黃陵二號(hào)煤礦底板油型氣釋放規(guī)律及影響因素

殷民勝,劉耀宗

(1.陜西陜煤黃陵礦業(yè)公司,陜西 延安 727307;2.陜西彬長(zhǎng)大佛寺礦業(yè)有限公司,陜西 咸陽(yáng) 713500)

0 引言

我國(guó)是世界上的產(chǎn)煤大國(guó),同時(shí)也是瓦斯災(zāi)害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一[1-2]。針對(duì)工作面瓦斯自然排放規(guī)律及影響因素的相關(guān)研究是防止瓦斯事故的首要任務(wù)[3-4]。隨著新技術(shù)以及新工藝在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用,礦井開(kāi)采強(qiáng)度越來(lái)越大,礦井瓦斯自然排放量逐年提升,同時(shí),出現(xiàn)了圍巖瓦斯異常自然釋放,其中底板瓦斯自然釋放尤為嚴(yán)重,成為影響礦井安全高效開(kāi)采新的致災(zāi)因素,給礦井安全生產(chǎn)帶來(lái)極大的隱患。

目前常用的研究工作面瓦斯自然釋放的方法有數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定方法,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定法能夠更真實(shí)準(zhǔn)確地掌握工作面瓦斯的實(shí)際分布情況[5-6],數(shù)值模擬法能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)瓦斯自然釋放量以及瓦斯分布進(jìn)行預(yù)測(cè)[7-9]。多數(shù)學(xué)者研究對(duì)象為煤層氣[10-13],對(duì)于油型氣的研究還需要完善[14-16]。

黃陵礦區(qū)屬于典型的煤油氣共生礦區(qū),以黃陵礦區(qū)黃陵二號(hào)礦井為研究對(duì)象,對(duì)其底板油型氣自然釋放規(guī)律及影響因素展開(kāi)研究,以期為油型氣治理提供一定的理論依據(jù)。

1 礦井概況

黃陵礦區(qū)位于陜北黃土高原南部的低山丘陵區(qū),地處延安地區(qū)南部,區(qū)域地層主要位于黃隴侏羅紀(jì)煤田東北部。黃陵二號(hào)煤礦屬于典型的煤油氣共生礦井,目前主要采掘活動(dòng)位于二、四盤(pán)區(qū),全礦主采2號(hào)煤層。以曾經(jīng)發(fā)生過(guò)油型氣異常自然排放的工作面以及正在進(jìn)行采掘活動(dòng)受油型氣影響的工作面為研究對(duì)象,對(duì)油型氣自然釋放規(guī)律及其影響因素展開(kāi)研究。

2 底板油型氣自然排放規(guī)律

2.1 掘進(jìn)工作面底板油型氣自然排放規(guī)律

以二盤(pán)區(qū)205膠帶巷掘進(jìn)工作面作為重點(diǎn)跟蹤考察對(duì)象,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)收集及跟蹤觀測(cè)的掘進(jìn)工作面油型氣鉆孔自然釋放資料和數(shù)據(jù),通過(guò)剖析底板油型氣自然排放位置信息和地質(zhì)地層等資料,進(jìn)行油型氣自然釋放規(guī)律的研究,總結(jié)出以下規(guī)律。

2.1.1 油型氣自然排放位置

通過(guò)對(duì)掘進(jìn)工作面油型氣自然釋放情況進(jìn)行長(zhǎng)期的跟蹤考察,發(fā)現(xiàn)油型氣自然釋放地點(diǎn)主要集中在距離工作面5～10 m的位置,主要以巷道中部底鼓裂隙自然釋放為主,如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)面油型氣自然排放點(diǎn)分布示意

2.1.2 油型氣鉆孔涌出規(guī)律

201掘進(jìn)工作面在掘進(jìn)過(guò)程中采取了“邊探(抽)邊掘”油型氣探采措施,通過(guò)鉆孔油型氣探采,避免了底板油型氣向掘進(jìn)工作面的直接自然釋放。雖然實(shí)際掘進(jìn)中仍存在微量底板油型氣進(jìn)入掘進(jìn)工作面,但整體來(lái)講,掘進(jìn)工作面油型氣自然釋放以鉆孔抽采為主。

