瓦斯治理中己15.16-24070 順層鉆孔抽采優(yōu)化研究

趙春輝

（中國平煤神馬控股集團(tuán)平煤股份煤炭開采利用研究院瓦斯所實(shí)驗(yàn)室，河南 平頂山 467000）

1 研究背景

根據(jù)平煤股份十礦煤層構(gòu)造、賦存瓦斯含量及瓦斯壓力等地質(zhì)條件，將己15.16-24 070 風(fēng)巷外段作為研究對象，基本參數(shù)為：標(biāo)高為-623～-526 m，原始瓦斯含量為11.98 m3/t，煤層走向?yàn)?10°，傾向?yàn)?30°，煤厚為2.8～4.2 m，煤層傾角為12°～20°，且賦存穩(wěn)定，直接頂板為中厚層狀泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚度為5.2～7.0 m，其中上部為砂質(zhì)泥巖，致密；下部為薄層碳質(zhì)泥巖，巖性較弱，強(qiáng)度低，易碎；底板為砂質(zhì)泥巖，厚度為1.30～6.5m，東薄西厚，屬松軟底板。在該條件下，選擇在煤層上部開采保護(hù)層，但是頂板砂質(zhì)泥巖較硬，開采保護(hù)層施工困難且成本較高，不符合該礦實(shí)際施工條件和生產(chǎn)要求，故該煤層不采用開采保護(hù)層的方法。

抽采鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯是礦井瓦斯抽采的重要方法，是突出危險(xiǎn)煤層采掘工程中防突的基本措施。本次以平煤股份十礦己15.16-24 070 為研究對象，通過向煤層內(nèi)布置大量且密集的鉆孔，使地應(yīng)力下降、透氣性系數(shù)和煤的堅(jiān)固性系數(shù)提高，以達(dá)到利用優(yōu)化鉆孔消除突出危險(xiǎn)的目的。

2 瓦斯運(yùn)移模式

鉆孔周圍瓦斯擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是比較緩慢的過程，前期排出的瓦斯主要是游離態(tài)，靠近鉆孔孔壁的瓦斯先排出孔壁外，煤體內(nèi)外瓦斯形成濃度差，瓦斯從裂隙里向外擴(kuò)散流出，使煤層內(nèi)瓦斯?jié)舛冉档?，瓦斯壓力減小。針對煤層瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行的研究分析發(fā)現(xiàn)[1]，要打破煤層中的瓦斯壓力平衡，使煤層局部卸壓，同時(shí)排放瓦斯釋放其潛能，經(jīng)過長時(shí)間的鉆孔預(yù)抽，降低瓦斯壓力和瓦斯含量，從而使其卸壓。

圖1 為鉆孔周圍瓦斯運(yùn)移變化圖。由圖1 可知，在d1階段，鉆孔周圍煤層變化，產(chǎn)生細(xì)微裂隙，裂隙相對較大，瓦斯涌出量較多，向孔壁涌出，此時(shí)，瓦斯運(yùn)移以菲克擴(kuò)散為主；在d2階段，煤體壓力逐漸平衡，裂隙孔隙也由大變小逐漸填實(shí)，瓦斯涌出量由大變小，即過渡型擴(kuò)散[2]，在煤體中吸附態(tài)瓦斯減少，瓦斯運(yùn)移以滲流為主；在d3階段，煤體壓力平衡，裂隙孔隙結(jié)構(gòu)不會(huì)變化，瓦斯?jié)B流基本停止，瓦斯不再發(fā)生運(yùn)移。

圖1 鉆孔周圍瓦斯運(yùn)移變化圖

3 順層鉆孔優(yōu)化

3.1 優(yōu)化抽采鉆孔方法

在鉆孔作業(yè)時(shí)，影響因素有：鉆孔的角度、長度、鉆孔個(gè)數(shù)、孔徑和孔間距等[3]，根據(jù)煤層賦存條件、開采方法和巷道布置的不同，主要采用以下兩種方法進(jìn)行鉆孔優(yōu)化，以達(dá)到增加煤層瓦斯流動(dòng)、提高鉆孔抽采效果的目的。

