低透高吸附煤層大孔徑鉆孔預抽瓦斯技術及應用

孫劉詠,張興文,王 斌,王貴余,惠保安,魏宗勇

(1.陜西建新煤化有限責任公司,陜西 延安 727300;2.西安科技大學 安全科學與工程學院,陜西 西安 710054)

0 引言

我國煤炭的生產(chǎn)以及消費量處于世界各國的前列,煤炭資源是我國的主體能源[1-3],2022年我國煤炭產(chǎn)量達45.6億t,比上年增長10.5%。隨著煤炭機械化、智能化開采進度的加快,煤層開采不斷向深部轉(zhuǎn)移,加之高產(chǎn)、高效生產(chǎn)模式的普及,使得煤層開采面臨的瓦斯災害問題更加嚴峻[4]。瓦斯其實是一種的清潔高效的能源[5],隨著煤炭的生產(chǎn)而產(chǎn)生,煤層瓦斯抽采在優(yōu)化能源結構、保障煤礦安全生產(chǎn)、助力實現(xiàn)“雙碳”目標方面,具有重要意義[6-7]。鉆孔瓦斯抽采是治理瓦斯災害的有效手段[8-11],但我國瓦斯抽采效率普遍較低,瓦斯抽采效果受多種因素影響。近年來,隨著礦井開采強度的加大,治理瓦斯難度也逐漸增大。在工程方面,本煤層預抽鉆場間距小,鉆場數(shù)量多,施工難度大、成本高。在瓦斯抽采方面,煤層透氣性系數(shù)低,瓦斯衰減快,本煤層預抽效果不理想[12-15]。傳統(tǒng)負壓抽采技術無法克服煤層低滲難題,預抽耗時長、見效慢,無法滿足采掘接替和井下安全生產(chǎn)的需求。

現(xiàn)階段建新煤化公司抽、掘、采平衡銜接日益緊張,嚴重影響礦井的安全高效開采,成為制約企業(yè)安全發(fā)展的瓶頸。因此,試驗研究一套與4304工作面瓦斯賦存條件、采煤工藝相適應的可靠、經(jīng)濟、可行、有效的抽采技術并對其抽采效果進行評價迫在眉睫。

1 工程背景

陜煤建新煤礦煤層平均傾角3°,煤層的平均厚度8 m,屬于特厚煤層。其掘進工作面最大絕對瓦斯涌出量為3.5 m3/min,回采工作面最大絕對瓦斯涌出量31.00 m3/min,自2015年開始歷年來鑒定為高瓦斯礦井。

試驗工作面4304工作面位于43盤區(qū)東翼,工作面呈東北-西南方向布置,其西為4306工作面(未開采),東界為4302工作面(未開采),南界為43盤區(qū)大巷保護煤柱,北界為4-2煤層可采邊界。工作面地面標高+1 290～+1 545 m,井下標高+804～+880 m。工作面走向長度2 380.3 m,可采走向長度2 280.3 m,傾向長度300 m,可采面積669 090 m2。工作面煤層傾角2°～6°,平均3°,煤層厚度6.2～12.6 m,平均9.6 m,煤層內(nèi)發(fā)育1～2層夾矸,單層厚度在0.2～0.3 m,平均0.6 m,煤層有益厚度9.0 m。工作面地質(zhì)儲量918.6萬t,可采煤量806.9萬t。

4304運輸巷、回風巷掘進期間均采用FBDNO8.0/2×55 kW壓入式通風,配備φ1 000 mm阻燃正壓風筒。4304運輸巷配風量為680 m3/min。4304回風巷配風量為650 m3/min。4304大尺寸工作面采用“U”型通風系統(tǒng),如圖1所示。

2 煤層可抽性參數(shù)測試

煤層可抽性參數(shù)主要從瓦斯流量衰減系數(shù)、煤層透氣性系數(shù)來考量。鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)是指在不受采動影響的條件下,煤層內(nèi)鉆孔的瓦斯流量隨時間呈衰減變化的特性系數(shù)。對鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)的測定可以作為評價煤層預抽瓦斯難易程度的眾多指標之一。煤層透氣性系數(shù)是衡量煤層中瓦斯流動難易程度的重要指標,是評價煤層瓦斯能否實行預抽的基本參數(shù)。

圖1 4304綜放工作面布置示意Fig.1 Layout of 4304 fully mechanized caving face

2.1 4-2煤層瓦斯流量衰減系數(shù)

為保證煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)測定的科學可靠,整個測定過程中必須選擇未受采動影響或者其他探測鉆孔未影響區(qū)域進行。根據(jù)建新煤礦現(xiàn)實條件,選擇符合上述條件且容易施工的4304工作面回風順槽950 m處進行4-2煤層鉆孔瓦斯衰減系數(shù)進行測定。鉆孔具體布置如圖2所示。

