吉寧礦2#煤層瓦斯抽采最佳孔口負壓研究

2020-08-13 02:48:48蔣璋，侯俊

山西焦煤科技 2020年6期

蔣璋，侯俊

(山西焦煤集團有限責任公司，山西太原 030024)

瓦斯抽采已成為煤礦治理瓦斯的根本手段，而瓦斯抽采的效果直接影響瓦斯治理的效果。影響瓦斯抽采效果的內在和外在因素有很多，內在因素有煤層瓦斯含量、煤層透氣性、瓦斯解吸速度，外在因素有地質構造、封孔質量、煤層水分、抽采負壓等。馬金魁[1]研究表明：負壓為影響鉆孔瓦斯抽采效果的主要因素，直接影響著瓦斯抽采量和抽采濃度；鉆孔瓦斯抽采純量、抽采濃度與抽采負壓呈現明顯的二次函數關系。程遠平等[2]提出了隨抽采時間的增加，負壓的作用逐漸減弱，降低抽采負壓能夠有效提高抽采瓦斯濃度。

在抽采負壓對瓦斯抽采效果影響關系方面學者們進行了大量研究[3-5]，但大都僅對抽采負壓提出了一個比較寬泛的指導區間，而沒有給定特定條件下具體的抽采負壓。為了確定吉寧礦2#煤單一厚煤層鉆孔的最佳孔口負壓，開展了抽采負壓與瓦斯抽采效果的試驗研究。鑒于抽采時間對鉆孔抽采效果具有一定的影響，選擇剛施工不久的新鉆孔，通過試驗對比分析確定鉆孔孔口最佳抽采負壓，為吉寧礦瓦斯的高效經濟抽采提供參考。

1 礦井概況

吉寧礦井田面積17.684 3 km2，生產能力300萬t/a，批準開采2#、10#煤層；礦井絕對瓦斯涌出量82.5 m3/min，相對瓦斯涌出量14.45 m3/t. 礦井采用中央并列式通風方式，礦井總風量9 816 m3/min；地面高、低負壓瓦斯抽采泵站共安裝有4臺2BEC80-1BG3型水環式真空泵，配套電機900 kW，額定抽氣量700 m3/min，各一用一備，礦井現瓦斯抽采純量為40 m3/min.

礦井目前開采2#煤層，位于山西組中下部，屬全區穩定可采厚煤層，煤層厚度5.42～7.20 m，平均厚度6.22 m. 2#煤煤塵有爆炸性危險，自燃傾向性等級為Ⅱ類。根據中國礦業大學礦山開采與安全教育部重點實驗室2011年5月編制的《山西華晉吉寧煤業有限責任公司礦井2#煤層瓦斯參數及煤層透氣性系數測定研究報告》顯示，原始瓦斯壓力0.42 MPa，原始瓦斯含量6～11.65 m3/t；透氣性系數為0.023 008～0.085 813 m2/MPa2·d，鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.059 d-1，屬較難抽放煤層。

2 試驗數據采集與分析

2.1 試驗方案確定

為了盡量排除其他干擾因素對試驗的影響，最大限度地保證試驗的成功率和準確性，經考察和篩選，選取吉寧礦2#煤二盤區集中回風大巷本煤層預抽鉆孔作為試驗研究對象。該區域地質構造簡單，受采掘生產影響小；煤層厚度穩定，本煤層鉆孔成孔質量好且抽采時間短；抽采系統負壓可調節性強。該次試驗相關要求如下:

1) 選擇煤層完整，受采掘生產影響小的111#、113#、120#三個本煤層預抽鉆孔為試驗對象進行數據采集。

2) 所選抽采地點鉆孔為近期抽采鉆孔(抽采時間不超過1個月)，封孔質量及管路連接良好，單孔觀測裝置齊全(能觀測負壓、濃度、節流)，3個鉆孔在一個負壓狀態下要連續采集一組數據。

3) 數據采集采用抽采負壓遞增模式，每次負壓上升量盡可能保持平穩，每當上升一個負壓梯度，待穩定10 min后進行數據采集。

4) 數據采集過程中，井下抽采系統要保持穩定，不要進行管路放水、系統調整等影響穩定的作業。

2.2 試驗地點概況

根據試驗方案要求，試驗地點確定為該礦2#煤二盤區集中回風大巷，集中回風大巷屬于全煤掘進巷道，在1#回風大巷延伸端頭處開口施工，沿方位N42°49′W掘進。巷道設計全長1 635 m，凈寬5.5 m，凈高4.5 m，凈斷面24.75 m2，目前已施工到850 m. 集中回風大巷安裝2組2×55 kW風機，供風量為1 596 m3/min.