3.1.1 增大鉆孔半徑和長度

當(dāng)鉆孔瓦斯流動(dòng)半徑R=10 m、其他參數(shù)不變的情況下，如果鉆孔半徑從0.1 m 增加到1 m，則鉆孔瓦斯流量的變化率為2，即鉆孔半徑增加到10 倍，鉆孔瓦斯流量增加到2 倍[4]。研究區(qū)在鉆孔施工工藝允許的條件下，應(yīng)盡可能加大鉆孔的直徑、增加鉆孔的見煤長度，以提高鉆孔瓦斯抽采量[5]。

3.1.2 增加鉆孔密度

對于低透氣性煤層，每個(gè)鉆孔控制的瓦斯的流動(dòng)場的范圍是比較小的，隨著時(shí)間的不斷增加，瓦斯的流動(dòng)場擴(kuò)展的范圍也相對較小。研究區(qū)為增加鉆孔密度且同時(shí)縮短鉆孔間距，達(dá)到相鄰兩個(gè)鉆孔間瓦斯流動(dòng)半徑相切，互不影響[6]。當(dāng)鉆孔密度達(dá)到一定程度時(shí)，對煤層起到卸壓作用。圖2 為不同鉆孔間距的抽采效果。由圖2 可知，預(yù)抽中瓦斯的流動(dòng)場相互不受干擾時(shí)，能有效提高煤層瓦斯抽采量。

圖2 不同鉆孔間距的抽采效果

3.2 鉆孔設(shè)計(jì)與施工

回采工作面的區(qū)域瓦斯治理措施采用順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯，傾斜長度為205～245 m，回采巷道布置試驗(yàn)鉆孔布置在巷道里程85 m 向里的210 m 區(qū)域，煤層平均厚度為3.5 m，煤層傾角為12°，鉆孔采用94 mm 鉆頭，成孔直徑為110 mm，鉆孔設(shè)計(jì)孔深為35～65 m。在研究區(qū)沿煤層施工4 組平行鉆孔，每組設(shè)計(jì)10 個(gè)鉆孔，每組鉆孔之間的距離分別為1.4 m（第一組）、2.2m（第二組）、3.0m（第三組） 和3.8 m（第四組）。圖3 為己15.16-24070 工作面鉆孔布置示意圖。

圖3 己15.16-24070 工作面鉆孔布置示意圖

巷道鋪設(shè)兩趟抽放管路，一趟304.8 mm（12 in）的管路直接由地面永久瓦斯抽采泵站進(jìn)行抽采，抽采系統(tǒng)穩(wěn)定，抽采能力充足；另一趟203.2 mm（8 in）的管路對平煤股份十二礦己15-17180、己15-17 200 采空區(qū)進(jìn)行抽放發(fā)電。抽采系統(tǒng)安裝有若干套抽采自動(dòng)計(jì)量監(jiān)控裝置（GLY 管道流量傳感器、GJG100h（c） 管道紅外傳感器），對瓦斯抽采濃度、管路負(fù)壓、抽采量等實(shí)時(shí)監(jiān)控和準(zhǔn)確計(jì)量。

各組考察鉆孔瓦斯流動(dòng)半徑分別為0.5 m、1.0 m、1.5 m 和2.0 m。鉆孔設(shè)計(jì)長度為65 m，鉆孔孔徑為110 mm，封孔深度為11 m，封孔采用囊袋+膨脹水泥的“兩堵一注”封孔方式[7]。鉆孔在封孔后，分組計(jì)算抽采量。己15.16-24070 風(fēng)巷考察鉆孔施工參數(shù)詳見表1。

表1 己15.16-24070 風(fēng)巷考察鉆孔施工參數(shù)表

4 鉆孔效果檢驗(yàn)

4.1 鉆孔參數(shù)指標(biāo)檢驗(yàn)

