吉寧礦2#煤層瓦斯抽采最佳孔口負(fù)壓研究

蔣 璋，侯 俊

(山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)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(nèi)在和外在因素有很多，內(nèi)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(zhì)構(gòu)造、封孔質(zhì)量、煤層水分、抽采負(fù)壓等。馬金魁[1]研究表明：負(fù)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(fù)壓呈現(xiàn)明顯的二次函數(shù)關(guān)系。程遠(yuǎn)平等[2]提出了隨抽采時(shí)間的增加，負(fù)壓的作用逐漸減弱，降低抽采負(fù)壓能夠有效提高抽采瓦斯?jié)舛取?/p>

在抽采負(fù)壓對(duì)瓦斯抽采效果影響關(guān)系方面學(xué)者們進(jìn)行了大量研究[3-5]，但大都僅對(duì)抽采負(fù)壓提出了一個(gè)比較寬泛的指導(dǎo)區(qū)間，而沒有給定特定條件下具體的抽采負(fù)壓。為了確定吉寧礦2#煤?jiǎn)我缓衩簩鱼@孔的最佳孔口負(fù)壓，開展了抽采負(fù)壓與瓦斯抽采效果的試驗(yàn)研究。鑒于抽采時(shí)間對(duì)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(yàn)對(duì)比分析確定鉆孔孔口最佳抽采負(fù)壓，為吉寧礦瓦斯的高效經(jīng)濟(jì)抽采提供參考。

1 礦井概況

吉寧礦井田面積17.684 3 km2，生產(chǎn)能力300萬t/a，批準(zhǔn)開采2#、10#煤層；礦井絕對(duì)瓦斯涌出量82.5 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量14.45 m3/t. 礦井采用中央并列式通風(fēng)方式，礦井總風(fēng)量9 816 m3/min；地面高、低負(fù)壓瓦斯抽采泵站共安裝有4臺(tái)2BEC80-1BG3型水環(huán)式真空泵，配套電機(jī)900 kW，額定抽氣量700 m3/min，各一用一備，礦井現(xiàn)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(qū)穩(wěn)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(xiǎn)，自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ類。根據(jù)中國礦業(yè)大學(xué)礦山開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2011年5月編制的《山西華晉吉寧煤業(yè)有限責(zé)任公司礦井2#煤層瓦斯參數(shù)及煤層透氣性系數(shù)測(cè)定研究報(bào)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(shù)為0.023 008～0.085 813 m2/MPa2·d，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.059 d-1，屬較難抽放煤層。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與分析

2.1 試驗(yàn)方案確定

為了盡量排除其他干擾因素對(duì)試驗(yàn)的影響，最大限度地保證試驗(yàn)的成功率和準(zhǔn)確性，經(jīng)考察和篩選，選取吉寧礦2#煤二盤區(qū)集中回風(fēng)大巷本煤層預(yù)抽鉆孔作為試驗(yàn)研究對(duì)象。該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，受采掘生產(chǎn)影響??；煤層厚度穩(wěn)定，本煤層鉆孔成孔質(zhì)量好且抽采時(shí)間短；抽采系統(tǒng)負(fù)壓可調(diào)節(jié)性強(qiáng)。該次試驗(yàn)相關(guān)要求如下:

1) 選擇煤層完整，受采掘生產(chǎn)影響小的111#、113#、120#三個(gè)本煤層預(yù)抽鉆孔為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2) 所選抽采地點(diǎn)鉆孔為近期抽采鉆孔(抽采時(shí)間不超過1個(gè)月)，封孔質(zhì)量及管路連接良好，單孔觀測(cè)裝置齊全(能觀測(cè)負(fù)壓、濃度、節(jié)流)，3個(gè)鉆孔在一個(gè)負(fù)壓狀態(tài)下要連續(xù)采集一組數(shù)據(jù)。

3) 數(shù)據(jù)采集采用抽采負(fù)壓遞增模式，每次負(fù)壓上升量盡可能保持平穩(wěn)，每當(dāng)上升一個(gè)負(fù)壓梯度，待穩(wěn)定10 min后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

4) 數(shù)據(jù)采集過程中，井下抽采系統(tǒng)要保持穩(wěn)定，不要進(jìn)行管路放水、系統(tǒng)調(diào)整等影響穩(wěn)定的作業(yè)。

2.2 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

根據(jù)試驗(yàn)方案要求，試驗(yàn)地點(diǎn)確定為該礦2#煤二盤區(qū)集中回風(fēng)大巷，集中回風(fēng)大巷屬于全煤掘進(jìn)巷道，在1#回風(fēng)大巷延伸端頭處開口施工，沿方位N42°49′W掘進(jìn)。巷道設(shè)計(jì)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(fēng)大巷安裝2組2×55 kW風(fēng)機(jī)，供風(fēng)量為1 596 m3/min.

