瓦斯治理中己15.16-24070 順層鉆孔抽采優化研究

趙春輝

（中國平煤神馬控股集團平煤股份煤炭開采利用研究院瓦斯所實驗室，河南 平頂山 467000）

1 研究背景

根據平煤股份十礦煤層構造、賦存瓦斯含量及瓦斯壓力等地質條件，將己15.16-24 070 風巷外段作為研究對象，基本參數為：標高為-623～-526 m，原始瓦斯含量為11.98 m3/t，煤層走向為110°，傾向為230°，煤厚為2.8～4.2 m，煤層傾角為12°～20°，且賦存穩定，直接頂板為中厚層狀泥巖、砂質泥巖，厚度為5.2～7.0 m，其中上部為砂質泥巖，致密；下部為薄層碳質泥巖，巖性較弱，強度低，易碎；底板為砂質泥巖，厚度為1.30～6.5m，東薄西厚，屬松軟底板。在該條件下，選擇在煤層上部開采保護層，但是頂板砂質泥巖較硬，開采保護層施工困難且成本較高，不符合該礦實際施工條件和生產要求，故該煤層不采用開采保護層的方法。

抽采鉆孔預抽煤層瓦斯是礦井瓦斯抽采的重要方法，是突出危險煤層采掘工程中防突的基本措施。本次以平煤股份十礦己15.16-24 070 為研究對象，通過向煤層內布置大量且密集的鉆孔，使地應力下降、透氣性系數和煤的堅固性系數提高，以達到利用優化鉆孔消除突出危險的目的。

2 瓦斯運移模式

鉆孔周圍瓦斯擴散運動是比較緩慢的過程，前期排出的瓦斯主要是游離態，靠近鉆孔孔壁的瓦斯先排出孔壁外，煤體內外瓦斯形成濃度差，瓦斯從裂隙里向外擴散流出，使煤層內瓦斯濃度降低，瓦斯壓力減小。針對煤層瓦斯突出危險區域進行的研究分析發現[1]，要打破煤層中的瓦斯壓力平衡，使煤層局部卸壓，同時排放瓦斯釋放其潛能，經過長時間的鉆孔預抽，降低瓦斯壓力和瓦斯含量，從而使其卸壓。

圖1 為鉆孔周圍瓦斯運移變化圖。由圖1 可知，在d1階段，鉆孔周圍煤層變化，產生細微裂隙，裂隙相對較大，瓦斯涌出量較多，向孔壁涌出，此時，瓦斯運移以菲克擴散為主；在d2階段，煤體壓力逐漸平衡，裂隙孔隙也由大變小逐漸填實，瓦斯涌出量由大變小，即過渡型擴散[2]，在煤體中吸附態瓦斯減少，瓦斯運移以滲流為主；在d3階段，煤體壓力平衡，裂隙孔隙結構不會變化，瓦斯滲流基本停止，瓦斯不再發生運移。

圖1 鉆孔周圍瓦斯運移變化圖

3 順層鉆孔優化

3.1 優化抽采鉆孔方法

在鉆孔作業時，影響因素有：鉆孔的角度、長度、鉆孔個數、孔徑和孔間距等[3]，根據煤層賦存條件、開采方法和巷道布置的不同，主要采用以下兩種方法進行鉆孔優化，以達到增加煤層瓦斯流動、提高鉆孔抽采效果的目的。

3.1.1 增大鉆孔半徑和長度

當鉆孔瓦斯流動半徑R=10 m、其他參數不變的情況下，如果鉆孔半徑從0.1 m 增加到1 m，則鉆孔瓦斯流量的變化率為2，即鉆孔半徑增加到10 倍，鉆孔瓦斯流量增加到2 倍[4]。研究區在鉆孔施工工藝允許的條件下，應盡可能加大鉆孔的直徑、增加鉆孔的見煤長度，以提高鉆孔瓦斯抽采量[5]。

3.1.2 增加鉆孔密度

對于低透氣性煤層，每個鉆孔控制的瓦斯的流動場的范圍是比較小的，隨著時間的不斷增加，瓦斯的流動場擴展的范圍也相對較小。研究區為增加鉆孔密度且同時縮短鉆孔間距，達到相鄰兩個鉆孔間瓦斯流動半徑相切，互不影響[6]。當鉆孔密度達到一定程度時，對煤層起到卸壓作用。圖2 為不同鉆孔間距的抽采效果。由圖2 可知，預抽中瓦斯的流動場相互不受干擾時，能有效提高煤層瓦斯抽采量。

