多煤層條件下高位鉆孔瓦斯抽采層位優選研究

郭新紅，任仲久

（1.霍州煤電集團河津騰暉煤業有限責任公司，山西 運城043300；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

受開采活動影響，鄰近煤層卸壓瓦斯通過采動裂隙進入主采煤層采空區并涌入回采工作面，威脅著煤礦生產的安全，多煤層條件下復雜來源瓦斯加大了采空區瓦斯治理的難度。高位鉆孔抽采瓦斯作為治理采空區瓦斯的有效措施被廣泛應用[1]，其抽采層位的確定尤為關鍵。國內外學者針對煤礦井下開采過程中高位鉆孔瓦斯抽采問題開展了大量的研究。李樹剛等[2]采用相似模擬試驗及理論分析，研究不同采高下覆巖壓實區的動態演化特征，發現了采空區覆巖壓實區的采高效應，為采空區高位鉆孔布置及參數優化提供了借鑒。孫榮軍等[3]基于頂板高位鉆孔抽采采空區和上隅角瓦斯抽采技術原理，提出由預抽鉆孔和高位鉆孔構建的煤與瓦斯共采體系；畢慧杰等[4]基于成莊礦工程實踐，通過采用理論及數學模型分析方法研究不同層位的高位鉆孔的瓦斯抽采效果，據此得出高位鉆孔最佳布置層位，并成功應用；趙燦[5]通過建立采空區非均質滲流模型，結合離散元方法計算出高位鉆孔的布置層位，并揭示了高位鉆孔治理的作用機理；李春元等[6]應用離散元數值軟件結合關鍵層理論研究了基于頂板來壓影響及瓦斯宏觀流動通道變化的高位抽采鉆孔終孔位置、鉆場間距及鉆孔接續的確定方法及設計技術；徐剛等[7]針對特厚煤層綜放工作面瓦斯超限難題，采用理論分析、物理實驗及數值模擬相結合的方式研究采空區覆巖演化規律，確定了采空區瓦斯抽采的有利區域，提出了低-中-高位鉆孔相結合的抽采方案，并進行了工程應用；王依磊[8]通過綜放工作面瓦斯涌出量預測結果分析，制定了針對性高位鉆孔瓦斯治理方案。上述研究大多基于采動覆巖運動確定高位鉆孔瓦斯抽采層位，未考慮多煤層條件下鄰近煤層卸壓瓦斯涌出比例對采空區瓦斯抽采層位選擇的影響，為此提出了一種確定多煤層采空區高位瓦斯抽采鉆孔最佳層位的技術思路，并在我國山西騰暉煤礦進行了現場應用，驗證了該方法的可行性。

1 采空區瓦斯抽采比例識別方法

1.1 技術思路

瓦斯抽采比例識別方法流程如圖1。

圖1 瓦斯抽采比例識別方法流程Fig.1 Gas extraction proportion identification method flow chart

首先收集研究礦井基礎資料，選擇研究工作面并確定本煤層采動范圍內煤層（即鄰近煤層）賦存情況；采集本煤層及鄰近煤層煤樣，使用瓦斯解吸裝置將煤樣中瓦斯解吸出來，采集不同層位高位鉆孔抽采的采空區混合氣體；對煤層解吸瓦斯及采空區混合氣體進行氣體組分及穩定碳氫同位素測定；通過同位素多源瓦斯識別模型計算不同層位采空區抽采瓦斯中各煤層瓦斯來源占比。

1.2 同位素多源瓦斯識別模型

瓦斯組分的碳同位素組成可以用作煤層瓦斯的識別符。煤樣解吸瓦斯的碳同位素可以用來確定煤層氣的來源[9]。通常用δ值表示碳同位素，可按式（1）計算：

式中：RS為樣品中同位素比值；RA為參照物中同位素比值。

根據質量守恒和體積比,從碳同位素的定義出發，推導出了二源瓦斯氣體中碳同位素值δm的計算公式[10]：

式中：δm為多源瓦斯的碳同位素實測值；δA為第1個來源中CH4的碳同位素值;VA為第1個來源中CH4相應的體積；δB為第2個來源中CH4的碳同位素值；VB為第2個來源中CH4相應的體積。