該巷道為準備大巷，四周均未采掘。抽采點0～600 m段蓋山厚度480～570 m，平均525 m.集中回風大巷0～185 m段有1條F15正斷層，發育在集中回風大巷130 m處，斷層落差為5 m，斷層附近煤層節理發育，頂板破碎，瓦斯涌出異常；在185～1 635 m段目前未發現其他地質構造，該地點地質條件簡單。根據各條大巷以往開拓施工對地表的破壞情況分析可知，集中回風大巷掘進施工對地表影響不大。

該地點煤層厚度5.47～6.15 m，平均5.81 m，煤層整體向北西傾斜，傾角-1°～-6°，一般-3°. 工作面內2#煤層節理發育，結構簡單，煤的堅固性系數為0.6，在煤層中下部夾一層泥巖矸石，平均厚度約0.33 m，煤層厚度變化不大，屬穩定煤層。

2.3 試驗數據測定

集中回風大巷從見煤點開始，垂直巷道走向，向未開拓的二盤區區域設計施工順層預抽鉆孔540個。由于煤層厚度大，鉆孔設計為“三花眼”高低位雙排布置，同排鉆孔間距6 m，下排鉆孔開孔位置距巷道底板1.2 m，上、下排鉆孔間距為0.8 m，鉆孔終孔d133 mm，單孔設計深度為105 m. 該次試驗所選3個鉆孔基本情況及測定結果見表1，表2.

表1 試驗鉆孔基本情況表

表2 試驗鉆孔測定結果表

2.4 試驗數據分析

1) 煤層透氣性和解吸速度分析。

由表2可知，113#鉆孔相較其他兩個孔瓦斯濃度偏低，但3個鉆孔在抽采過程中瓦斯濃度均超過40%，依據AQ1027-2006鉆孔封孔質量檢查標準，判定3個試驗鉆孔封孔質量全部合格，均視為處于穩定抽采時期。

張天軍等[6]提出了抽采負壓是影響鉆孔孔周煤體瓦斯滲流規律的重要因素之一，抽采負壓提供孔周煤體瓦斯向鉆孔內滲流的動力，其低速紊流狀態有利于瓦斯高效抽采。隨著抽采時間的增加，負壓對瓦斯的引流作用逐漸減弱，瓦斯流量隨時間呈現負指數衰減規律。在同一區域煤層，當鉆孔的外部條件恒定時，抽采混合量變化主要取決于2個因素，瓦斯的解吸速度及煤層透氣性系數。當解吸速度大于煤層透氣能力時，透氣性系數成為主控因素，隨著外部因素抽采負壓的增大，瓦斯克服煤層阻力能力加強，煤層透氣性系數增大，抽采混合量增大，且抽采濃度不降低。當解吸速度小于煤層透氣能力時，解析速度成為主控因素，隨著抽采負壓增大，煤層內吸附瓦斯轉變成游離瓦斯增多，抽采混合量不斷增大，但是抽采濃度不斷減小。這是因為抽采氣體中空氣的比例升高所致，而抽采空氣只取決于煤體的透氣性系數，與瓦斯解吸速度無關。

抽采濃度與抽采負壓關系曲線見圖1，由圖1可知，隨著抽采負壓的增加，鉆孔抽采濃度均有一定幅度的下降，說明瓦斯解吸速度較低，主控因素是瓦斯解吸速度。依據鄭吉玉等[7]現場測定的不同負壓下的鉆孔瓦斯濃度變化規律，結合吉寧礦的抽采數據來看，從試驗鉆孔開始抽采，瓦斯解吸速度就是決定鉆孔抽采混合量的主控因素。

圖1 抽采濃度與抽采負壓關系曲線圖

2) 最佳抽采負壓分析。

抽采負壓與抽采量的關系曲線見圖2，3. 由圖2和圖3可知，隨著抽采負壓的增大抽采混合量和抽采純量也不斷增大，但是增大的幅度逐漸減小，到16.6 kPa以后抽采混合量增加幅度很小，113#、120#鉆孔的抽采純量和抽采混合量極值在17 kPa附近出現，因此吉寧礦順層鉆孔孔口最佳抽采負壓以17 kPa為宜，抽采負壓過多超過的部分屬于抽采能力的浪費。