常村煤礦瓦斯抽放鉆孔合理封孔位置研究

延 安

(山西潞安礦業集團公司 常村煤礦，山西 長治 046000)

·試驗研究·

常村煤礦瓦斯抽放鉆孔合理封孔位置研究

延 安

(山西潞安礦業集團公司 常村煤礦，山西 長治 046000)

通過對常村煤礦3號煤層石門揭煤前瓦斯壓力的現場測定和實驗室測定，結果表明，3號煤層具有一般突出危險性。3號煤層埋藏較深，有可能存在局部瓦斯積聚的可能性，在巷道內通過穩流法測定了合理的抽放鉆孔封孔長度為11 m，現場不同位置抽放瓦斯結果表明，合理的封孔位置能夠有效地提高瓦斯抽放濃度，降低煤層固有的瓦斯壓力，進而消除瓦斯壓力過大導致的復合動力災害顯現。

瓦斯壓力；封孔位置；穩流法；鉆孔

煤與瓦斯突出是指在高應力和瓦斯壓力的共同作用下，煤與瓦斯在很短時間內突然連續地自煤壁拋向巷道空間所引起的動力現象。沖擊地壓是指高應力狀態下煤巖體中的能量突然釋放，產生的動力將煤巖拋向巷道空間，并伴隨有強烈聲響的動力現象。由于兩種動力災害發生條件差異較大，且在淺部礦井中兩種動力災害一般不會重疊發生，以往對兩種災害機理和防治方面的科學研究基本是平行開展的，少有交叉。近年來，埋深小于600 m的煤炭資源逐漸枯竭，開采深度以每年20 m的速度向深部發展，因此，開展深部具有沖擊、突出復合型動力災害危險煤層的誘發機制及防治研究，對深部煤炭資源安全高效開采具有重要意義。

1 地質概況

常村礦有可采煤層3號煤層，屬穩定煤層，全區可采。3號煤層結構單一，煤厚較為穩定，平均煤厚6.48 m，平均傾角3°，容重1.40 t/m3，堅固性系數為0.9～1.3，綜放開采。礦井絕對瓦斯涌出量為10.5 m3/min，屬瓦斯礦井。3號煤層標高+546～+590 m，地表標高+940～+998 m，平均開采深度達430 m，屬于中深部開采。

2 瓦斯壓力測定

對于3號煤層開采，在石門揭煤之前對煤層瓦斯壓力進行了測定。通過在井底聯絡巷道內布置4個上行穿層鉆孔，對3號煤層的瓦斯壓力進行精確的測量。1號、2號、3號和4號鉆孔具體布置情況見圖1.

封孔質量是確保鉆孔準確測定煤層瓦斯壓力的重要因素。為了提高封孔質量，本次3號煤層瓦斯壓力測定采用注漿泵進行注漿封孔。本次測壓鉆孔注漿封孔長度嚴格按有關規定，避開了煤層采動影響范圍。測壓管為d15 mm的鐵管連接而成，前端的第一根鐵管為篩孔管，將測壓管安裝在鉆孔中預定的封孔深度，孔口用馬麗散堵住并固定測壓管，安裝好注漿管。為防止水泥漿凝固后因收縮產生裂隙，根據封孔深度，在水泥漿中加入一定比例的膨脹劑，再按一定比例配制好水泥漿后，用注漿泵一次性連續將水泥漿注入鉆孔內，直至注到預定深度。本次3號煤層4個測壓鉆孔均按要求封孔到位，測定結果見表1.

根據表1可知，1號～4號鉆孔的煤層瓦斯壓力依次為：0.43 MPa、0.35 MPa、0.42 MPa和0.40 MPa，平均瓦斯壓力值為0.4 MPa，煤層瓦斯壓力變化幅度較小，且瓦斯壓力處于中等偏下水平。

圖1 測瓦斯壓力鉆孔剖面示意圖

表1 測壓鉆孔具體參數值表

鉆孔編號巷道底板標高/m鉆孔開孔標高/m封孔長度/m見煤標高/m埋深/m瓦斯壓力/MPa1+546 0+547 521+512 5422 50 432+546 0+546 928+508 1416 90 353+557 8+558 816+515 0432 50 424+557 8+559 316+514 6408 20 40

對現場3號煤層取煤樣進行實驗室測定，主要測定瓦斯放散初速度(△P)和煤的堅固性系數(f)兩個指標。測定結果見表2.

