麥地掌煤礦2#煤層順層瓦斯抽采鉆孔合理封孔深度確定

陳 明，溫玉珠，周長山

(太原梗陽實(shí)業(yè)集團(tuán)公司, 山西 太原 030021)

目前，我國煤礦井下瓦斯治理的重要手段為煤層瓦斯抽采，其中順層鉆孔抽采是瓦斯抽采的主要措施，而封孔質(zhì)量是影響順層瓦斯抽采效果的重要環(huán)節(jié)[1]. 封孔質(zhì)量既取決于封孔工藝又取決于封孔深度，在現(xiàn)有無機(jī)膨脹水泥“兩堵一注”封孔工藝條件下，對(duì)合理封孔深度的研究就非常有必要。合理的封孔深度既要保證技術(shù)上的可行，又要兼顧經(jīng)濟(jì)上的節(jié)約[2]. 本文以麥地掌煤礦2#煤層為背景，在相同封孔工藝參數(shù)條件下，通過對(duì)不同封孔深度鉆孔瓦斯抽采濃度對(duì)比分析，確定2#煤層本煤層瓦斯抽采合理封孔深度。

1 麥地掌煤礦2#煤層及瓦斯概況

麥地掌煤礦位于山西省清徐縣馬峪鄉(xiāng)陳家坪村、麥地掌村及古交市邢家社鄉(xiāng)陳家社村一帶，為呂梁山脈中段東翼西山含煤盆地東南角，現(xiàn)采2#煤層。2#煤位于山西組中部，上距K4砂巖25.87～37.65 m，平均30.00 m，上距02#可采煤層11.50～25.10 m，平均18.75 m；下距6#可采煤層30.89～52.50 m，平均42.72 m. 煤層厚1.55～3.25 m，平均2.42 m，煤層厚度最小為井田東南部9號(hào)孔1.55 m，最厚點(diǎn)為井田中部3號(hào)孔3.25 m. 結(jié)構(gòu)簡單，一般不含夾矸，局部含1層夾矸，屬全井田穩(wěn)定的可采煤層。頂板巖性為砂質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖，局部為細(xì)粒砂巖；底板巖性為細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖。

根據(jù)2018 年7月沈陽煤科院測(cè)定，井田2#煤層瓦斯含量 7.01～9.12 m3/t，瓦斯壓力為0.37～0.47 MPa，煤的堅(jiān)固性系數(shù)為0.65～0.80，瓦斯放散初速度為4.8～6.3，孔隙率為4.54%～4.57%，吸附常數(shù)a值為28.102～29.153 m3/t·r，b值為0.490～0.582 MPa-1，屬可以抽采煤層。

2 封孔工藝參數(shù)及封孔效果考察

1) 封孔工藝參數(shù)。

采用囊袋式兩堵一注封孔器進(jìn)行本煤層瓦斯抽采鉆孔封孔，封孔器囊袋為耐壓不少于2.0 MPa 高密度囊袋、爆破閥爆破壓力為1.5 MPa. 封孔過程中水泥注漿液先注入兩側(cè)囊袋，再向兩囊袋中間區(qū)域注漿。具體過程：注漿泵的注漿動(dòng)力將水泥漿注入注漿管，水泥漿液通過出漿口進(jìn)入封孔器的套管中，套管中的泥漿積聚后打開兩側(cè)囊袋單向閥，向兩側(cè)囊袋注漿，當(dāng)水泥漿液壓強(qiáng)達(dá)到 1.5 MPa 時(shí)，爆破閥爆破，開始向兩囊袋中間區(qū)域注漿，達(dá)到 1.0 MPa 時(shí)，停止注漿，拔出注漿管，封孔完成。

2) 封孔試驗(yàn)地點(diǎn)。

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在麥地掌煤礦21213工作面，該工作面采用走向長壁方式布置，工作面走向長度1 650 mm，切眼長234.7 m，采取一次采全高綜采方法開采。21213工作面四周均為未掘工作面，根據(jù)鉆孔、三維地震勘探資料及井巷資料分析，21213工作面 2#煤層總體為一東西高中間低的向斜形態(tài)，煤層有波狀起伏，煤巖層傾角3°～13°，平均8°,煤層平均厚度2.6 m. 為了減少因瓦斯賦存對(duì)封孔數(shù)據(jù)分析的影響，封孔試驗(yàn)地點(diǎn)選取在21213回風(fēng)順槽400～1 000 m，區(qū)段煤層賦存穩(wěn)定、地質(zhì)構(gòu)造簡單，可以作為一個(gè)瓦斯地質(zhì)單元。

3) 鉆孔布置及封孔情況分析。

本煤層合理封孔深度與本煤層回采巷道周圍應(yīng)力分布有關(guān)，回采巷道開挖成型后，巷道周圍煤巖體應(yīng)力場(chǎng)重新分布，導(dǎo)致巷道周圍煤巖體出現(xiàn)變形，此時(shí)應(yīng)對(duì)巷道兩幫及頂板進(jìn)行支護(hù)。支護(hù)后地應(yīng)力與支護(hù)力相互作用，巷道圍巖應(yīng)力再次重新分布，經(jīng)過一段時(shí)間變形后，巷道周圍煤巖體將再次穩(wěn)定，此時(shí)將巷道兩幫圍巖應(yīng)力變化分為3個(gè)區(qū)：塑性區(qū)(應(yīng)力降低區(qū))、應(yīng)力升高區(qū)、原始應(yīng)力區(qū)。一般來說，應(yīng)力降低區(qū)煤體裂隙較多，是主要的封孔漏氣帶[3]. 因此，應(yīng)避免將鉆孔封孔段位于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)。巷道塑性區(qū)封孔漏氣示意圖見圖1.

