護(hù)層前后瓦斯抽采效果對(duì)比圖所示，開采保護(hù)層后瓦斯抽采濃度和純量得到大幅度的提高。保護(hù)層開采前，預(yù)抽鉆孔平均抽采濃度為34.3%，保護(hù)層開采后，卸壓瓦斯的抽采濃度為64%，是保護(hù)層開采前濃度的1.87倍。保護(hù)層開采前，預(yù)抽鉆孔平均純量為0.051 m3/min，保護(hù)層開采后，卸壓瓦斯的平均純量為0.134 3 m3/min，是保護(hù)層開采前2.63倍。

圖6 保護(hù)層開采前后瓦斯抽采效果對(duì)比

3.2 抽采時(shí)長(zhǎng)對(duì)比

按抽采單元(100 m)計(jì)算，保護(hù)層開采前，被保護(hù)煤層預(yù)抽鉆孔需布置67個(gè)，被保護(hù)層卸壓后，瓦斯抽采鉆孔需布置20個(gè)，卸壓瓦斯抽采鉆孔日抽采量相當(dāng)于原本煤層鉆孔的11.3倍，鉆孔單元抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間為164 d，卸壓前預(yù)抽鉆孔單元抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間為558 d.計(jì)算過程如下所示：

1) 單元日抽采量計(jì)算：

Q=q×n×1 440

(5)

式中：Q為評(píng)價(jià)單元鉆孔日抽采瓦斯量，m3；n為鉆孔數(shù)量，試驗(yàn)鉆孔20個(gè)，原本煤層鉆孔67個(gè)。經(jīng)計(jì)算，卸壓前單元日抽采量為2 188.8 m3，卸壓前單元日抽采量為646.4 m3.

2) 單元達(dá)標(biāo)時(shí)間計(jì)算：

(6)

式中：WCY為煤的殘余瓦斯含量，取8 m3/t；W0為煤的原始瓦斯含量，取6號(hào)孔40 m，含量16.5 916 m3/t；G為單元煤炭?jī)?chǔ)量，取42 000 t；Q為日抽采純量，m3/min；T1為卸壓鉆孔抽采時(shí)間，取164 d；T2為原本煤層預(yù)抽鉆孔抽采時(shí)間，取558 d.

保護(hù)層開采后，100 m長(zhǎng)的被保護(hù)層預(yù)抽工作面可以節(jié)省鉆孔施工量6 840 m，卸壓瓦斯單孔預(yù)抽達(dá)標(biāo)時(shí)間減少394 d，帶來極大的經(jīng)濟(jì)和安全效益。

4 結(jié) 語

1) 開采15號(hào)保護(hù)層后，3號(hào)煤層、8號(hào)煤層、9號(hào)煤層平均瓦斯壓力分別降低了0.23 MPa、0.09 MPa、0.17 MPa，有效減弱了瓦斯突出的危險(xiǎn)性。

2) 開采15號(hào)保護(hù)層后，3號(hào)煤層、8號(hào)煤層、9號(hào)煤層透氣性系數(shù)平均值分別變?yōu)樵瓉淼?.23倍、4.73倍、5.12倍，證明遠(yuǎn)距離開采保護(hù)層是改善增強(qiáng)煤層透氣性的可行技術(shù)。

3) 通過對(duì)比回采前后8號(hào)煤層的瓦斯流量，發(fā)現(xiàn)開采保護(hù)層開采后，卸壓瓦斯的抽采濃度是保護(hù)層開采前濃度的1.87倍，卸壓瓦斯的平均純量是保護(hù)層開采前2.63倍，卸壓瓦斯單孔預(yù)抽達(dá)標(biāo)時(shí)間相比未抽采之前減少394 d.

4) 實(shí)施開采超遠(yuǎn)距離保護(hù)層技術(shù)，消除了被保護(hù)層的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)層與被保護(hù)層工作面協(xié)調(diào)開采，大幅度提升了礦井經(jīng)濟(jì)和綜合效益。