白坪礦煤層瓦斯抽采技術(shù)優(yōu)化試驗(yàn)研究

穆春明，孫向鋒，唐家豪，王岳栩

(1.鄭州煤炭工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司煤炭中心安全監(jiān)察局，河南省新密市，450000；2. 鄭州煤炭工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司白坪煤礦，河南省登封市，452482；3. 河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南省焦作市，454000)

煤礦瓦斯災(zāi)害是煤礦安全生產(chǎn)的第一殺手，我國(guó)是世界上煤與瓦斯突出災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一[1]。許多礦井瓦斯防治實(shí)踐表明，松軟高瓦斯煤層礦區(qū)是我國(guó)煤礦事故的高發(fā)區(qū)域，由于經(jīng)受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，松軟煤層煤體原生裂隙被破壞，煤體變軟，穩(wěn)定性變差，透氣性減小，進(jìn)而導(dǎo)致瓦斯防治難度大[2-4]。目前，許多礦井采取水力壓裂或水力割縫等增透措施增加煤層透氣性。水力增透措施的確能改善煤層透氣性，提高瓦斯抽采濃度和抽采效果[5-8]，但是多年的礦井抽采實(shí)踐表明，仍然存在煤層透氣性得到改善但是抽采效果不理想和抽采過(guò)程中出現(xiàn)塌孔、堵孔的現(xiàn)象，存在瓦斯抽采困難和抽采技術(shù)不到位的問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外在瓦斯抽采技術(shù)優(yōu)化方面開展了大量研究，并取得一系列研究成果。艾自創(chuàng)[9]通過(guò)“管柱”式封孔工藝有效解決了穿層鉆孔巖孔段裂隙問(wèn)題，提高了單孔抽采濃度，有效克服了“兩堵一注”封孔工藝不能完全封堵鉆孔巖石段裂隙的局限性；徐永吉[10]提出了以高強(qiáng)微膨脹型速凝封孔材料為基礎(chǔ)的新型封孔技術(shù)，與未采取新型封孔技術(shù)相比，瓦斯抽采純量提高近167%，有效解決了瓦斯抽采順層鉆孔漏氣的問(wèn)題；韓兵[11]研發(fā)出一種以“兩堵一注”為基礎(chǔ)的自動(dòng)吸水封堵裝置，其能實(shí)現(xiàn)注漿與止?jié){同時(shí)進(jìn)行，從而形成近水平鉆孔注漿的有效封堵，與普通注漿封孔相比，瓦斯抽采濃度提高19%～23%；郭獻(xiàn)林等[12]提出了穿層鉆孔水力修復(fù)工藝并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)考察，結(jié)果表明，在采取水力修復(fù)措施后，鉆孔有效抽采時(shí)間延長(zhǎng)了30 d以上；孫啟文[13]提出了水力修復(fù)及二次增透技術(shù)并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，單孔瓦斯?jié)舛扔?%提高到100%，單孔抽采量提高了200～500 m3，有效解決了松軟煤層在采取水力沖孔措施后抽采過(guò)程中依舊存在瓦斯流量衰減快和塌孔等問(wèn)題；張槐森等[14]通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)不同鉆孔長(zhǎng)度和不同鉆孔抽采負(fù)壓條件下的瓦斯抽采對(duì)負(fù)壓與抽采效果的作用機(jī)制進(jìn)行深入研究，隨著抽采負(fù)壓的增大，瓦斯抽采濃度和抽采純量均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。

筆者根據(jù)白坪礦煤層瓦斯抽采困難現(xiàn)狀，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)比分析了簡(jiǎn)易膠囊封孔、鉆孔修復(fù)以及低負(fù)壓抽采3種優(yōu)化煤層瓦斯抽采技術(shù)措施的實(shí)際效果，得出了適合白坪礦瓦斯抽采的優(yōu)化措施，提升了煤層瓦斯抽采率，保障了礦井安全生產(chǎn)。

1 瓦斯抽采優(yōu)化技術(shù)方案

抽采孔封孔的目的在于嚴(yán)密封堵鉆孔煤壁內(nèi)存在的周邊裂隙、破碎區(qū)裂隙和應(yīng)力擾動(dòng)裂隙，提高瓦斯抽采濃度[15]。封孔質(zhì)量對(duì)瓦斯抽采效果影響很大。針對(duì)目前白坪煤礦“兩堵一注”封孔工藝存在封孔深度大、封孔程序復(fù)雜和抽采效果較差的問(wèn)題，提出簡(jiǎn)易膠囊封孔優(yōu)化技術(shù)措施。鉆孔修復(fù)技術(shù)在工程實(shí)踐中應(yīng)用廣泛，鉆孔水力修復(fù)及二次增透的原理是使用瓦斯抽采孔水力作業(yè)機(jī)將高壓水送進(jìn)鉆孔內(nèi)，可以起到卸壓增透和排渣解堵的作用[16-17]。針對(duì)目前白坪煤礦抽采過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)塌孔、堵孔和抽采效果不理想的問(wèn)題，提出鉆孔修復(fù)優(yōu)化技術(shù)措施。長(zhǎng)期抽采實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，抽采負(fù)壓越高，抽采效果不一定越好。針對(duì)目前白坪煤礦主要采用高負(fù)壓抽采煤層瓦斯的生產(chǎn)實(shí)際，提出低負(fù)壓抽采優(yōu)化技術(shù)措施。