圖2 衰減系數(shù)鉆孔布置示意Fig.2 Layout of attenuation coefficient boreholes

鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)表示鉆孔內(nèi)瓦斯流量隨排放時間的延長瓦斯流量呈衰減變化的系數(shù),是煤層瓦斯抽采難易程度評價指標之一。鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)的測定通常采用煤礦井下不同時間實測的鉆孔瓦斯流量并通過線性回歸計算所得。選擇未受采動影響的煤層,在煤層中打一定深度的鉆孔并密封,測量不同排放時間的鉆孔自然瓦斯流量數(shù)據(jù),根據(jù)測定不同排放時間下的鉆孔瓦斯流量測定數(shù)組(qt),用下式計算鉆孔初始瓦斯涌出量q0和瓦斯流量衰減系數(shù)α。

qt=q0×e-αt

(1)

式中,qt為排放t時刻鉆孔自然瓦斯流量,m3/min;q0為t=0時鉆孔自然瓦斯流量,m3/min;α為鉆孔自然瓦斯流量衰減系數(shù),d-1;t為鉆孔自然排放瓦斯時間,d。

對百米衰減系數(shù)孔持續(xù)進行22 d的瓦斯流量測定,得到2個百米衰減系數(shù)孔在不同排放時間的瓦斯流量數(shù)據(jù),見表1。可以看出,鉆孔施工完成后,2個鉆孔瓦斯流量為最大值,分別為0.008 45 m3/min和0.008 01 m3/min。鉆孔在自然排放一定時間后,瓦斯流量不斷衰減。對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行回歸分析擬合得到百米衰減系數(shù)鉆孔1、2的鉆孔瓦斯流量與抽采時間的關系,擬合曲線如圖3所示。

表1 鉆孔瓦斯流量記錄表

2.2 4-2煤層透氣性系數(shù)

根據(jù)瓦斯流量與排放時間t之間的相關關系,擬合可以得到4304工作面百米鉆孔初始瓦斯流量q0平均值為0.008 75m3/min,鉆孔自然瓦斯流量衰減系數(shù)α平均值為0.026 5,見表2。煤層百米鉆孔自然瓦斯流量衰減系數(shù)小于0.003,屬于容易抽采煤層,在0.003～0.05時屬于可抽采煤層,大于0.05屬于難抽采煤層。由此可知,建新煤礦4304工作面鉆孔自然瓦斯流量衰減系數(shù)α為0.026 5,介于0.003～0.05之間,煤層屬于可抽采煤層。

表2 徑向流量法計算煤層透氣性系數(shù)公式表

目前,我國廣泛采用的測定方法是中國礦業(yè)大學法,它是在煤層瓦斯向鉆孔流動的狀態(tài)屬徑向不穩(wěn)定流動的基礎上建立的,通過測定煤層瓦斯徑向不穩(wěn)定流量來計算煤層透氣性系數(shù),該方法稱為徑向流量法。徑向流量法計算煤層透氣性系數(shù)的公式,見表2。

表2中,F0為時間準數(shù),無因次;P0為煤層原始的絕對瓦斯壓力(表壓力加0.1),MPa;P1為鉆孔中的瓦斯壓力,一般為0.1 MPa;r1為鉆孔半徑,m;λ為煤層透氣性系數(shù),m2/(MPa2·d);q為在排放瓦斯時間為t時,鉆孔煤壁單位面積瓦斯流量,m3/(m2·d),可由下式確定：q=Q/2πr1L;Q為在時間t時的鉆孔總流量,m3/d;L為鉆孔見煤長度,一般等于煤層厚度,m;α為煤層瓦斯含量系數(shù),m3/(m3·MPa0.5)。

將4304工作面回風順槽950 m 2個煤層透氣性系數(shù)測試孔的數(shù)據(jù)代入計算出A、B值,見表3。首先選擇測點1的測試孔進行煤層透氣性系數(shù)計算,選用表2中第2個公式進行計算：λ=0.6881.39×2.2180.391=0.811,接著將此λ=0.811代入：F0=B×λ=1.801,得到時間準數(shù)F0=1.801,然后對比選用公式的時間準數(shù)范圍1～10,F0值在所選用公式的時間準數(shù)范圍內(nèi),λ值正確。

進行4304工作面回風順槽950 m測點2測試孔煤層透氣性系數(shù)計算,選用表2中第2個公式進行計算：λ=0.1761.39×8.3030.391=0.201,接著將λ=0.201代入：F0=B×λ=1.697,得到時間準數(shù)F0=1.697,然后對比選用公式的時間準數(shù)范圍1～10,F0值在所選用公式的時間準數(shù)范圍內(nèi),λ值正確。將上述計算結果列成表4。

表3 徑向流量法計算煤層透氣性系數(shù)A、B值

表4 試驗區(qū)域煤層透氣性系數(shù)計算結果表

開采層瓦斯抽放的可行性是指在原始透氣性條件下進行預抽的可能性。一般來說,其衡量指標有2個。一是煤層的透氣性系數(shù)λ,二是鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)α,按λ和α判定開采層瓦斯抽放可行性的標準見表5。從現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)可以看出,建新煤礦4304工作面煤層百米鉆孔瓦斯自然衰減系數(shù)為0.026 5,小于較難抽采0.05;煤層透氣性系數(shù)為0.506,略大于可以抽放下限。因此,煤層屬于低透氣性煤層。