掘進(jìn)工作面實(shí)施的底板油型氣抽采鉆孔為超前探采鉆孔,其目的是“先探(抽)后掘”,提前抽采油型氣,防止巷道掘進(jìn)過(guò)程中油型氣進(jìn)入掘進(jìn)工作面造成瓦斯超限等事故,此類型油型氣探采鉆孔屬于未卸壓抽采。由于鉆孔瓦斯涌出規(guī)律能夠反映儲(chǔ)層透氣性、儲(chǔ)層壓力等地質(zhì)因素,因此,為了掌握鉆孔油型氣涌出規(guī)律,在205掘進(jìn)工作面掘進(jìn)期間對(duì)205FY13-3、205JD11-2等4組鉆孔進(jìn)行了跟蹤測(cè)試,現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)跟蹤測(cè)試了11～34 d鉆孔油型氣涌出量,獲得了較為詳實(shí)的鉆孔油型氣涌出數(shù)據(jù)。根據(jù)測(cè)得的鉆孔油型氣涌出量和時(shí)間數(shù)據(jù),對(duì)鉆孔油型氣涌出規(guī)律進(jìn)行分析,數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖2～5所示。

圖2 205FY13-3號(hào)孔油型氣涌出量與時(shí)間擬合關(guān)系

圖3 205FY13-6號(hào)孔油型氣涌出量與時(shí)間擬合關(guān)系

圖4 205JD10-4號(hào)孔油型氣涌出量與時(shí)間擬合關(guān)系

圖5 205JD11-2號(hào)孔油型氣涌出量與時(shí)間擬合關(guān)系

將統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析,擬合結(jié)果表明,鉆孔油型氣涌出規(guī)律符合冪函數(shù),見(jiàn)式(1)

q=q0×(1+t)-α

(1)

式中,q為t時(shí)刻時(shí)鉆孔油型氣涌出量,m3/min;q0為鉆孔油型氣初始涌出量,m3/min;t為鉆孔油型氣涌出時(shí)間,d;α為鉆孔油型氣涌出衰減系數(shù),d-1。

根據(jù)擬合公式得到了4個(gè)鉆孔的油型氣初始涌出量和鉆孔油型氣衰減系數(shù),結(jié)合圖2～5,可以得出鉆孔油型氣涌出量衰減較快,其衰減系數(shù)為1.24～2.14 d-1,平均為1.55 d-1;擬合公式相關(guān)系數(shù)R2在0.81～0.99,擬合度較高,說(shuō)明擬合的冪函數(shù)公式能夠很好地反映鉆孔油型氣涌出規(guī)律。

2.2 回采面底板油型氣自然釋放規(guī)律

底板油型氣受采動(dòng)影響后裂隙溝通儲(chǔ)層,油型氣由裂隙進(jìn)入采掘空間,造成安全隱患,因此,研究底板油型氣自然釋放規(guī)律對(duì)于指導(dǎo)抽采鉆孔設(shè)計(jì)進(jìn)行工作面瓦斯防治具有重要意義。

2.2.1 底板油型氣自然釋放特征

為了統(tǒng)計(jì)底板油型氣自然釋放特征,現(xiàn)場(chǎng)跟蹤監(jiān)測(cè)了409工作面輔運(yùn)巷底板孔抽采數(shù)據(jù),跟蹤了3個(gè)鉆場(chǎng)60個(gè)鉆孔,其中檢測(cè)出油型氣的鉆孔共計(jì)13個(gè)。其中1#鉆場(chǎng)11個(gè),占該鉆場(chǎng)鉆孔數(shù)量的40%;2#鉆場(chǎng)和3#鉆場(chǎng)各1個(gè)鉆孔,故分析1號(hào)鉆場(chǎng)的出氣鉆孔更具有可比性。并在409輔運(yùn)巷施工了底板油型氣勘查鉆孔,該處底板油型氣儲(chǔ)層距離2號(hào)煤層底板38 m左右,間距由里向外呈逐漸增加的趨勢(shì)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況統(tǒng)計(jì)了13個(gè)底板油型氣自然排放鉆孔信息記錄見(jiàn)表1。