基于式（2）拓展至n個來源的多源瓦斯中穩定同位素的計算公式：

式中：A、B、…、N分別為該混合氣體中來自第1煤層至第N煤層氣體的占比；xN為來自第N煤層的解吸氣體中CH4的組分。

2 現場應用

2.1 工作面概況

山西騰暉煤礦為高瓦斯礦井，據評估煤層瓦斯儲量約為5.34×108m3。該煤礦的典型地質柱狀圖如圖2。由圖2可以知道，本煤層的平均厚度約為2.7m，上鄰近煤層平均厚度約為0.6m，距本煤層平均距離約為4.7 m，下鄰近煤層平均厚度約為1.2 m，位于本煤層以下30.2m，均位于本煤層采動范圍內。研究區域為本煤層內607工作面，工作面走向長度為1 516.5m，傾向長度為225m，采用長壁開采方法，實行“U”型通風。

圖2 典型地質柱狀圖Fig.2 Typical geological histogram

2.2 樣品采集

樣品采集位置示意圖如圖3。通過在607工作面回風巷內的鉆場施工煤層鉆孔及穿層鉆孔分別采集上鄰近層、本煤層及下鄰近層煤樣各3組，每組煤樣300～500 g，裝入煤樣罐密封，在實驗室使用瓦斯解吸裝置將煤樣中瓦斯解吸出來并收集；采集607工作面中距采空區較近的鉆場中不同層位高位鉆孔的瓦斯抽采氣體，共采集8個層位的抽采瓦斯氣樣，分 別 為 距 煤 層 頂 板0、7.9、10.7、14.2、26.5、34.2、42.1、45.4m，每個層位采集3組氣樣，每組氣樣的氣量不少于500mL；采用Trace GCUltra與Delta V Advantage型同位素比值質譜儀聯機測試煤樣解吸瓦斯及采空區抽采氣樣。

圖3 樣品采集位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of samp le collection location

2.3 氣體碳氫同位素特征

煤層瓦斯穩定碳氫同位素平均值分布圖如圖4。通過分析煤系地層的上鄰近層、本煤層、下鄰近層解吸瓦斯同位素值結果，發現各煤層解吸瓦斯氣體組分及穩定碳氫同位素均存在一定的差異，且各煤層穩定碳氫同位素隨深度增大出現變重的規律。

圖4 煤層瓦斯穩定碳氫同位素平均值分布圖Fig.4 Average distribution of stable carbon and hydrogen isotopes of coal seam desorption gas

采空區不同層位抽采瓦斯體積分數如圖5。由圖5可知，鉆孔層位為0～10.7 m時，瓦斯體積分數隨層位變高有上升的趨勢，從5.0%上升到63.2%，層位為10.7～26.5m時，采空區瓦斯體積分數隨層位變高有下降的趨勢，從43.2%下降至22.0%；層位為26.5～45.4m時，采空區瓦斯體積分數隨層位變高而逐漸上升，最終在45.4 m時上升為71.0%。在7.9～14.2m層位內，瓦斯體積分數較大，存在低層位瓦斯高濃區，同理在42.1～45.4m層位內存在高層位瓦斯高濃區。

圖5 采空區不同層位抽采瓦斯體積分數Fig.5 Gas concentration in different heights of gob

不同層位的采空區瓦斯碳氫同位素平均值如圖6。由圖6可知，在鉆孔層位為0～14.2m時，采空區瓦斯碳同位素平均值隨層位變高，從-34.853‰上升為-33.807‰；層位為14.2～42.1m時，碳同位素平均值從-33.807‰下降為-34.657‰；層位為42.1～45.4m時，碳同位素平均值再次上升為-33.828‰，與10.7m時的碳同位素值相近；氫同位素值隨層位的變化與碳同位素值的規律大致相同。通過對不同層位采空區瓦斯碳氫同位素值與瓦斯體積分數對比得知，整體趨勢上瓦斯體積分數隨層位變化趨勢與采空區瓦斯碳氫同位素值隨層位變化的趨勢基本相同。