圖1 巷道塑性區(qū)封孔漏氣示意圖

鉆孔間距為5 m，鉆孔設(shè)計(jì)深度為110 m，鉆頭d94 mm. 井下囊袋式試驗(yàn)鉆孔112個(gè)，由于封孔時(shí)的封孔深度、封孔情況及鉆孔施工深度不同，為了便于比較，取封孔情況完好，即囊袋式封孔兩次均達(dá)到飽壓的鉆孔,并將其分為：13 m、14 m、15 m、16 m、18 m封孔深度等5 種類型，封孔情況統(tǒng)計(jì)見表1. 根據(jù)表1可知，封孔深度較淺完好率高于封孔深度較深，封孔深度15 m、16 m封孔完好率差不多，封孔深度18 m與16 m的封孔完好率差別達(dá)到8%.

4) 鉆孔濃度數(shù)據(jù)分析。

規(guī)定“打一個(gè)、封一個(gè)、聯(lián)一個(gè)”的舉措，保證了鉆孔的及時(shí)聯(lián)抽，每天測(cè)試一次鉆孔單孔濃度，由于數(shù)據(jù)較多，對(duì)相同封孔深度封孔部分完好鉆孔進(jìn)行分析。不同封孔深度濃度曲線圖見圖2—6.

表1 試驗(yàn)鉆孔封孔情況統(tǒng)計(jì)表

圖2 封孔13 m抽采濃度變化圖

圖3 封孔14 m抽采濃度變化圖

圖4 封孔15 m抽采濃度變化圖

由圖2可知，封孔深度13 m初期(前3天)抽采濃度比較高為60%左右，10天左右濃度衰減到30%以下，衰減很快，45天以后濃度衰減到20%并趨于穩(wěn)定。由圖3可知，封孔深度14 m初期(前3天)抽采濃度比較高為60%左右，20天左右濃度衰減到30%以下，衰減很快，45天以后濃度衰減到25%并趨于穩(wěn)定。由圖4可知，封孔深度15 m初期(前2天)抽采濃度比較高為60%左右，6天左右濃度衰減到40%以下，衰減很快，45天以后濃度衰減到30%并趨于穩(wěn)定。由圖5可知，封孔深度16 m初期(前7天)抽采濃度比較高為70%左右，16天左右濃度衰減到60%左右，衰減較慢，46天以后才出現(xiàn)濃度低于40%，后期并穩(wěn)定在40%左右。由圖6可知，封孔深度15 m初期(前11天)抽采濃度比較高為70%左右，26天左右濃度衰減到60%左右，衰減較慢，41天以后才出現(xiàn)濃度接近40%，后期并穩(wěn)定在40%左右。

圖5 封孔16 m抽采濃度變化圖

圖6 封孔18 m抽采濃度變化圖

對(duì)所有封孔完好鉆孔進(jìn)行分析，由于數(shù)據(jù)較多，只對(duì)相同封孔深度鉆孔按照抽采時(shí)間進(jìn)行濃度數(shù)據(jù)平均，見圖7.

圖7 不同封孔深度濃度變化圖

由圖7可知，隨著時(shí)間的推移，各封孔深度的鉆孔平均濃度都是逐漸降低的，但是封孔深度較淺的13 m、14 m、15 m鉆孔比封孔較深的16 m、18 m鉆孔濃度衰減快，尤其封孔深度15 m與封孔深度16 m濃度衰減速度差別非常明顯；且從記錄開始封孔較淺的鉆孔平均濃度就比封孔較深的鉆孔平均濃度低。13 m、14 m、15 m封孔深度的鉆孔，抽采初期前6天瓦斯?jié)舛容^開始降低近30%，之后鉆孔濃度衰減速度減慢，并逐步趨于穩(wěn)定，前期鉆孔濃度衰減受巷道漏氣影響較大，后期達(dá)到抽采平衡穩(wěn)定后巷道漏氣圈對(duì)其濃度衰減影響較小。16 m、18 m封孔深度鉆孔抽采濃度下降較慢，此封孔深度鉆孔居于巷道漏氣圈外，對(duì)其影響較小。雖然初期封孔深度18 m比封孔深度16 m抽采濃度稍高，但在抽采45天以后濃度基本相同。在試驗(yàn)期間由于封孔18 m深度加深，存在因囊袋下設(shè)不到位引起鉆孔濃度較低的鉆孔數(shù)比封孔16 m的多，同時(shí)18 m封孔操作及成本也比封孔16 m高的多。16 m封孔深度平均鉆孔濃度較高，兩個(gè)月后平均濃度依然在40%左右，且此類鉆孔分析數(shù)據(jù)較多，具有穩(wěn)定性、可比性。

3 結(jié) 論

1) 封孔深度13 m、14 m、15 m與封孔深度16 m、18 m瓦斯抽采濃度衰減速度差別明顯，在保證封孔質(zhì)量完好的情況下，封孔深度較深的鉆孔抽采效果明顯高于封孔深度較淺的鉆孔，且鉆孔濃度衰減速度差別明顯，尤其是封孔深度在煤層松動(dòng)圈附近更加明顯。

2) 根據(jù)16 m、18 m封孔深度鉆孔封孔完好率、抽采濃度對(duì)比，雖然初期封孔深度18 m比封孔深度16 m抽采濃度稍高，但在抽采45天以后濃度基本相同。同時(shí)由于封孔較深操作難度增加，封孔深度18 m封孔完好率在80%以下，與封孔深度16 m差別達(dá)到8%.

3) 綜合封孔完好率、封孔效果、鉆孔衰減速度及穩(wěn)定長時(shí)間抽采等，在既要保證技術(shù)上的可行，又要兼顧經(jīng)濟(jì)上節(jié)約，麥地掌煤礦2#煤層順層鉆孔合理封孔深度為16 m.