黃陵一號煤礦瓦斯抽采參數(shù)探索與應(yīng)用

付天河

(陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號煤礦，陜西 黃陵 727307)

0 引言

陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號煤礦地處陜西省黃隴侏羅紀(jì)煤田黃陵礦區(qū)東北部，位于陜西省黃陵縣西北，2#煤層位于延安組第一段的中上部，平均可采厚度2.59 m，是唯一有工業(yè)價值的可采煤層。一號煤礦2008年被鑒定為高瓦斯礦井，井田內(nèi)瓦斯儲量大，根據(jù)《一號煤礦瓦斯抽采工程設(shè)計說明書》，瓦斯資源儲量2.4×108m3，目前，瓦斯抽采已經(jīng)成為高瓦斯礦井治理瓦斯的主要手段[1-4]。隨著開采深度的不斷增加和產(chǎn)量的提高，瓦斯抽采力度增加，礦井瓦斯涌出量逐年增大[5-8]。2017年礦井絕對瓦斯涌出量已經(jīng)達(dá)到159.65 m3/min，礦井瓦斯抽采率保持在75%以上。

在黃陵礦區(qū)瓦斯抽采技術(shù)高速發(fā)展的過程中，還存在著一些問題。比如瓦斯地質(zhì)工作滯后，部分?jǐn)鄬印Ⅰ薨櫟鹊刭|(zhì)構(gòu)造不明，影響瓦斯治理效果；各個盤區(qū)瓦斯梯度明顯，甚至同一盤區(qū)不同工作面的瓦斯涌出量都存在較大變化；高位“三帶”規(guī)律不清，施工高位鉆孔時，采取多打孔的辦法來彌補(bǔ)技術(shù)上的不足；煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)不全，后期采用反算法計算煤層瓦斯壓力誤差較大；礦井的瓦斯抽采半徑數(shù)據(jù)來源于三盤區(qū)，目前正在開采的八盤區(qū)、十盤區(qū)和六盤區(qū)沒有抽采半徑的數(shù)據(jù)，影響了本煤層瓦斯抽采鉆孔間距的設(shè)計。

1 收集煤層瓦斯基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

煤層瓦斯基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括煤層原始瓦斯含量、瓦斯壓力等。通過煤層瓦斯基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集，研究煤層瓦斯賦存規(guī)律，分析瓦斯賦存與工作面瓦斯涌出量的關(guān)系。

從八盤區(qū)、六盤區(qū)、十盤區(qū)選擇一個掘進(jìn)順槽，分別為805回順、620回順、1006進(jìn)順。每個掘進(jìn)順槽根據(jù)煤層瓦斯變化及時取煤樣，進(jìn)行測量煤層原始的瓦斯含量，做好記錄，并存檔。瓦斯壓力需要直接測量，施工50m的鉆孔，封孔30m，安裝壓力表，24h以后直接讀壓力數(shù)據(jù)，表1為煤層原煤瓦斯含量測試結(jié)果。

表1 煤層原煤瓦斯含量測試結(jié)果

注：由于1006進(jìn)順1 550 m處(中部聯(lián)巷)封孔存在漏氣現(xiàn)象，瓦斯壓力出現(xiàn)泄壓的情況，因此在1006進(jìn)順1 590 m處(中部聯(lián)巷向里40 m)又補(bǔ)打一個測壓鉆孔。

2 研究本煤層鉆孔軌跡偏差及沉降規(guī)律

為了研究普通鉆機(jī)在本煤層鉆進(jìn)過程中存在的左右偏差和沉降規(guī)律，本次實驗選取810進(jìn)風(fēng)350 m處的5#鉆場2個鉆孔。首先采用CMSI-4000/55型普通鉆機(jī)進(jìn)行施工本煤層鉆孔，施工人員選取技術(shù)水平處于中等水平，鉆孔施工速度中等，設(shè)備壓力按照正常施工進(jìn)度進(jìn)行。施工完成退鉆，再用ZDY6000LD千米定向鉆機(jī)送鉆桿進(jìn)行軌跡測定。表2為鉆孔設(shè)計參數(shù)，圖1和圖2分別為1#、2#孔位移軌跡。

表2 鉆孔設(shè)計參數(shù)

圖1 1#孔位移軌跡

圖2 2#孔位移軌跡

綜上可以看出，1#孔施工144 m，終孔上下偏移1.06 m，左右偏差14 m；2#孔施工174 m，終孔上下偏移1.62 m，左右偏差23 m。計算得出1#孔百米沉降0.74 m，2#孔百米沉降0.93 m，左右偏差1#孔偏移5.57°，2#孔偏移7.59°。兩者取平均值可以得出如下結(jié)論：本煤層鉆孔施工終孔位置存在偏差，垂直方向上存在百米沉降，百米沉降距離為0.84 m；水平方向上存在水平偏移，水平角度偏移為6.68°。

3 研究回采工作面高位“三帶”分布規(guī)律

為了研究采煤工作面三帶：冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，通過采用返水法測定裂隙帶高度，在623和808高位施工完不同高度的高位鉆孔。施工時，密切關(guān)注鉆孔的返水情況，并做好實時記錄。808高位施工時，選取位置位于切眼后方80～100 m的范圍，623高位實驗鉆孔施工時位于切眼后方50 m左右。

施工鉆孔前必須讀取供、排水管路上所安裝的水表讀數(shù)并做好記錄，施工工程中必須嚴(yán)密注意孔內(nèi)情況變化，并將見煤、巖情況、鉆機(jī)壓力、返水情況記錄在施工記錄表上，鉆孔參數(shù)等數(shù)據(jù)見表3～6。

