山西某礦井煤層瓦斯賦存特征及抽放方案優化

趙建盛

(山西汾西礦業集團高陽煤礦)

在鉆孔瓦斯抽放過程中，瓦斯賦存條件、鉆孔抽放參數(如鉆孔半徑、鉆孔抽放負壓等)對瓦斯抽放效率、濃度均有重要影響。本研究以山西某礦為例，對該礦煤層瓦斯賦存特征進行分析，并對瓦斯的基礎技術參數進行測定。在此基礎上，通過評價礦井瓦斯抽放效果，進一步對抽放方案進行優化。

1 煤層瓦斯賦存情況

目前，該礦一、二水平均已開采完畢，正在采掘三水平，四水平處于施工階段，礦井瓦斯儲量估算以三水平瓦斯含量為主。近年來，該礦經過多次井田邊界劃分，也經過多次生產改造，瓦斯濃度有所降低(表1)。受復雜地質條件的影響，該礦瓦斯涌出不規律，有突出性危險[1-4]，屬煤與瓦斯突出型礦井。

表1 礦井瓦斯等級鑒定結果

2 礦井煤層瓦斯基礎技術參數測定

2.1 煤層瓦斯壓力

本研究選擇人工方法實測該礦三水平煤層瓦斯壓力值[5]。在距離測量煤層8 m以外區域打鉆孔，孔徑不小于0.05 m，在保證孔口完整的條件下使鉆孔穿透煤層；鉆孔布置完畢后需對鉆孔內部進行清理，防止堵孔，并將加工后的鍍鋅鐵管(長度與鉆孔長度相當，直徑約5 mm)放入鉆孔內，鍍鋅鐵管一端頭部加工成扁形導氣孔，采用固體材料(水泥砂漿)封孔；應用礦用2NB(BW)50型泥漿泵，封孔采用水泥料漿(水與水泥質量比為1∶0.5)封孔，封孔深度為5 m；封孔完畢后，安裝壓力表，待3個月后表壓穩定，即可測定煤層瓦斯壓力。經實測，該礦三水平22#煤層初始瓦斯壓力平均值為2.46 MPa。

2.2 煤層瓦斯含量

一般來說，煤層瓦斯含量測定主要有地勘解析法、井下解析法以及間接估算法[6-7]。本研究采用井下解析法測定該礦三水平22-1#、22-2#煤層瓦斯含量，結果見表2。

表2 22#煤層瓦斯工業參數

2.3 煤層透氣性系數

本研究假定鉆孔瓦斯抽放中瓦斯流動為徑向非穩流，并根據22#煤層瓦斯壓力、含量等參數，計算出該煤層透氣性系數為1.445 906 m2/(MPa2·d)。

2.4 鉆孔瓦斯流量和衰減系數

自然狀態下的鉆孔瓦斯流量(q0)和瓦斯流量衰減系數(α)的測定步驟為：①向含新鮮暴露煤壁的煤層打孔(鉆孔直徑70 mm，鉆孔長35 m)，鉆孔完畢后立即封孔并檢查氣密性；②測量一定時間間隔下的鉆孔自然瓦斯流量qt，多組測定值(ti，qi)(i為測量次數)中按下式

qt=q0e-αt，

回歸分析得出的q0和α值分別為3.860 259m3/min和0.027 96。

3 22#煤層瓦斯抽放效果

(1)三水平北二石門15#煤層右三段于2015年2月始抽，現有抽放鉆孔5 000個，預抽率達到27%，采用底板巖巷穿層瓦斯預抽技術，在標高-240m運輸巷內向煤層打穿層鉆孔。

(2)三水平北二石門15#煤層右二段于2015年4月開始抽采，工程量底板巷道長260m，抽放鉆孔300個，總長20 000m，鋪設瓦斯抽放管路400m。該段預抽率達到30%，采用底板巖巷穿層打孔以及煤巷順層鉆孔瓦斯預抽技術，在標高-160m底板巷道向煤層打穿層預抽鉆孔，每個鉆場呈扇形布置鉆孔，鉆孔數量為20～30個；在機道沿煤層傾向、走向布置順層預抽鉆孔，在機道每隔50m施工1個抽放鉆場，每個鉆場鉆孔按照扇形布置，施工鉆孔20～30個。