表2 3號煤層突出危險性各項指標測定結果表

結合現場測定的瓦斯壓力值，實驗室測定的瓦斯放散初速度(△P)和煤的堅固性系數(f)，基于突出危險臨界值進行判定可知，3號煤層具有一般突出危險性，可以較安全的進行石門揭煤，進而對3號煤層進行掘進布置回采工作面。

3 瓦斯抽放孔合理封孔位置

煤體是一種特殊的材料體，其在自身固體的基礎上，還在內部結構中存儲著一定量的瓦斯氣體，如圖2所示，可以將煤體發生的動力災害細分為4類，其中以瓦斯壓力釋放能量誘導的破壞和以煤巖體應力集中釋放能量誘導的破壞分別被稱作煤與瓦斯突出和沖擊地壓，而介于二者之間，瓦斯壓力和煤巖體應力集中共同作用誘發的動力災害，稱之為復合動力災害。復合動力災害又依據瓦斯壓力與應力集中釋放能量的大小分為突出-沖擊型和沖擊-突出型兩種復合動力災害。

圖2 動力災害劃分圖

3號煤層埋深較大，且瓦斯壓力較大，3號煤層布置工作面回采前，如果不進行有效的瓦斯抽采卸壓，很容易在工作面回采過程中誘發復合動力災害，進而對礦井的安全高效生產造成嚴重影響。

圖3 M28煤層透氣性與圍巖應力關系圖

在3號煤層某一工作面的運輸巷中布置1#、2#和3#瓦斯抽采試驗鉆孔，鉆孔間距50 m. 同時，在回風巷中布置4#、5#和6#瓦斯抽采試驗鉆孔，鉆孔間距也為50 m. 使用穩流設備對實體煤幫煤體透氣性進行測定，測定工藝見圖3a)，兩個封孔膠囊之間距離1 m，通過往膠囊中注水實現封孔的效果，再通過調壓閥向兩膠囊之間形成的密閉空間內注入惰性氣體(N2)，通過監測恒壓作用下流量的變化規律，實現分段監測煤體透氣性。現場6個試驗鉆孔測定結果見圖3b)，從圖3數據變化規律可知，由于巷道表面圍巖較破碎，因此，該區域流量較大，最大達0.57 L/min. 隨著向煤壁深處測定，流量逐漸減小，在距巷幫煤壁約11 m的位置處，流量趨于穩定。從圖3c)中6個試驗鉆孔流量平均值變化規律與模擬巷幫煤體中應力變化規律可以看出，巷幫應力峰值點的位置與流量穩流點的位置基本吻合，說明煤體的透氣性隨著應力的增高而降低，在應力峰值位置處透氣性最差，再往深處煤體處于彈性區，不受巷道采掘影響，因此流量變化不大。

4 現場工業性試驗

現場對巷幫煤體實施不同深度封孔負壓抽采，瓦斯濃度曲線見圖4. 1#、2#和3#瓦斯抽采試驗鉆孔封孔位置為11 m處，4#、5#和6#瓦斯抽采試驗鉆孔封孔位置為5 m處。從圖4可以看出，合理的封孔位置可以有效地提高煤體瓦斯抽放濃度，在11 m位置處封孔平均瓦斯抽放濃度由原來的最高為35.7%提高至最高達67.1%，抽放效率提高了88%. 抽放38天后，抽放瓦斯濃度依舊能與封孔位置在5 m處初始抽放濃度一致，可見合理的封孔位置可有效提高對煤層瓦斯的抽放效果，從而大幅度降低煤層固有的瓦斯壓力，進而消除瓦斯壓力過大導致釋放能量誘發的突出破壞。

圖4 不同封孔深度瓦斯抽采效果對比圖

5 結 論

通過對3號煤層瓦斯壓力測定和實驗室參數測定，可知3號煤層具有一般突出危險性。由于煤層埋藏較深，在煤層布置回采工作面開采前，需要進行瓦斯抽采卸壓。現場工業性試驗表明，封孔位置為11 m時抽采效率最高，合理的封孔位置有效提高了對煤層瓦斯的抽放效果，從而大幅降低了煤層固有的瓦斯壓力，進而消除瓦斯壓力過大導致釋放能量誘發的突出破壞。

[1] 袁瑞甫.深部礦井沖擊-突出復合動力災害的特點及防治技術[J].煤炭科學技術，2013，41(8)：6-10.

[2] 林士良，馬春笑，王廣杰.深井煤巷掘進沖擊地壓與瓦斯突出綜合防治技術[J].中州煤炭，2009(7)：83-85.

Study on Reasonable Sealing Location of Gas Drainage Drilling in Changcun Coal Mine

YAN An

On-site monitoring and measurement on gas pressure before mining in No.3 coal seam show that the No. 3 coal seam is of general outburst risk. Due to the relative deep in deposit for the No.3 coal seam, it is more inclined to partial gas accumulation. By the application of steady flow method, a reasonable borehole sealing length of 11meters is determined in the roadway with the location varies in gas drainage, practice show that reasonable sealing location can effectively improve the gas concentration, reduce the gas pressure inherent in the coal seam, and eliminate the complex dynamic disaster caused by the excessive gas pressure.

Gas pressure; Sealing position; Steady flow method

2016-12-12

延 安(1990—)，男，山西長治人，2011年畢業于中國礦業大學，助理工程師，主要從事煤礦井下生產管理方面的工作

(E-mail)zengqiang5@126.com

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1672-0652(2017)01-0031-03