白坪礦13031工作面位于13采區(qū)東南部，工作面煤層賦存條件復(fù)雜，煤厚0.1～15.0 m，煤厚變化大，煤層透氣性差，瓦斯賦存極不均勻，最大瓦斯含量9.29 m3/t，工作面存在瓦斯抽采困難的問(wèn)題。在13031工作面選取合適試驗(yàn)區(qū)域開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)區(qū)域共設(shè)計(jì)4組鉆孔，分別是正常抽采組、簡(jiǎn)易膠囊封孔組、鉆孔修復(fù)組和低負(fù)壓抽采組，每組2排鉆孔，每排10個(gè)鉆孔，共計(jì)80個(gè)鉆孔。正常抽采孔和優(yōu)化抽采孔布置如圖1所示。

圖1 穿層抽采鉆孔布置

其中，第39組為正常抽采組，孔徑94 mm，孔間距10 m，煤層采用水力沖孔卸壓增透措施，煤孔段卸煤量1.0 t/m，待成孔后，采用“兩堵一注”囊袋式封孔，封孔深度約18 m，封孔完畢，采用高負(fù)壓抽采，抽采負(fù)壓一般為30～45 kPa，連續(xù)抽采6個(gè)月。第38組優(yōu)化抽采孔為簡(jiǎn)易膠囊封孔組。與正常抽采孔相比，主要差別是調(diào)整了封孔工藝，即將“兩堵一注”囊袋式封孔18 m改為簡(jiǎn)易膠囊封孔5 m，連續(xù)抽采4個(gè)月，其他條件與正常抽采組一樣。第42組優(yōu)化抽采孔為鉆孔修復(fù)組，與正常抽采孔相比，主要差別是采用了簡(jiǎn)易膠囊封孔+鉆孔修復(fù)，即成孔后第1個(gè)月，先采用簡(jiǎn)易膠囊封孔，封孔深度5 m，高負(fù)壓連續(xù)抽采，1個(gè)月以后，拔出抽采孔中的簡(jiǎn)易膠囊，進(jìn)行修復(fù)鉆孔及二次卸壓增透，之后采用正常的“兩堵一注”囊袋封孔方式進(jìn)行二次封孔，封孔深度18 m，高負(fù)壓連續(xù)抽采2個(gè)月，抽采時(shí)間共計(jì)3個(gè)月，其他條件與正常抽采組一樣。第44組鉆孔為低負(fù)壓抽采組，與正常抽采孔相比，主要差別是采用了簡(jiǎn)易膠囊封孔+鉆孔修復(fù)+低負(fù)壓抽采，即現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)抽采負(fù)壓總體穩(wěn)定在10 kPa左右，抽采時(shí)間共計(jì)3個(gè)月，其他條件與正常抽采組一樣。

2 瓦斯抽采效果考察分析

2.1 正常抽采條件下瓦斯抽采效果分析

第39組抽采孔瓦斯情況如圖2所示。由圖2可以看出，第39組正常抽采組單孔瓦斯抽采濃度最大為47%，最小為0.1%；組孔板平均瓦斯?jié)舛葹?.44%，總抽采純量為1 370.9 m3。

圖2 第39組抽采孔瓦斯情況

2.2 簡(jiǎn)易膠囊封孔條件下瓦斯抽采效果分析

38組抽采孔瓦斯情況如圖3所示。由圖3可以看出，第38組正常抽采組單孔瓦斯抽采濃度最大35.0%，最小0.1%。組孔板平均瓦斯?jié)舛?.9%，總抽采純量1 307.1 m3。與正常抽采組相比，簡(jiǎn)易膠囊封孔組平均瓦斯?jié)舛群涂偝椴杉兞渴钦３椴山M的0.73倍和0.95倍。分析可得：簡(jiǎn)易膠囊封孔組較正常抽采組平均瓦斯?jié)舛绕?，但抽采量減小不大。

圖3 第38組抽采孔瓦斯情況

2.3 鉆孔修復(fù)條件下瓦斯抽采效果分析

第42組抽采孔瓦斯情況如圖4所示。由圖4可以看出，第42組正常抽采組單孔瓦斯抽采濃度最大為22.5%，最小為0.1%；組孔板平均瓦斯?jié)舛葹?3.36%，總抽采純量為1 905.75 m3。與正常抽采組相比，鉆孔修復(fù)組平均瓦斯?jié)舛群涂偝椴杉兞渴钦３椴山M的1.42倍和1.39倍。分析可得：鉆孔修復(fù)之后，平均瓦斯?jié)舛群统椴闪烤忻黠@的提高。

圖4 第42組抽采孔瓦斯情況

2.4 低負(fù)壓條件下瓦斯抽采效果分析

第44組抽采孔瓦斯情況如圖5所示。由圖5可以看出，第44組正常抽采組單孔瓦斯抽采濃度最大為25.1%，最小為0.1%；組孔板平均瓦斯?jié)舛葹?2.21%，總抽采純量為1 856.39 m3。與正常抽采組相比，低負(fù)壓組平均瓦斯?jié)舛群涂偝椴杉兞渴钦３椴山M的1.29倍和1.35倍。分析可得：平均瓦斯?jié)舛群统椴闪烤忻黠@的提高。但是，該抽采效果不一定是低負(fù)壓的貢獻(xiàn)，極有可能是鉆孔修復(fù)的結(jié)果。

圖5 第44組抽采孔瓦斯情況

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，采取各項(xiàng)優(yōu)化措施之后，簡(jiǎn)易膠囊封孔抽采相對(duì)“兩堵一注”封孔抽采對(duì)瓦斯抽采濃度有一定影響，但對(duì)抽采量影響不大；低負(fù)壓抽采相對(duì)高負(fù)壓抽采對(duì)瓦斯抽采濃度和抽采量影響均不大；二次修復(fù)可以顯著提高瓦斯抽采濃度和抽采量。