新大地煤礦本煤層瓦斯超前卸壓抽采試驗研究＊

吳仁倫 許家林 秦 偉 王中偉 張海平 田林祥

(1.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇省徐州市,221008;2.中國礦業大學礦業工程學院,江蘇省徐州市,221116)

陽泉礦區是我國典型的高瓦斯礦區,經過長期不懈的實踐和創新,陽泉礦區形成了一套獨特的煤層卸壓瓦斯抽采與綜合治理技術體系,基本解決了煤層開采中的瓦斯問題。但是,隨著開采深度的增加,本煤層瓦斯原始含量有明顯的增大,煤層瓦斯涌出量大幅增加,導致工作面瓦斯頻繁超限,嚴重影響安全高效開采。因此,要保證安全開采,必須對煤層瓦斯進行抽采,但由于陽泉礦區開采煤層滲透率低,瓦斯預抽難度較大。實踐證明,一旦煤層開采引起巖層移動,即使是滲透率很低的煤層,其滲透率也將增大數十倍至數百倍,這就給瓦斯的抽采提供了可能。工作面超前支承壓力對本煤層滲透率變化起主導作用,掌握超前支承壓力對本煤層瓦斯的卸壓影響規律,能夠提高煤層瓦斯抽采效果,保證高瓦斯、低透氣性煤層的安全高效開采。為此,在多個煤礦開展了本煤層超前卸壓瓦斯抽采試驗,本文主要介紹在新大地煤礦15101綜放面的試驗情況。

1 15101工作面概況

山西新大地煤業有限公司主采15#煤層,15101綜放面為該礦首采面,工作面埋深344～337 m,走向長度為500 m,傾斜長度為121 m,煤層厚度為4.50～5.30 m,平均厚度為4.90 m,傾角為8～12°,局部達到20°。15#煤層絕對瓦斯涌出量為18.48 m3/t,瓦斯壓力1.25為MPa,煤層透氣性系數為0.175 m2/(MPa2·d),百米鉆孔自然瓦斯流量衰減系數為0.0417/d。

2 本煤層瓦斯抽采鉆孔布置

15101綜放面本煤層瓦斯抽采鉆孔均沿進風巷布置,所有鉆孔均平行于切眼、垂直于工作面進風巷、沿煤層傾角布置,鉆孔開孔位置距煤層底板1.5 m,鉆孔間距5 m,孔徑?60 mm,孔深90 m,本煤層瓦斯抽采鉆孔布置如圖1所示。

圖1 15101綜放面本煤層瓦斯抽采鉆孔布置示意圖

3 本煤層瓦斯超前卸壓抽采的實測研究

3.1 實測方案

工作面開采過程中,106個本煤層鉆孔全部進行抽采,在距切眼100 m范圍內的20個鉆孔管路上各安裝1個孔板流量計,對單孔瓦斯抽采變化情況進行監測;在瓦斯抽采總管路上安裝1臺直讀式流量計,監測本煤層瓦斯抽采總量變化情況。此外,每天在回風巷和外錯尾巷出口處進行風量和風排瓦斯濃度的實測,據此分析煤層風排瓦斯量的變化,考察煤層鉆孔的預抽效果。

圖2 距工作面不同距離下7#鉆孔瓦斯抽采情況

3.2 數據分析

15101綜放面自2009年10月10日試采起至2009年12月3日觀測結束,工作面累計推進124.05 m,其中7#和9#觀測鉆孔的抽采情況如圖2、圖3所示,15101綜放面超前支承壓力與本煤層鉆孔瓦斯抽采量之間的關系如圖4所示,煤層鉆孔瓦斯抽采量統計如表1所示。

由圖2～4和表1看出,工作面生產過程中的礦山壓力對提高本煤層鉆孔抽采效果起到很顯著的作用,通過觀測可以發現進風巷瓦斯抽采鉆孔抽采量變化情況大致可以分為如下4個時期。

(1)瓦斯抽采原始期。該階段內煤體未受到工作面生產的影響,煤體的應力場、孔隙度以及瓦斯的賦存狀態都未發生變化,鉆孔瓦斯抽采效果保持原始抽采狀態。其中單孔抽采量在0.002～0.190 m3/min之間,平均為0.032 m3/min。

