黃陵二號煤礦底板油型氣釋放規(guī)律及影響因素

殷民勝,劉耀宗

(1.陜西陜煤黃陵礦業(yè)公司,陜西 延安 727307;2.陜西彬長大佛寺礦業(yè)有限公司,陜西 咸陽 713500)

0 引言

我國是世界上的產(chǎn)煤大國,同時也是瓦斯災(zāi)害最為嚴重的國家之一[1-2]。針對工作面瓦斯自然排放規(guī)律及影響因素的相關(guān)研究是防止瓦斯事故的首要任務(wù)[3-4]。隨著新技術(shù)以及新工藝在現(xiàn)場的應(yīng)用,礦井開采強度越來越大,礦井瓦斯自然排放量逐年提升,同時,出現(xiàn)了圍巖瓦斯異常自然釋放,其中底板瓦斯自然釋放尤為嚴重,成為影響礦井安全高效開采新的致災(zāi)因素,給礦井安全生產(chǎn)帶來極大的隱患。

目前常用的研究工作面瓦斯自然釋放的方法有數(shù)值模擬和現(xiàn)場測定方法,現(xiàn)場測定法能夠更真實準(zhǔn)確地掌握工作面瓦斯的實際分布情況[5-6],數(shù)值模擬法能對現(xiàn)場瓦斯自然釋放量以及瓦斯分布進行預(yù)測[7-9]。多數(shù)學(xué)者研究對象為煤層氣[10-13],對于油型氣的研究還需要完善[14-16]。

黃陵礦區(qū)屬于典型的煤油氣共生礦區(qū),以黃陵礦區(qū)黃陵二號礦井為研究對象,對其底板油型氣自然釋放規(guī)律及影響因素展開研究,以期為油型氣治理提供一定的理論依據(jù)。

1 礦井概況

黃陵礦區(qū)位于陜北黃土高原南部的低山丘陵區(qū),地處延安地區(qū)南部,區(qū)域地層主要位于黃隴侏羅紀(jì)煤田東北部。黃陵二號煤礦屬于典型的煤油氣共生礦井,目前主要采掘活動位于二、四盤區(qū),全礦主采2號煤層。以曾經(jīng)發(fā)生過油型氣異常自然排放的工作面以及正在進行采掘活動受油型氣影響的工作面為研究對象,對油型氣自然釋放規(guī)律及其影響因素展開研究。

2 底板油型氣自然排放規(guī)律

2.1 掘進工作面底板油型氣自然排放規(guī)律

以二盤區(qū)205膠帶巷掘進工作面作為重點跟蹤考察對象,根據(jù)現(xiàn)場收集及跟蹤觀測的掘進工作面油型氣鉆孔自然釋放資料和數(shù)據(jù),通過剖析底板油型氣自然排放位置信息和地質(zhì)地層等資料,進行油型氣自然釋放規(guī)律的研究,總結(jié)出以下規(guī)律。

2.1.1 油型氣自然排放位置

通過對掘進工作面油型氣自然釋放情況進行長期的跟蹤考察,發(fā)現(xiàn)油型氣自然釋放地點主要集中在距離工作面5～10 m的位置,主要以巷道中部底鼓裂隙自然釋放為主,如圖1所示。

圖1 掘進面油型氣自然排放點分布示意

2.1.2 油型氣鉆孔涌出規(guī)律

201掘進工作面在掘進過程中采取了“邊探(抽)邊掘”油型氣探采措施,通過鉆孔油型氣探采,避免了底板油型氣向掘進工作面的直接自然釋放。雖然實際掘進中仍存在微量底板油型氣進入掘進工作面,但整體來講,掘進工作面油型氣自然釋放以鉆孔抽采為主。

掘進工作面實施的底板油型氣抽采鉆孔為超前探采鉆孔,其目的是“先探(抽)后掘”,提前抽采油型氣,防止巷道掘進過程中油型氣進入掘進工作面造成瓦斯超限等事故,此類型油型氣探采鉆孔屬于未卸壓抽采。由于鉆孔瓦斯涌出規(guī)律能夠反映儲層透氣性、儲層壓力等地質(zhì)因素,因此,為了掌握鉆孔油型氣涌出規(guī)律,在205掘進工作面掘進期間對205FY13-3、205JD11-2等4組鉆孔進行了跟蹤測試,現(xiàn)場連續(xù)跟蹤測試了11～34 d鉆孔油型氣涌出量,獲得了較為詳實的鉆孔油型氣涌出數(shù)據(jù)。根據(jù)測得的鉆孔油型氣涌出量和時間數(shù)據(jù),對鉆孔油型氣涌出規(guī)律進行分析,數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖2～5所示。

