超深高地應(yīng)力礦井瓦斯賦存規(guī)律及瓦斯治理研究

倫嘉云，聶百勝,4

(1．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083； 2．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083； 3．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)共伴生能源精準(zhǔn)開(kāi)采北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083； 4．新疆工程學(xué)院安全科學(xué)與工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830023)

隨著井下地質(zhì)條件的日趨復(fù)雜性，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注煤層瓦斯賦存和地質(zhì)條件之間的相互關(guān)系。20世紀(jì)50年代，蘇聯(lián)學(xué)者就開(kāi)始研究煤礦瓦斯賦存與地質(zhì)條件之間的規(guī)律，B.M.吉馬科夫[1]指出瓦斯在煤礦井下是分布不均的，與地質(zhì)因素有關(guān)。早期，國(guó)內(nèi)學(xué)者周世寧[2]曾指出煤層瓦斯賦存主要受兩方面因素的影響，一是煤自身的物理性質(zhì)，二是煤所處的地質(zhì)環(huán)境；楊宏民等[3]結(jié)合長(zhǎng)平礦井的區(qū)域地質(zhì)條件，總結(jié)其中的瓦斯涌出規(guī)律，揭示瓦斯賦存與地質(zhì)構(gòu)造兩者之間的關(guān)系；郭明濤等[4]和李永沖等[5]研究了水文地質(zhì)條件對(duì)瓦斯賦存的影響；孔勝利等[6]以西山煤田屯蘭煤礦為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)煤層瓦斯賦存主要受斷層的影響；趙俊山等[7]基于大量瓦斯測(cè)試數(shù)據(jù)，研究了唐家河井田地質(zhì)構(gòu)造及水動(dòng)力條件對(duì)瓦斯賦存的影響。

此外，關(guān)于煤層瓦斯壓力的測(cè)定，其數(shù)值測(cè)定的準(zhǔn)確性與封孔工藝和封孔材料具有很大關(guān)系。張宏超[8]、袁桂生等[9]研究了囊式帶壓封孔工藝，并與聚氨酯封孔工藝做了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)采用囊式帶壓封孔的瓦斯抽采效果較好；李時(shí)宜等[10]采用天固封孔材料結(jié)合帶壓封孔工藝，提高了劉莊煤礦的瓦斯抽采濃度；王小朋等[11]研制了一種以粉煤灰為基料的一種新型膠體材料，這種材料的封孔效果明顯優(yōu)于常規(guī)材料的封堵效果；梁玉柱[12]對(duì)固體顆粒二次封孔的技術(shù)開(kāi)展了研究，并在現(xiàn)場(chǎng)得到了使用。

目前，超深礦井普遍存在采煤工作面上隅角瓦斯積聚問(wèn)題[13]，榮麗軍[14]、高超[15]和高要昌等[16]分析了綜采工作面上隅角瓦斯積聚的原因，提出了切實(shí)有效的治理方案；霍雨佳等[17]采用數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況，在采空區(qū)埋管抽放的基礎(chǔ)上添加引流裝置，對(duì)消除上隅角瓦斯積聚取得了良好的效果；李長(zhǎng)興等[18]采用Bayes-逐步判別分析模型對(duì)礦井煤與瓦斯突出進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果比較理性。

上述學(xué)者主要研究了煤層瓦斯的賦存規(guī)律、瓦斯壓力測(cè)定的封孔方法或者新的封孔材料以及上隅角瓦斯超限問(wèn)題的解決辦法，對(duì)超深高地應(yīng)力的復(fù)雜地質(zhì)條件下煤層瓦斯的賦存以及災(zāi)害治理的研究比較少。本文采取帶壓注漿封閉雙松動(dòng)圈的方法來(lái)測(cè)定千米礦井的煤塵瓦斯壓力，建立煤層瓦斯含量與埋深、煤層瓦斯壓力與埋深之間的數(shù)學(xué)方程，并對(duì)綜采工作面的瓦斯涌出規(guī)律進(jìn)行了研究，提出了治理上隅角瓦斯積聚的方法。