(2)瓦斯抽采減弱期。煤體受到工作面開采的影響,工作面前方支承壓力開始增高并達到峰值,煤巖體孔隙受擠壓而封閉、收縮,使煤體透氣性降低,因而瓦斯流量和瓦斯抽采量相應減少。其中單孔抽采量在0.001～0.284 m3/min之間,平均為0.029 m3/min,為原始抽采期的0.91倍。

表1 本煤層鉆孔瓦斯抽采量統計

(3)瓦斯抽采增長期。這一時期工作面超前支承壓力開始降低,煤巖層的應力場和裂隙場發生改變,在煤體中形成了煤層采動裂隙,而且瓦斯壓力也有所減小,相應吸附態瓦斯轉化為游離態瓦斯,從而使得鉆孔瓦斯抽采量逐漸增大。本階段鉆孔瓦斯抽采量保持上升趨勢,并達到最大值,其中單孔最大值在0.014～0.648 m3/min之間,平均為0.225 m3/min,為原始抽采期的7.03倍。

(4)瓦斯抽采衰減期。該階段內煤體仍處于超前支承壓力的應力降低區內,但由于煤層內的橫向采動裂隙與工作面連通,鉆孔抽采瓦斯的能力開始逐漸降低,瓦斯抽采量也開始下降,但仍高于原始抽采期瓦斯抽采量,平均為原始抽采期的6.19倍。

3.3 制定本煤層卸壓瓦斯抽采管理制度

由前面實測分析可知,處于瓦斯抽采增長期和瓦斯抽采衰減期內(工作面前方20 m范圍)的本煤層鉆孔,受采動影響瓦斯抽采量有明顯提升,該范圍內瓦斯抽采總量約占本煤層瓦斯抽采總量的43.23%～67.28%,平均為57.83%。因此,新大地煤礦15#煤層工作面前方20 m范圍是本煤層瓦斯抽采的最佳時期。但是,在實際生產過程中,這一區間又處于巷道超前支護的范圍,在超前支護和生產過程中,可能會出現由于操作不當而使鉆孔及管路的密封性遭到破壞的現象,甚至還會出現提前拆除抽采管路的現象,這都會嚴重影響鉆孔的抽采效果。此外,進、回風側推進速度差異較大而造成本煤層抽采鉆孔孔口側超前于終孔位置時,會造成孔口提前破壞而縮短鉆孔服務周期,從而減弱抽采效果。同時,由于本煤層抽采鉆孔和管路漏氣嚴重,導致同時抽采的鉆孔數目較少,瓦斯抽采量偏低。因此,為了保證開采過程中煤層卸壓瓦斯抽采鉆孔的抽采效果,應當制定嚴格的管理制度,對瓦斯抽采鉆孔管路的密封性、拆除位置和開孔位置等進行規范,具體規定如下:

(1)必須保證瓦斯抽采鉆孔及管路具有良好的氣密性,封孔時必須保證封孔長度不得小于4 m,在鉆孔抽采期間需指派專人定時進行檢查,一旦發現漏氣現象要立即采取封堵措施;

(2)瓦斯抽采鉆孔管路只能在距工作面3 m以內的位置拆除,如遇特殊情況必須由相關負責人批準方可拆除;

(3)如工作面傾角較大,需要進行偽斜開采時,則鉆孔開孔應當布置在工作面進、回風兩側中推進滯后的一側,即保證每個鉆孔從終孔位置開始逐步破壞。

4 結論

(1)受工作面超前支承壓力影響,本煤層瓦斯抽采鉆孔的抽采量隨工作面位置變化可劃分為4個時期:瓦斯抽采原始期、瓦斯抽采減弱期、瓦斯抽采增長期和瓦斯抽采衰減期。

(2)新大地煤礦15#煤層工作面前方20 m范圍(瓦斯抽采增長期和瓦斯抽采衰減期)是本煤層瓦斯抽采的最佳時期,瓦斯抽采總量平均為本煤層瓦斯抽采總量的57.83%。

(3)為保證本煤層瓦斯抽采效果,鉆孔封孔長度不得小于4 m,鉆孔管路只能在其距工作面3 m以內的位置拆除,鉆孔孔口應當布置在工作面進、回風兩側中推進滯后的一側,保證鉆孔的氣密性和有效抽采時間。

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