(3)三水平北二石門22#煤層右三段計劃抽采時間為2015全年，工程量施工高位鉆場4個，抽放鉆孔180個，總長12 000m，鋪設瓦斯抽放管路800m，預抽率為18.5%。該區為新區，采用沿煤巷布置順層鉆孔瓦斯預抽技術，在機道沿煤層傾向、走向布置順層預抽鉆孔，在機道每個鉆場內布置20～30個鉆孔，機道抽放鉆場間距為50m，鉆孔呈扇形布置；回風道按要求施工4個高位鉆場，鉆場內鉆孔數量不少于10個。

(4)三水平北二石門22#煤層右四段工作面開采期間的回風流瓦斯濃度0.24%，回風風速1.03m/s，回風風量560m3/min，工作面絕對瓦斯涌出量3m3/min，抽采時間達3個月，抽采純瓦斯流量1.62m3/min。該區應用走向高位鉆孔瓦斯抽放技術，同時利用上分段機道作為頂板巷，采用頂板巷道瓦斯抽放方法，抽放率達到54%。

該礦利用地面永久瓦斯抽放泵站，通過抽放管路對接抽采鉆孔實施抽放，并將瓦斯通過排放管路鋪設至地面[8-10]。瓦斯抽采泵及其附屬設備至少應有1套備用，使用專用線路供電，專人看管抽放泵，每小時填寫1遍抽放記錄。鉆孔每布置完1組后，立即用專用封孔泵封孔、下套管，封孔套管長度不小于10m，套管出口距巷壁不大于100mm(出口處焊接水針用于測量單孔參數)。該礦2015年度計劃抽采瓦斯520萬m3，實際瓦斯抽采量僅335萬m3。總體上，礦井瓦斯抽放率僅為32%，采煤工作面瓦斯抽放率僅為35%，瓦斯抽采濃度也達不到設計要求[11]。

4 瓦斯抽放方案優化

本研究在3N2石門22#煤層右三段溜子道施工了順層瓦斯抽放鉆孔，在回風道施工了高位鉆場布置走向高位鉆孔。該區煤層厚度8m，走向長206m，傾斜長120m，煤層硬度中等。煤層層理、節理發育，密度1.4t/m3，工作面絕對瓦斯涌出量4.3m3/min，頂板為中砂巖，底板為細砂巖[11]。瓦斯抽放管路布置如圖1所示。

圖1 抽采面管路布置示意

在溜子道布置順層抽采鉆孔，每孔長約90 m，每間隔7 m布置1個預抽鉆孔，鉆孔總工程量為2 610 m。鉆孔角度根據打鉆實際見煤情況隨時進行調整，由于22#煤層屬于中厚煤層，煤層傾角不大(6°～10°)，故將瓦斯抽放鉆孔的傾角設計為7°～12°。打鉆時，鉆機機長需隨身攜帶1臺便攜式甲烷檢測報警儀，并將其處于開機狀態，隨時監測施工鉆場內的瓦斯濃度(鉆場內瓦斯濃度不宜超過1%)。同時要求施工人員嚴格按照封孔程序操作，封孔完畢后完成抽采鉆孔與抽采管路的連接。選用2BEA-353型抽采泵，將抽放負壓值由-25 kPa調整為-30 kPa，將鉆孔直徑由0.072 m調整為0.086 m，對該工作面進行為期100 d的抽采試驗。

22#煤層右三段工作面瓦斯抽放期間的鉆孔瓦斯抽放量、抽放濃度等數據如圖2所示。通過對比分析該礦其余工作面瓦斯抽放效果可知，提高瓦斯抽放負壓有助于縮短煤層瓦斯抽放時間，增大鉆孔有效抽放半徑；盡管增大抽放直徑并未對煤層瓦斯壓力的整體變化趨勢有較大影響，但使得鉆孔瓦斯流量在一定程度上有所增加。

圖2 工作面瓦斯抽放效果

5 結 語

對山西某礦22#煤層瓦斯基礎技術參數進行了測定，對該煤層瓦斯抽放效果進行了評價，認為該煤層瓦斯抽放效果總體不理想。在此基礎上，選取3N2石門22層右三段溜子道進行瓦斯抽放方案優化試驗，將抽放負壓由-25 kPa提高至-30 kPa，鉆孔直徑由0.072 m增大至0.086 m。試驗表明：方案優化后，有助于縮短煤層瓦斯抽放時間，增加鉆孔瓦斯流量，瓦斯抽放效果也得到了大幅提升。