圖2 205FY13-3號孔油型氣涌出量與時間擬合關(guān)系

圖3 205FY13-6號孔油型氣涌出量與時間擬合關(guān)系

圖4 205JD10-4號孔油型氣涌出量與時間擬合關(guān)系

圖5 205JD11-2號孔油型氣涌出量與時間擬合關(guān)系

將統(tǒng)計的數(shù)據(jù)進行擬合分析,擬合結(jié)果表明,鉆孔油型氣涌出規(guī)律符合冪函數(shù),見式(1)

q=q0×(1+t)-α

(1)

式中,q為t時刻時鉆孔油型氣涌出量,m3/min;q0為鉆孔油型氣初始涌出量,m3/min;t為鉆孔油型氣涌出時間,d;α為鉆孔油型氣涌出衰減系數(shù),d-1。

根據(jù)擬合公式得到了4個鉆孔的油型氣初始涌出量和鉆孔油型氣衰減系數(shù),結(jié)合圖2～5,可以得出鉆孔油型氣涌出量衰減較快,其衰減系數(shù)為1.24～2.14 d-1,平均為1.55 d-1;擬合公式相關(guān)系數(shù)R2在0.81～0.99,擬合度較高,說明擬合的冪函數(shù)公式能夠很好地反映鉆孔油型氣涌出規(guī)律。

2.2 回采面底板油型氣自然釋放規(guī)律

底板油型氣受采動影響后裂隙溝通儲層,油型氣由裂隙進入采掘空間,造成安全隱患,因此,研究底板油型氣自然釋放規(guī)律對于指導(dǎo)抽采鉆孔設(shè)計進行工作面瓦斯防治具有重要意義。

2.2.1 底板油型氣自然釋放特征

為了統(tǒng)計底板油型氣自然釋放特征,現(xiàn)場跟蹤監(jiān)測了409工作面輔運巷底板孔抽采數(shù)據(jù),跟蹤了3個鉆場60個鉆孔,其中檢測出油型氣的鉆孔共計13個。其中1#鉆場11個,占該鉆場鉆孔數(shù)量的40%;2#鉆場和3#鉆場各1個鉆孔,故分析1號鉆場的出氣鉆孔更具有可比性。并在409輔運巷施工了底板油型氣勘查鉆孔,該處底板油型氣儲層距離2號煤層底板38 m左右,間距由里向外呈逐漸增加的趨勢。根據(jù)現(xiàn)場實際情況統(tǒng)計了13個底板油型氣自然排放鉆孔信息記錄見表1。

表1 出氣鉆孔參數(shù)表

2.2.2 底板油型氣自然釋放規(guī)律

由表1數(shù)據(jù)可知,檢測出油型氣的鉆孔垂深為22.24～33.26 m,平均25.77 m,工作面方向距離為23.00～150.00 m,平均102.32 m,僅3個鉆孔距離小于60 m,終孔距回采面距離為-65.14～-0.23 m,出氣持續(xù)時間為2～17 d,持續(xù)出氣距離為16.20～55.50 m,平均為30.05 m,鉆孔油型氣出氣量為0.03～0.74 m3/min。從垂深上分析,出氣鉆孔垂深較深均超過了22 m,由此可以判斷油型氣儲層距離煤層底板22 m以上,且距離越大抽采效果越明顯。

出氣鉆孔進入工作面距離大部分在工作面的中部位置區(qū)域,說明終孔位置越靠近工作面中心位置越有利于抽采油型氣。原因在于工作面中心區(qū)域應(yīng)力最小,裂隙向縱深方向發(fā)展越深,以及垂深越深越易形成有效鉆孔,有利于抽采油型氣。從出氣鉆孔的終孔距回采面的距離來看,出氣鉆孔終孔位置都處在回采工作面的后方,持續(xù)出氣距離為16.20～55.50 m,平均為30.05 m,說明回采面后方這段距離是受采動卸壓效果比較好的區(qū)域,這段距離為應(yīng)力增大區(qū)域,裂隙受擠壓不利于油型氣抽采。

將持續(xù)出氣時間和持續(xù)出氣距離關(guān)系繪制成圖6,可以看出持續(xù)出氣時間與持續(xù)出氣距離呈正相關(guān)關(guān)系,且相關(guān)性較好,R2為0.770 6。說明回采工作面推進速度越快,持續(xù)出氣時間越短,進入采空區(qū)的油型氣總量降低。

圖6 持續(xù)出氣時間和持續(xù)出氣距離關(guān)系

3 底板油型氣自然釋放影響因素分析

在前文研究油型氣自然釋放規(guī)律的基礎(chǔ)上,統(tǒng)計了黃陵二號煤礦建礦以來的采掘工作面及探采鉆孔油型氣異常自然釋放點共計18個,其中,二盤區(qū)主要為201、203、205及207工作面區(qū)域富縣組砂巖油型氣儲集層油型氣自然釋放點12個,四盤區(qū)主要為405、407和409工作面區(qū)域瓦窯堡組砂巖層油型氣自然釋放點5個、二盤區(qū)205工作面區(qū)域瓦窯堡組砂巖層油型氣自然釋放點1個。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果,對異常自然釋放點的儲集層厚度、埋深、地質(zhì)構(gòu)造等因素進行對比,系統(tǒng)研究各要素與油型氣自然釋放的作用及影響程度,具體影響規(guī)律如下。