1 帶壓注漿封閉雙松動(dòng)圈的特殊封孔工藝測(cè)定煤層瓦斯壓力

帶壓注漿封閉雙松動(dòng)圈的特殊封孔法為復(fù)雜地質(zhì)條件下的一種新型的瓦斯壓力測(cè)定方法，可以提高封孔質(zhì)量，封堵裂隙及漏水通道，從而快速準(zhǔn)確的測(cè)定煤層的瓦斯壓力。其詳細(xì)步驟如圖1所示。

圖1 帶壓注漿封閉雙松動(dòng)圈的特殊帶壓封孔工藝測(cè)定瓦斯壓力施工步驟Fig.1 Construction steps of three sealing gas pressure measurement

1) 選定鉆場(chǎng)：盡可能在巖巷中布置鉆場(chǎng)位置。

2) 用108 mm鉆頭，打注漿鉆孔，鉆進(jìn)3 m后停止。

3) 撤出鉆桿，保持鉆機(jī)的方位角和傾角不變。

4) 安裝孔口管(一次封孔)。在孔口管上套上一個(gè)法蘭盤，在法蘭盤一側(cè)纏繞茅草繩，把孔口管初步固定于鉆孔內(nèi)；用鐵絲把法蘭盤上預(yù)留的孔和事先打好的錨桿連接起來(lái)，把孔口管固定于鉆孔內(nèi)。

5) 注漿泵的安裝。注漿泵和變徑管通過(guò)高彈力膠管和鐵絲連接；注漿結(jié)束后，等待2～6 d后漿液基本凝固，此為第二次封孔。

6) 檢查鉆機(jī)的方位角與傾角是否發(fā)生變化。

7) 如果方位角和傾角均未發(fā)生變化，換上75 mm的鉆頭打孔，直至打穿煤層；如果方位角和傾角發(fā)生變化，需要重新選取鉆場(chǎng)開(kāi)始第一步工作。

8) 撤出鉆桿和鉆機(jī)，第三次封孔測(cè)壓。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 礦井概況

礦井位于山東省西南部的嘉祥縣，其中的3(3上)煤層為主采煤層。3(3上)煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，構(gòu)造地應(yīng)力極大，對(duì)采掘工藝和瓦斯賦存和運(yùn)移影響顯著。

為保證3(3上)煤層的安全生產(chǎn)，防止在開(kāi)采過(guò)程中瓦斯事故的發(fā)生，針對(duì)3(3上)煤層所在的地質(zhì)賦存情況，開(kāi)展了超深高地應(yīng)力復(fù)雜地質(zhì)條件下，瓦斯賦存及涌出規(guī)律與瓦斯綜合治理的研究，為以后礦井開(kāi)采過(guò)程中制定切實(shí)可行的瓦斯防治措施提供依據(jù)。

2.2 瓦斯地質(zhì)規(guī)律研究

為了準(zhǔn)確測(cè)得3(3上)煤層的瓦斯壓力，選擇在5個(gè)地點(diǎn)測(cè)定，分別布置在：①東翼軌道大巷；②東翼總回風(fēng)巷；③東翼回風(fēng)迎頭；④35001工作面；⑤西翼軌道大巷。瓦斯壓力測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 3(3上)煤層測(cè)壓鉆孔施工參數(shù)及測(cè)壓結(jié)果Table 1 Construction parameters and pressure measurement results of 3 (3上) coal seam

從表1中可以得知，瓦斯壓力取最大值，3(3上)煤層瓦斯壓力為0.62 MPa。此外，煤層瓦斯壓力和含量分布具有以下特征：3(3上)煤層全部處在甲烷帶，甲烷成分高于90%；3(3上)煤層瓦斯壓力和含量主要受煤層埋藏深度的影響。采用Origin 8.6軟件對(duì)煤層瓦斯壓力、瓦斯含量與煤層埋深進(jìn)行線性擬合處理，得到3(3上)煤層瓦斯壓力、含量與埋深的關(guān)系如圖2和圖3所示。