圖2 不同鉆孔間距的抽采效果

3.2 鉆孔設計與施工

回采工作面的區域瓦斯治理措施采用順層鉆孔預抽回采區域煤層瓦斯，傾斜長度為205～245 m，回采巷道布置試驗鉆孔布置在巷道里程85 m 向里的210 m 區域，煤層平均厚度為3.5 m，煤層傾角為12°，鉆孔采用94 mm 鉆頭，成孔直徑為110 mm，鉆孔設計孔深為35～65 m。在研究區沿煤層施工4 組平行鉆孔，每組設計10 個鉆孔，每組鉆孔之間的距離分別為1.4 m（第一組）、2.2m（第二組）、3.0m（第三組） 和3.8 m（第四組）。圖3 為己15.16-24070 工作面鉆孔布置示意圖。

圖3 己15.16-24070 工作面鉆孔布置示意圖

巷道鋪設兩趟抽放管路，一趟304.8 mm（12 in）的管路直接由地面永久瓦斯抽采泵站進行抽采，抽采系統穩定，抽采能力充足；另一趟203.2 mm（8 in）的管路對平煤股份十二礦己15-17180、己15-17 200 采空區進行抽放發電。抽采系統安裝有若干套抽采自動計量監控裝置（GLY 管道流量傳感器、GJG100h（c） 管道紅外傳感器），對瓦斯抽采濃度、管路負壓、抽采量等實時監控和準確計量。

各組考察鉆孔瓦斯流動半徑分別為0.5 m、1.0 m、1.5 m 和2.0 m。鉆孔設計長度為65 m，鉆孔孔徑為110 mm，封孔深度為11 m，封孔采用囊袋+膨脹水泥的“兩堵一注”封孔方式[7]。鉆孔在封孔后，分組計算抽采量。己15.16-24070 風巷考察鉆孔施工參數詳見表1。

表1 己15.16-24070 風巷考察鉆孔施工參數表

4 鉆孔效果檢驗

4.1 鉆孔參數指標檢驗

研究區原始瓦斯含量為11.93 m3/t，對回采工作面進行鉆孔瓦斯預抽后，檢驗研究區是否有突出危險，其指標主要采用煤層殘余瓦斯含量和施工檢驗孔過程中是否發生噴孔、頂鉆、夾鉆及其他明顯突出預兆。各組檢驗鉆孔實測殘余瓦斯含量平均值分別 為6.13 m3/t、5.44 m3/t、6.61 m3/t、7.11 m3/t，所有檢驗鉆孔均未發生鉆孔瓦斯動力現象。

在工作面消突方面，由實際參數監測，分析出各組殘余瓦斯含量均小于8.00 m3/t，根據《防治煤與瓦斯突出規定》第五十三條規定，評判研究區為無突出危險區。由此提出一種瓦斯治理信息管理框架，以滿足瓦斯治理過程中各類信息接入和管理的需求[8]，創新了煤礦瓦斯治理工作管理模式。在抽采達標方面，按照煤礦安全生產需要，采取區域措施后，根據己15.16-24 070 工作面可解吸瓦斯含量應達到的指標（見表2），研究區井下可解吸瓦斯含量不大于6.00 m3/t，試驗室煤樣殘存瓦斯含量為1.46 m3/t。根據《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》，預抽后可解吸瓦斯含量和殘余瓦斯含量不大于7.52 m3/t。由以上數據得出：瓦斯預抽率應達到24.32%。結合效檢結果分析的實際抽放半徑見表3。

表2 己15.16-24070 工作面可解吸瓦斯含量應達到的指標

表3 結合效檢結果分析的實際抽放半徑

4.2 鉆孔實際抽采效果

孔板安裝完成后，每天八點班安排專人測定并記錄抽采參數，根據抽采效果監測數據統計，第一組區域瓦斯儲量為29 460 m3，150 d 累計抽放量為7 697.89 m3，抽采率達26.13%；第二組區域瓦斯儲量為44 191 m3，150 d 累計抽放量為11 162.65 m3，抽采率達25.26%；第三組區域瓦斯儲量為58 921 m3，150 d 累計抽放量為16 497.84 m3，抽采率達27.97%；第四組區域瓦斯儲量為73 651 m3，150 d 累計抽放量為17 897.81 m3，抽采率達24.32%。

根據抽采指標和實際抽放半徑監測數據得出，己15.16-24070 順層鉆孔抽采的有效抽放半徑為2 m、抽采時間為150 d，第一組、第二組、第三組、第四組的平均抽采率達25.92%，可解吸瓦斯含量平均為6.00 m3/t，達到了降低瓦斯壓力的目的。

5 結論

通過對平煤股份十礦己15.16-24070 研究區順層鉆孔抽采優化研究，有效地消除了研究區煤與瓦斯突出的隱患，達到了煤層卸壓、瓦斯抽排的目的。研究區預抽瓦斯措施實施后，可解吸瓦斯含量不大于6.00 m3/t，實驗室煤樣殘存瓦斯含量為1.46 m3/t，符合《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》，同時4 組優化鉆孔瓦斯預抽期均不大于180 d。此次研究針對順層鉆孔優化，因地制宜，合理布孔，為高效抽采煤層瓦斯提供了理論參考和技術支撐，達到了利用鉆孔消除突出危險的目的。