表1 出氣鉆孔參數(shù)表

2.2.2 底板油型氣自然釋放規(guī)律

由表1數(shù)據(jù)可知,檢測(cè)出油型氣的鉆孔垂深為22.24～33.26 m,平均25.77 m,工作面方向距離為23.00～150.00 m,平均102.32 m,僅3個(gè)鉆孔距離小于60 m,終孔距回采面距離為-65.14～-0.23 m,出氣持續(xù)時(shí)間為2～17 d,持續(xù)出氣距離為16.20～55.50 m,平均為30.05 m,鉆孔油型氣出氣量為0.03～0.74 m3/min。從垂深上分析,出氣鉆孔垂深較深均超過(guò)了22 m,由此可以判斷油型氣儲(chǔ)層距離煤層底板22 m以上,且距離越大抽采效果越明顯。

出氣鉆孔進(jìn)入工作面距離大部分在工作面的中部位置區(qū)域,說(shuō)明終孔位置越靠近工作面中心位置越有利于抽采油型氣。原因在于工作面中心區(qū)域應(yīng)力最小,裂隙向縱深方向發(fā)展越深,以及垂深越深越易形成有效鉆孔,有利于抽采油型氣。從出氣鉆孔的終孔距回采面的距離來(lái)看,出氣鉆孔終孔位置都處在回采工作面的后方,持續(xù)出氣距離為16.20～55.50 m,平均為30.05 m,說(shuō)明回采面后方這段距離是受采動(dòng)卸壓效果比較好的區(qū)域,這段距離為應(yīng)力增大區(qū)域,裂隙受擠壓不利于油型氣抽采。

將持續(xù)出氣時(shí)間和持續(xù)出氣距離關(guān)系繪制成圖6,可以看出持續(xù)出氣時(shí)間與持續(xù)出氣距離呈正相關(guān)關(guān)系,且相關(guān)性較好,R2為0.770 6。說(shuō)明回采工作面推進(jìn)速度越快,持續(xù)出氣時(shí)間越短,進(jìn)入采空區(qū)的油型氣總量降低。

圖6 持續(xù)出氣時(shí)間和持續(xù)出氣距離關(guān)系

3 底板油型氣自然釋放影響因素分析

在前文研究油型氣自然釋放規(guī)律的基礎(chǔ)上,統(tǒng)計(jì)了黃陵二號(hào)煤礦建礦以來(lái)的采掘工作面及探采鉆孔油型氣異常自然釋放點(diǎn)共計(jì)18個(gè),其中,二盤(pán)區(qū)主要為201、203、205及207工作面區(qū)域富縣組砂巖油型氣儲(chǔ)集層油型氣自然釋放點(diǎn)12個(gè),四盤(pán)區(qū)主要為405、407和409工作面區(qū)域瓦窯堡組砂巖層油型氣自然釋放點(diǎn)5個(gè)、二盤(pán)區(qū)205工作面區(qū)域瓦窯堡組砂巖層油型氣自然釋放點(diǎn)1個(gè)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,對(duì)異常自然釋放點(diǎn)的儲(chǔ)集層厚度、埋深、地質(zhì)構(gòu)造等因素進(jìn)行對(duì)比,系統(tǒng)研究各要素與油型氣自然釋放的作用及影響程度,具體影響規(guī)律如下。

3.1 儲(chǔ)集層厚度對(duì)底板油型氣自然釋放影響

通過(guò)對(duì)井田范圍內(nèi)205掘進(jìn)面、203回采面、409回采面等3個(gè)區(qū)域的油型氣自然釋放強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定,共測(cè)定10個(gè)異常自然釋放點(diǎn)的數(shù)據(jù),并對(duì)自然釋放點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)集層厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),繪制了二者之間的關(guān)系散點(diǎn)圖。由圖7可以看出,對(duì)于二盤(pán)區(qū)富縣組儲(chǔ)集層油型氣自然釋放強(qiáng)度具有隨儲(chǔ)集層厚度增加而減小的趨勢(shì),二者的關(guān)系為q=-0.333mc+4.378(R2=0.150);四盤(pán)區(qū)瓦窯堡組儲(chǔ)集層油型氣自然釋放強(qiáng)度具有隨儲(chǔ)集層厚度增加而增加的趨勢(shì),二者的趨勢(shì)關(guān)系符合q=0.222mc-2.299(R2=0.337)。