從圖2中可以看出，煤層瓦斯壓力與煤層埋深呈正相關(guān)。 結(jié)合表1中現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的數(shù)據(jù)可知，瓦斯壓力從884.85 m的0.52 MPa增加到了1 042.24 m的0.62 MPa。煤層埋深每增加100 m，瓦斯壓力大約增加0.06 MPa。瓦斯壓力和煤層埋深之間的關(guān)系為式(1)。利用式(1)，根據(jù)煤層埋深，可以預(yù)測(cè)未開(kāi)采煤層的瓦斯壓力大小，進(jìn)而指導(dǎo)防突工作的開(kāi)展，保證煤礦安全生產(chǎn)。

y=0.000 6x+0.013 1

(1)

式中：x為煤層埋藏深度，m；y為煤層瓦斯壓力，MPa。

圖2 3(3上)煤層瓦斯壓力與埋深關(guān)系Fig.2 Relationship between gas pressure in seam and burial depth of 3(3上) coal seam

圖3 3(3上)煤層瓦斯含量與埋深關(guān)系Fig.3 Relationship between gas content in seam and burial depth of 3(3上) coal seam

從圖3中可以看出，瓦斯含量隨埋藏深度的增加逐漸增大，含量從埋深884.85 m的3.709 m3/t增長(zhǎng)到埋深1 039 m的3.918 m3/t。煤層埋深每增加100 m，瓦斯含量大約增加0.13 m3/t。兩者之間近似滿足線性式(2)。利用式(2)，可以預(yù)測(cè)不同埋深煤層的瓦斯含量，對(duì)瓦斯抽采巷道的布置等有著重要的指導(dǎo)意義。對(duì)高瓦斯煤層進(jìn)行抽采，能夠有效降低瓦斯壓力，減小了煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

y=0.001 3x+2.575 6

(2)

式中：x為煤層埋藏深度，m；y為煤層瓦斯含量，m3/t。

2.3 瓦斯涌出規(guī)律研究

為了分析并確定回采工作面瓦斯涌出源，以及工作面瓦斯?jié)舛确植己屯咚惯\(yùn)移規(guī)律。根據(jù)單元法的計(jì)算原理[19]，將3(3上)煤層3502工作面劃分為8個(gè)單元，如圖4所示，每個(gè)單元內(nèi)布置一個(gè)測(cè)站，每個(gè)測(cè)站內(nèi)布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖5所示，同時(shí)在距采面25 m左右的進(jìn)、回風(fēng)巷斷面各布置一個(gè)測(cè)站，測(cè)量瓦斯?jié)舛群惋L(fēng)量。測(cè)定的瓦斯數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

瓦斯平衡和風(fēng)量平衡的計(jì)算示意圖如圖6所示。

圖4 單元?jiǎng)澐謭DFig.4 Unit division

圖5 工作面測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.5 Measuring points layout of working face

圖6 瓦斯平衡和風(fēng)量平衡計(jì)算示意圖Fig.6 Gas and air volume balance calculation scheme

每個(gè)單元遵循瓦斯平衡和風(fēng)量平衡，滿足式(3)。

(3)

式中：qgoaf為從采空區(qū)涌(出)入各單元的瓦斯量，m3/min；qface為單元內(nèi)煤壁、頂?shù)装寮奥涿旱耐咚褂砍隽浚琺3/min；Qin為流入各單元的風(fēng)量，m3/min；Qout為流出各單元的風(fēng)量，m3/min；Q1為從采空區(qū)流(出)入各單元的漏風(fēng)量，m3/min；c1為采空區(qū)漏風(fēng)流的瓦斯?jié)舛龋?；cin為流入各單元風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛龋?；cout為流出各單元風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛龋?。

表2 3502工作面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Table 2 Measured data of 3502 work face