表3 808高位鉆場實驗鉆孔參數(shù)

表4 808高位鉆場實驗鉆孔參數(shù)

通過鉆孔施工過程中的返水情況，結(jié)合鉆孔施工參數(shù)，可及初步判定808工作面裂隙帶位于頂板以上最大為距離Hmax為45 m，最小距離Hmin為35 m；623工作面裂隙帶位于頂板以上最大距離Hmax為38 m，最小距離Hmin為29 m。裂隙發(fā)育最為充分的水平位置均位于工作面回風(fēng)順槽向進(jìn)風(fēng)順槽方向15～35 m的區(qū)段，如圖3所示。

圖3 高位裂隙“三帶”位置示意圖

4 本煤層不同負(fù)壓條件下的抽采效果分析

為了研究瓦斯抽采負(fù)壓對本煤層預(yù)抽效果的影響，在1006進(jìn)風(fēng)順槽1～9#鉆場，開展了對本煤層不同負(fù)壓條件下的抽采效果分析。

表5 808高位鉆孔施工返水情況表

表6 623高位鉆孔施工返水情況表

由于礦井瓦斯抽采系統(tǒng)線路長，每個分支管路的抽采負(fù)壓受管道阻力影響，孔口負(fù)壓各不相同，而礦井瓦斯賦存也存在不均勻的特性。為了使本煤層抽采系統(tǒng)負(fù)壓得到合理利用，有必要對本煤層不同負(fù)壓條件下的抽采效果分析。

在1006進(jìn)順內(nèi)選擇1～9#共計9個鉆場作為實驗鉆場。實驗鉆場的鉆孔設(shè)計參數(shù)完全相同。劃分單元：把1～3#鉆場劃分為一單元，4～6#鉆場劃分為二單元，7～9#鉆場劃分為三單元，如圖4所示。

圖4 1006進(jìn)順鉆場單元劃分圖

首先，測定每個單元煤層的原始瓦斯含量和壓力；然后，調(diào)整一單元鉆場負(fù)壓為30 kPa，二單元鉆場負(fù)壓為25 kPa，三單元鉆場負(fù)壓為15 kPa，分別記錄此時瓦斯?jié)舛?、流量。持續(xù)繼續(xù)時間為2個月，再對本煤層殘余瓦斯含量和壓力進(jìn)行測定，對比3個單元的殘余瓦斯含量，進(jìn)行抽采效果分析，表7為1006進(jìn)順實驗單元內(nèi)的煤層瓦斯含量及壓力變化情況。

表7 1006進(jìn)順實驗單元內(nèi)煤層瓦斯含量及壓力變化情況表

由于煤層瓦斯含量采用的是直接測定法測定，瓦斯壓力采用的是反算法，故瓦斯壓力數(shù)據(jù)存在一定的誤差，為了確保實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確及實驗結(jié)果的真實性，本次以瓦斯含量的變化情況作為參考，進(jìn)行瓦斯抽采效果的分析。根據(jù)實驗區(qū)域3個單元內(nèi)瓦斯含量的變化情況，如圖5所示。

圖5 1006進(jìn)順瓦斯煤層瓦斯含量變化曲線圖

由圖5可以看出，一單元采用30 kPa的抽采負(fù)壓，煤層瓦斯含量的變化趨勢線，經(jīng)過計算求得斜率K1=-1.175；二單元采用25 kPa的抽采負(fù)壓，煤層瓦斯含量的變化趨勢線，經(jīng)過計算求得斜率K2=-0.775，三單元采用15 kPa的抽采負(fù)壓，煤層瓦斯含量的變化趨勢線，經(jīng)過計算求得斜率K3=-0.575?？芍?，|K1|>|K2|>|K3|，則可以得出如下結(jié)論：一單元煤層瓦斯衰減速率大于二單元瓦斯衰減速率，二單元瓦斯衰減速率大于三單元瓦斯衰減速率。因此，在相同煤層賦存條件下，鉆孔施工參數(shù)及封孔工藝無明顯變化的情況下，瓦斯抽采系統(tǒng)負(fù)壓越大，瓦斯抽采效果越好。

5 結(jié)論

(1)1006進(jìn)順2#煤層原始瓦斯含量為2.34 m3/t，瓦斯壓力為0.46 MPa；805回順2#煤層原始瓦斯含量為3.18 m3/t，瓦斯壓力為0.65 MPa；623回順2#煤層原始瓦斯含量為0.99 m3/t，瓦斯壓力為0.11 MPa。

(2)本煤層鉆孔施工終孔位置存在偏差，垂直方向上存在百米沉降，百米沉降距離為0.84 m；水平方向上存在水平偏移，水平角度偏移為6.68°。

(3)808工作面裂隙帶位于頂板以上最大距離Hmax為45 m，最小距離Hmin為35 m；623工作面裂隙帶位于頂板以上最大距離Hmax為38 m，最小距離Hmin為29 m。裂隙發(fā)育最為充分的水平位置均位于工作面回風(fēng)順槽向進(jìn)風(fēng)順槽方向15～35 m的區(qū)段。

(4)623高位高位鉆場位置位于工作面向采空區(qū)方向32～66 m位置，即可連接高位鉆孔抽采，有較大濃度的瓦斯；808工作面在工作面向采空區(qū)方向93～136 m位置，即可連接抽采。工作面鉆場當(dāng)滯后工作面180 m以后，均可以拆除。

(5)在相同煤層賦存條件下，鉆孔施工參數(shù)及封孔工藝無明顯變化的情況下，瓦斯抽采系統(tǒng)負(fù)壓越大，煤層瓦斯含量衰減速度越快，瓦斯抽采效果越好。