該巷道為準(zhǔn)備大巷，四周均未采掘。抽采點(diǎn)0～600 m段蓋山厚度480～570 m，平均525 m.集中回風(fēng)大巷0～185 m段有1條F15正斷層，發(fā)育在集中回風(fēng)大巷130 m處，斷層落差為5 m，斷層附近煤層節(jié)理發(fā)育，頂板破碎，瓦斯涌出異常；在185～1 635 m段目前未發(fā)現(xiàn)其他地質(zhì)構(gòu)造，該地點(diǎn)地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。根據(jù)各條大巷以往開拓施工對(duì)地表的破壞情況分析可知，集中回風(fēng)大巷掘進(jìn)施工對(duì)地表影響不大。

該地點(diǎn)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(nèi)2#煤層節(jié)理發(fā)育，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤的堅(jiān)固性系數(shù)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(wěn)定煤層。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)定

集中回風(fēng)大巷從見煤點(diǎn)開始，垂直巷道走向，向未開拓的二盤區(qū)區(qū)域設(shè)計(jì)施工順層預(yù)抽鉆孔540個(gè)。由于煤層厚度大，鉆孔設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)深度為105 m. 該次試驗(yàn)所選3個(gè)鉆孔基本情況及測(cè)定結(jié)果見表1，表2.

表1 試驗(yàn)鉆孔基本情況表

表2 試驗(yàn)鉆孔測(cè)定結(jié)果表

2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(gè)孔瓦斯?jié)舛绕?，?個(gè)鉆孔在抽采過程中瓦斯?jié)舛染^40%，依據(jù)AQ1027-2006鉆孔封孔質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)，判定3個(gè)試驗(yàn)鉆孔封孔質(zhì)量全部合格，均視為處于穩(wěn)定抽采時(shí)期。

張?zhí)燔姷萚6]提出了抽采負(fù)壓是影響鉆孔孔周煤體瓦斯?jié)B流規(guī)律的重要因素之一，抽采負(fù)壓提供孔周煤體瓦斯向鉆孔內(nèi)滲流的動(dòng)力，其低速紊流狀態(tài)有利于瓦斯高效抽采。隨著抽采時(shí)間的增加，負(fù)壓對(duì)瓦斯的引流作用逐漸減弱，瓦斯流量隨時(shí)間呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)衰減規(guī)律。在同一區(qū)域煤層，當(dāng)鉆孔的外部條件恒定時(shí)，抽采混合量變化主要取決于2個(gè)因素，瓦斯的解吸速度及煤層透氣性系數(shù)。當(dāng)解吸速度大于煤層透氣能力時(shí)，透氣性系數(shù)成為主控因素，隨著外部因素抽采負(fù)壓的增大，瓦斯克服煤層阻力能力加強(qiáng)，煤層透氣性系數(shù)增大，抽采混合量增大，且抽采濃度不降低。當(dāng)解吸速度小于煤層透氣能力時(shí)，解析速度成為主控因素，隨著抽采負(fù)壓增大，煤層內(nèi)吸附瓦斯轉(zhuǎn)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?yàn)槌椴蓺怏w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(shù)，與瓦斯解吸速度無關(guān)。

抽采濃度與抽采負(fù)壓關(guān)系曲線見圖1，由圖1可知，隨著抽采負(fù)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(jù)鄭吉玉等[7]現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的不同負(fù)壓下的鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律，結(jié)合吉寧礦的抽采數(shù)據(jù)來看，從試驗(yàn)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(fù)壓關(guān)系曲線圖

2) 最佳抽采負(fù)壓分析。

抽采負(fù)壓與抽采量的關(guān)系曲線見圖2，3. 由圖2和圖3可知，隨著抽采負(fù)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(xiàn)，因此吉寧礦順層鉆孔孔口最佳抽采負(fù)壓以17 kPa為宜，抽采負(fù)壓過多超過的部分屬于抽采能力的浪費(fèi)。

圖2 抽采混合量與抽采負(fù)壓關(guān)系曲線圖

圖3 抽采純量與抽采負(fù)壓關(guān)系曲線圖

3 結(jié) 論

1) 吉寧礦2#煤本煤層鉆孔決定抽采混合量的主控因素是瓦斯解吸速度。

2) 2#煤本煤層鉆孔在抽采穩(wěn)定期孔口最佳抽采負(fù)壓為17 kPa.

3) 考察本煤層鉆孔最佳抽采負(fù)壓有助于合理調(diào)整抽采系統(tǒng)能力，減少資源浪費(fèi)，但這個(gè)結(jié)論是基于內(nèi)外在影響因素相對(duì)穩(wěn)定的前提下，如果礦井其他區(qū)域煤層條件發(fā)生較大變化時(shí)，仍需做進(jìn)一步研究。