圖7 油型氣自然釋放強(qiáng)度與儲(chǔ)集層厚度關(guān)系

3.2 儲(chǔ)集層埋深對(duì)底板油型氣自然釋放影響

從目前所揭露的油型氣富集區(qū)的油型氣自然釋放量與儲(chǔ)集層埋深的散點(diǎn)圖(圖8)可以看出,隨著儲(chǔ)集層埋藏深度的增加,油型氣自然釋放量呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì),二者顯示出負(fù)相關(guān)關(guān)系,但相關(guān)性不大,數(shù)據(jù)較離散。同時(shí),對(duì)于同一儲(chǔ)集層來(lái)講,二盤(pán)區(qū)富縣組和四盤(pán)區(qū)瓦窯堡組儲(chǔ)集層埋藏深度與自然釋放量無(wú)明顯關(guān)系。

圖8 油型氣自然釋放量與儲(chǔ)集層埋深關(guān)系

3.3 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)底板油型氣自然釋放影響

統(tǒng)計(jì)油型氣自然釋放點(diǎn)共計(jì)18個(gè),其中處于背斜構(gòu)造部位的有13個(gè)、向斜構(gòu)造部位的有4個(gè)、背斜和儲(chǔ)集層裂隙雙重構(gòu)造的有1個(gè),分別占總數(shù)量的百分比為72%、22%和6%,結(jié)果如圖9所示。

圖9 各地質(zhì)要素相關(guān)的自然釋放點(diǎn)比例構(gòu)成

從建立的油型氣自然四方強(qiáng)度與各地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系圖(圖9)可以看出,在影響油型氣自然釋放的各地質(zhì)要素內(nèi),油型氣自然釋放有強(qiáng)有弱,即在各地質(zhì)要素內(nèi),均有可能發(fā)生油型氣自然釋放。需要強(qiáng)調(diào)的是,在背斜和裂隙的雙重控制下,鉆孔油型氣自然排放強(qiáng)度較其他單一要素控制下的強(qiáng)度要大很多,如圖10所示。

圖10 油型氣自然釋放量與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系

綜上所述,油型氣自然釋放與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系較為密切,目前發(fā)生的自然排放點(diǎn)均處于背斜、向斜等構(gòu)造部位,受地質(zhì)構(gòu)造的控制作用較明顯。在多種地質(zhì)因素綜合作用下,油型氣自然釋放更為強(qiáng)烈。不論是富縣組砂巖層油型氣還是瓦窯堡組砂巖層油型氣,對(duì)底板油型氣自然釋放影響較為顯著的影響因素為地質(zhì)構(gòu)造。

結(jié)合以上分析所得特征及規(guī)律,在巷道掘進(jìn)前,需要根據(jù)地質(zhì)勘探鉆孔以及鄰近區(qū)域油型氣分布資料進(jìn)行油型氣分布預(yù)測(cè),布置超前探采鉆孔進(jìn)行油型氣預(yù)抽;工作面回采時(shí),油型氣抽采鉆孔的終孔位置需要布置在靠近儲(chǔ)層、鉆孔終孔位置靠近工作面中心位置且處于回采面后方受采動(dòng)卸壓效果比較好的區(qū)域。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)掘進(jìn)工作面底板油型氣自然釋放位置及持續(xù)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得出油型氣自然釋放量與持續(xù)時(shí)間符合冪指數(shù)關(guān)系,涌出衰減系數(shù)平均為1.55 d-1。

(2)通過(guò)對(duì)回采面出氣鉆孔數(shù)據(jù)分析可知,鉆孔終孔垂深越靠近儲(chǔ)層、鉆孔終孔位置越靠近工作面中心位置且處于回采面后方受采動(dòng)卸壓效果比較好的區(qū)域時(shí),最有利于抽采油型氣。

(3)通過(guò)對(duì)儲(chǔ)層厚度、儲(chǔ)集層埋深和地質(zhì)構(gòu)造對(duì)底板油型氣自然釋放影響進(jìn)行分析,認(rèn)為地質(zhì)構(gòu)造是影響油型氣自然釋放的主控因素,在采掘過(guò)程中應(yīng)該先探后采。