由表2可以看出，從進(jìn)風(fēng)巷到回風(fēng)巷這一寬度范圍內(nèi)采空區(qū)的瓦斯?jié)舛葟?.1%上升到0.24%。人行道中的瓦斯?jié)舛仍谶M(jìn)風(fēng)側(cè)為零，靠近回風(fēng)側(cè)在0.02%～0.06%之間。煤壁的瓦斯?jié)舛仍诳拷M(jìn)風(fēng)一側(cè)由于新鮮風(fēng)流的進(jìn)入，會(huì)帶走煤壁解吸出的瓦斯氣體，使得監(jiān)測(cè)點(diǎn)1-1處的數(shù)值為零，其他測(cè)點(diǎn)的瓦斯?jié)舛染?.02%～0.06%之間。回風(fēng)巷中的瓦斯?jié)舛葹?.08%，低于規(guī)定的1%，雖然對(duì)3502工作面的生產(chǎn)不會(huì)產(chǎn)生影響，但是仍然需要時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)回風(fēng)巷中的瓦斯?jié)舛取墓ぷ髅骘L(fēng)量角度來(lái)看，進(jìn)風(fēng)巷流入1 294 m3/min的風(fēng)量，回風(fēng)巷流出1 302 m3/min的風(fēng)量，兩者并不相等，這說(shuō)明了有一部分風(fēng)量流入采空區(qū)。

根據(jù)單元法原理，對(duì)3502工作面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果見(jiàn)表3。

基于風(fēng)量平衡和瓦斯流量平衡，通過(guò)對(duì)表3分析可知：進(jìn)風(fēng)側(cè)的風(fēng)流從工作面流入采空區(qū)，起到了稀釋采空區(qū)瓦斯?jié)舛鹊淖饔茫圆煽諈^(qū)瓦斯?jié)舛容^低，為0.13%～0.17%。同時(shí)，采空區(qū)內(nèi)的風(fēng)流也會(huì)流向工作面，這一過(guò)程會(huì)攜帶瓦斯氣體一同流向回風(fēng)巷，表現(xiàn)為回風(fēng)巷一側(cè)的采空區(qū)瓦斯?jié)舛绕撸瑸?.20%～0.21%。由于上隅角位置是采空區(qū)極易漏風(fēng)的地點(diǎn)，而且瓦斯密度小于井下空氣，所以很容易造成回風(fēng)側(cè)上隅角瓦斯積聚，給生產(chǎn)帶來(lái)威脅。因此，必須加強(qiáng)回風(fēng)側(cè)上隅角位置的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)瓦斯?jié)舛瘸蓿瑧?yīng)立即采取措施進(jìn)行治理。

表3 3502工作面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果Table 3 Measured data processing results of 3502 work face

3 上隅角瓦斯治理措施

針對(duì)上隅角瓦斯積聚的問(wèn)題，采取上隅角埋管抽采的方法，并在現(xiàn)場(chǎng)得到了應(yīng)用。即：工作面開(kāi)采前沿風(fēng)巷上幫敷設(shè)一趟Ф300 mm瓦斯管，如圖7所示，每30 m抽采管留設(shè)一個(gè)Ф300 mm變Ф219 mm的三通，安裝立管，加設(shè)堵板，立管安裝高度大于1.5 m。在抽放管出口處安裝抽放泵，利用抽放泵抽放采空區(qū)上隅角瓦斯。使用這種方法后，通過(guò)對(duì)上隅角瓦斯?jié)舛冗B續(xù)30 d的持續(xù)監(jiān)測(cè)，均未出現(xiàn)瓦斯?jié)舛雀哂?.5%，這說(shuō)明了上隅角埋管+抽放泵抽放的方法能夠有效解決上隅角瓦斯積聚問(wèn)題。由于煤層瓦斯含量高，所以在開(kāi)采過(guò)程中需要一直采取這種措施來(lái)降低上隅角瓦斯?jié)舛龋ＷC生產(chǎn)過(guò)程安全。

圖7 上隅角埋管+抽放泵抽放上隅角瓦斯Fig.7 Upper corner pipe+drainage pumps drainage on the upper corner gas

4 結(jié) 論

1) 采用帶壓注漿封閉雙松動(dòng)圈的特殊封孔法測(cè)得的3(3上)煤層瓦斯壓力為0.62 MPa。煤層瓦斯壓力及瓦斯含量均隨煤層埋深的增加而增加，煤層埋深每增加100 m，壓力增加0.06 MPa，瓦斯含量增加0.13 m3/t。

2) 采用單元法分析得到3(3上)煤層綜采工作面的回風(fēng)側(cè)上隅角瓦斯存在積聚現(xiàn)象，采取上隅角埋管+抽放泵抽放的方法有效地降低了上隅角瓦斯?jié)舛龋ＷC了安全生產(chǎn)。