3 大孔徑鉆孔預抽瓦斯工程實踐

根據(jù)4304工作面瓦斯分布特征以及現(xiàn)場測試4-2煤層瓦斯抽采半徑以及數(shù)值模擬,考慮到建新煤化公司煤層低透氣高吸附特性,選用孔徑為133 mm的鉆孔,采用扇形孔布置方式。4304綜放工作面設計20個鉆場,第1個鉆場位于工作面停采線處,最后一個鉆場位于2 300 m處(距切眼約80 m),中間每隔60～150 m設置一個鉆場,鉆孔覆蓋范圍自停采線至切眼。每個鉆場布置三排本煤層鉆孔,孔徑113～133 mm,終孔距運輸順槽巷道幫24 m,孔底間距為8～10 m,上排孔終孔距離煤層頂板1.5 m左右,下排孔終孔距離煤層底板1.5 m,左右其余孔平均分布在煤層中。鉆孔布置覆蓋4304綜放工作面停采線至切眼單元,鉆孔間距符合瓦斯抽采半徑。

表5 開采層預抽瓦斯難易程度分類表

4304工作面預抽煤層瓦斯采用扇形孔布置方式,設計鉆場20個共計鉆孔531個,共計進尺123 957 m。其中,傾向本煤層鉆孔239個,總進尺69 614 m,走向本煤層鉆孔292個,總進尺54 343 m。其中,4#、5#鉆場施工大孔徑長距離鉆孔,采用扇形布孔方式。其中4#孔施工鉆孔24個,鉆孔最大深度312 m;其中5#孔施工鉆孔24個,鉆孔最大深度312 m,具體設計如圖4所示。

圖4 4304工作面大孔徑鉆孔預抽瓦斯設計圖Fig.4 Design of large-diameter borehole pre-extracting gas for 4304 working face

2022年4月至5月鉆孔連管抽采初期30 d內(nèi),觀測了4#和5#鉆場抽采瓦斯?jié)舛取⒘髁?計算了瓦斯抽采純量,如圖5所示。4#鉆場瓦斯抽采期間濃度最高為7.73%,一般穩(wěn)定在3%～5%,觀測期間瓦斯?jié)舛绕骄禐?.69%;混合流量最高為16.33 m3/min,觀測期間瓦斯混合流量平均值為8.95 m3/min;瓦斯純量最高為1.19 m3/min,觀測期間瓦斯純量平均值為0.43 m3/min。5#鉆場瓦斯抽采期間濃度最高為6.77%,一般穩(wěn)定在4%～6%,觀測期間瓦斯?jié)舛绕骄禐?.29%;混合流量最高為17.21 m3/min,觀測期間瓦斯混合流量平均值為12.04 m3/min;瓦斯純量最高為0.80 m3/min,觀測期間瓦斯純量平均值為0.51 m3/min。從觀測結果可以明顯得出,4#鉆場瓦斯抽采參數(shù)較為不穩(wěn)定波動較大,但一直處于較高的水平,而5#鉆場隨著抽采時間增加,瓦斯抽采參數(shù)呈衰減趨勢,抽采初期大孔徑鉆孔瓦斯抽采濃度衰減較快,后趨于平緩,表明大孔徑鉆場瓦斯抽采達到了較好的瓦斯抽采效果。

圖5 鉆場瓦斯抽采效果分析Fig.5 Effect analysis of gas extraction in drilling site

圖6為4304工作面自2022年10月到2022年11月回采期間位于工作面區(qū)域、上隅角區(qū)域及回風巷瓦斯?jié)舛炔▌幼兓闆r。

圖6 上隅角及回風巷瓦斯?jié)舛茸兓疐ig.6 Change of gas concentration in upper corner and air return roadway

從圖6中可以明顯的看出,該礦4304工作面2022年10月到2022年11月,上隅角瓦斯?jié)舛冉橛?.14%～0.39%,平均0.22%;回風流瓦斯?jié)舛冉橛?.12%～0.17%,平均0.14%。累計進尺達到140 m,煤炭產(chǎn)量為560 000 t,通過應用低透氣高吸附煤層大孔徑長距離鉆孔預抽瓦斯關鍵技術,實現(xiàn)了將工作面區(qū)域、上隅角區(qū)域以及回風巷瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.3%以下,在工作面瓦斯精準高效治理的前提下實現(xiàn)了工作面安全高效生產(chǎn)。

4 結論

采用現(xiàn)場實測的方法得到了建新煤礦4304工作面透氣性系數(shù)以及百米鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)。建新煤礦百米鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.032,僅小于較難抽采0.05;4-2煤層透氣性系數(shù)為0.506,略大于可以抽放下限,因此屬于低透氣性煤層。

通過應用低透氣高吸附煤層的大孔徑長距離鉆孔預抽瓦斯技術,綜放工作面回采期間隅角瓦斯?jié)舛冉橛?.14%～0.39%,平均0.22%,回風流瓦斯?jié)舛冉橛?.12%～0.17%,平均0.14%,在工作面瓦斯精準高效治理前提下實現(xiàn)了該工作面安全高效生產(chǎn)。