圖6 不同層位的采空區瓦斯碳氫同位素平均值Fig.6 Average values of gas carbon and hydrogen isotopes in gob of different heights

2.4 瓦斯來源占比

將煤層瓦斯和采空區層位的碳氫同位素值及相關氣體組分值代入式（3）得到不同層位采空區瓦斯中各煤層瓦斯來源占比。

不同層位抽采瓦斯中煤層瓦斯占比如圖7。由圖7可知，在采空區的抽采層位為0m時，混合瓦斯中本煤層采空區遺煤瓦斯占比最多，上鄰近層卸壓瓦斯次之，下鄰近層最少，較吻合煤層的實際情況。隨著層位的增高，本煤層來源瓦斯占比逐漸上升，到最高層位45.4 m時上升至75.53%；上鄰近層瓦斯占比隨層位增高而減少，到45.4 m時，僅占比7.21%；下鄰近層瓦斯占比隨層位增高而增大，到42.1m時，占比16.01%，已多于上鄰近層瓦斯占比，之后繼續上升到45.4m時，瓦斯占比達到17.27%。出現上述變化的原因是，采動過程中上鄰近層因煤層較薄，卸壓瓦斯總量較少，下鄰近層卸壓瓦斯總量較大，但在采空區較低層位時，因上鄰近層本身距離抽采層位近，卸壓瓦斯較為集中，所以占比較大，隨著層位的增加，上鄰近層卸壓瓦斯不再集中，瓦斯占比逐漸減少，因瓦斯自身升浮效應，易集中在高層位，所以本煤層和下鄰近層的瓦斯占比就逐漸增大。

圖7 不同層位抽采瓦斯中煤層瓦斯占比Fig.7 Proportion of coal seam gas in gas extraction at different heights

2.5 最佳層位確定

對比圖5和圖7可知，在7.9～14.2m的低層位，除本煤層外，上鄰近層瓦斯占比較大，且存在低層位瓦斯高濃區，在42.1～45.4m的高層位，上鄰近層瓦斯占比最小，本煤層、下鄰近層瓦斯占比較大，存在高層位瓦斯高濃區。且現場實測數據表明，僅開啟7.9～14.2m、42.1～45.4m范圍內高位鉆孔抽采瓦斯，上隅角瓦斯體積分數始終小于0.5%。

在7.9～14.2m層位內抽采采空區瓦斯，可有效控制上鄰近層、本煤層涌出瓦斯；在42.1～45.4m層位內抽采瓦斯，可有效控制本煤層和下鄰近層涌出瓦斯。故豎直方向距煤層頂板7.9～14.2m的瓦斯高濃區和距煤層頂板42.1～45.4m的瓦斯高濃區即為適用于607工作面采空區瓦斯抽采的最佳層位。

3 結 語

1）提出了在多煤層條件下，考慮鄰近煤層瓦斯影響的開采煤層采空區高位鉆孔瓦斯抽采最佳層位確定方法。

2）揭示了碳氫同位素隨埋深增大出現偏重的特征，確定了本煤層607工作面采空區瓦斯氣體的碳氫同位素值隨層位的變化規律同瓦斯濃度隨層位的變化具有相同的趨勢。

3）定量化分析了本煤層607工作面采空區瓦斯氣體來源占比，發現隨層位的增大，本煤層采空區遺煤瓦斯及下鄰近層卸壓瓦斯來源占比逐漸增加，上鄰近層卸壓瓦斯來源占比減小；確定了高位鉆孔最佳抽采層位，分別為距煤層頂板7.9～14.2m的瓦斯高濃區，可有效控制本煤層及上鄰近層瓦斯，和距煤層頂板42.1～45.4m的瓦斯高濃區，可有效控制本煤層及下鄰近層瓦斯。