研究區(qū)原始瓦斯含量為11.93 m3/t，對回采工作面進(jìn)行鉆孔瓦斯預(yù)抽后，檢驗(yàn)研究區(qū)是否有突出危險(xiǎn)，其指標(biāo)主要采用煤層殘余瓦斯含量和施工檢驗(yàn)孔過程中是否發(fā)生噴孔、頂鉆、夾鉆及其他明顯突出預(yù)兆。各組檢驗(yàn)鉆孔實(shí)測殘余瓦斯含量平均值分別 為6.13 m3/t、5.44 m3/t、6.61 m3/t、7.11 m3/t，所有檢驗(yàn)鉆孔均未發(fā)生鉆孔瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象。

在工作面消突方面，由實(shí)際參數(shù)監(jiān)測，分析出各組殘余瓦斯含量均小于8.00 m3/t，根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》第五十三條規(guī)定，評(píng)判研究區(qū)為無突出危險(xiǎn)區(qū)。由此提出一種瓦斯治理信息管理框架，以滿足瓦斯治理過程中各類信息接入和管理的需求[8]，創(chuàng)新了煤礦瓦斯治理工作管理模式。在抽采達(dá)標(biāo)方面，按照煤礦安全生產(chǎn)需要，采取區(qū)域措施后，根據(jù)己15.16-24 070 工作面可解吸瓦斯含量應(yīng)達(dá)到的指標(biāo)（見表2），研究區(qū)井下可解吸瓦斯含量不大于6.00 m3/t，試驗(yàn)室煤樣殘存瓦斯含量為1.46 m3/t。根據(jù)《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》，預(yù)抽后可解吸瓦斯含量和殘余瓦斯含量不大于7.52 m3/t。由以上數(shù)據(jù)得出：瓦斯預(yù)抽率應(yīng)達(dá)到24.32%。結(jié)合效檢結(jié)果分析的實(shí)際抽放半徑見表3。

表2 己15.16-24070 工作面可解吸瓦斯含量應(yīng)達(dá)到的指標(biāo)

表3 結(jié)合效檢結(jié)果分析的實(shí)際抽放半徑

4.2 鉆孔實(shí)際抽采效果

孔板安裝完成后，每天八點(diǎn)班安排專人測定并記錄抽采參數(shù)，根據(jù)抽采效果監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，第一組區(qū)域瓦斯儲(chǔ)量為29 460 m3，150 d 累計(jì)抽放量為7 697.89 m3，抽采率達(dá)26.13%；第二組區(qū)域瓦斯儲(chǔ)量為44 191 m3，150 d 累計(jì)抽放量為11 162.65 m3，抽采率達(dá)25.26%；第三組區(qū)域瓦斯儲(chǔ)量為58 921 m3，150 d 累計(jì)抽放量為16 497.84 m3，抽采率達(dá)27.97%；第四組區(qū)域瓦斯儲(chǔ)量為73 651 m3，150 d 累計(jì)抽放量為17 897.81 m3，抽采率達(dá)24.32%。

根據(jù)抽采指標(biāo)和實(shí)際抽放半徑監(jiān)測數(shù)據(jù)得出，己15.16-24070 順層鉆孔抽采的有效抽放半徑為2 m、抽采時(shí)間為150 d，第一組、第二組、第三組、第四組的平均抽采率達(dá)25.92%，可解吸瓦斯含量平均為6.00 m3/t，達(dá)到了降低瓦斯壓力的目的。

5 結(jié)論

通過對平煤股份十礦己15.16-24070 研究區(qū)順層鉆孔抽采優(yōu)化研究，有效地消除了研究區(qū)煤與瓦斯突出的隱患，達(dá)到了煤層卸壓、瓦斯抽排的目的。研究區(qū)預(yù)抽瓦斯措施實(shí)施后，可解吸瓦斯含量不大于6.00 m3/t，實(shí)驗(yàn)室煤樣殘存瓦斯含量為1.46 m3/t，符合《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》，同時(shí)4 組優(yōu)化鉆孔瓦斯預(yù)抽期均不大于180 d。此次研究針對順層鉆孔優(yōu)化，因地制宜，合理布孔，為高效抽采煤層瓦斯提供了理論參考和技術(shù)支撐，達(dá)到了利用鉆孔消除突出危險(xiǎn)的目的。