3.1 儲集層厚度對底板油型氣自然釋放影響

通過對井田范圍內(nèi)205掘進面、203回采面、409回采面等3個區(qū)域的油型氣自然釋放強度進行測定,共測定10個異常自然釋放點的數(shù)據(jù),并對自然釋放點所對應(yīng)的儲集層厚度數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,繪制了二者之間的關(guān)系散點圖。由圖7可以看出,對于二盤區(qū)富縣組儲集層油型氣自然釋放強度具有隨儲集層厚度增加而減小的趨勢,二者的關(guān)系為q=-0.333mc+4.378(R2=0.150);四盤區(qū)瓦窯堡組儲集層油型氣自然釋放強度具有隨儲集層厚度增加而增加的趨勢,二者的趨勢關(guān)系符合q=0.222mc-2.299(R2=0.337)。

圖7 油型氣自然釋放強度與儲集層厚度關(guān)系

3.2 儲集層埋深對底板油型氣自然釋放影響

從目前所揭露的油型氣富集區(qū)的油型氣自然釋放量與儲集層埋深的散點圖(圖8)可以看出,隨著儲集層埋藏深度的增加,油型氣自然釋放量呈現(xiàn)出減小的趨勢,二者顯示出負相關(guān)關(guān)系,但相關(guān)性不大,數(shù)據(jù)較離散。同時,對于同一儲集層來講,二盤區(qū)富縣組和四盤區(qū)瓦窯堡組儲集層埋藏深度與自然釋放量無明顯關(guān)系。

圖8 油型氣自然釋放量與儲集層埋深關(guān)系

3.3 地質(zhì)構(gòu)造對底板油型氣自然釋放影響

統(tǒng)計油型氣自然釋放點共計18個,其中處于背斜構(gòu)造部位的有13個、向斜構(gòu)造部位的有4個、背斜和儲集層裂隙雙重構(gòu)造的有1個,分別占總數(shù)量的百分比為72%、22%和6%,結(jié)果如圖9所示。

圖9 各地質(zhì)要素相關(guān)的自然釋放點比例構(gòu)成

從建立的油型氣自然四方強度與各地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系圖(圖9)可以看出,在影響油型氣自然釋放的各地質(zhì)要素內(nèi),油型氣自然釋放有強有弱,即在各地質(zhì)要素內(nèi),均有可能發(fā)生油型氣自然釋放。需要強調(diào)的是,在背斜和裂隙的雙重控制下,鉆孔油型氣自然排放強度較其他單一要素控制下的強度要大很多,如圖10所示。

圖10 油型氣自然釋放量與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系

綜上所述,油型氣自然釋放與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系較為密切,目前發(fā)生的自然排放點均處于背斜、向斜等構(gòu)造部位,受地質(zhì)構(gòu)造的控制作用較明顯。在多種地質(zhì)因素綜合作用下,油型氣自然釋放更為強烈。不論是富縣組砂巖層油型氣還是瓦窯堡組砂巖層油型氣,對底板油型氣自然釋放影響較為顯著的影響因素為地質(zhì)構(gòu)造。

結(jié)合以上分析所得特征及規(guī)律,在巷道掘進前,需要根據(jù)地質(zhì)勘探鉆孔以及鄰近區(qū)域油型氣分布資料進行油型氣分布預(yù)測,布置超前探采鉆孔進行油型氣預(yù)抽;工作面回采時,油型氣抽采鉆孔的終孔位置需要布置在靠近儲層、鉆孔終孔位置靠近工作面中心位置且處于回采面后方受采動卸壓效果比較好的區(qū)域。

4 結(jié)論

(1)通過對掘進工作面底板油型氣自然釋放位置及持續(xù)時間進行統(tǒng)計分析,得出油型氣自然釋放量與持續(xù)時間符合冪指數(shù)關(guān)系,涌出衰減系數(shù)平均為1.55 d-1。

(2)通過對回采面出氣鉆孔數(shù)據(jù)分析可知,鉆孔終孔垂深越靠近儲層、鉆孔終孔位置越靠近工作面中心位置且處于回采面后方受采動卸壓效果比較好的區(qū)域時,最有利于抽采油型氣。

(3)通過對儲層厚度、儲集層埋深和地質(zhì)構(gòu)造對底板油型氣自然釋放影響進行分析,認為地質(zhì)構(gòu)造是影響油型氣自然釋放的主控因素,在采掘過程中應(yīng)該先探后采。