多煤層條件下高位鉆孔瓦斯抽采層位優(yōu)選研究

郭新紅，任仲久

（1.霍州煤電集團(tuán)河津騰暉煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 運(yùn)城043300；2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順113122；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122）

受開采活動(dòng)影響，鄰近煤層卸壓瓦斯通過采動(dòng)裂隙進(jìn)入主采煤層采空區(qū)并涌入回采工作面，威脅著煤礦生產(chǎn)的安全，多煤層條件下復(fù)雜來(lái)源瓦斯加大了采空區(qū)瓦斯治理的難度。高位鉆孔抽采瓦斯作為治理采空區(qū)瓦斯的有效措施被廣泛應(yīng)用[1]，其抽采層位的確定尤為關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)煤礦井下開采過程中高位鉆孔瓦斯抽采問題開展了大量的研究。李樹剛等[2]采用相似模擬試驗(yàn)及理論分析，研究不同采高下覆巖壓實(shí)區(qū)的動(dòng)態(tài)演化特征，發(fā)現(xiàn)了采空區(qū)覆巖壓實(shí)區(qū)的采高效應(yīng)，為采空區(qū)高位鉆孔布置及參數(shù)優(yōu)化提供了借鑒。孫榮軍等[3]基于頂板高位鉆孔抽采采空區(qū)和上隅角瓦斯抽采技術(shù)原理，提出由預(yù)抽鉆孔和高位鉆孔構(gòu)建的煤與瓦斯共采體系；畢慧杰等[4]基于成莊礦工程實(shí)踐，通過采用理論及數(shù)學(xué)模型分析方法研究不同層位的高位鉆孔的瓦斯抽采效果，據(jù)此得出高位鉆孔最佳布置層位，并成功應(yīng)用；趙燦[5]通過建立采空區(qū)非均質(zhì)滲流模型，結(jié)合離散元方法計(jì)算出高位鉆孔的布置層位，并揭示了高位鉆孔治理的作用機(jī)理；李春元等[6]應(yīng)用離散元數(shù)值軟件結(jié)合關(guān)鍵層理論研究了基于頂板來(lái)壓影響及瓦斯宏觀流動(dòng)通道變化的高位抽采鉆孔終孔位置、鉆場(chǎng)間距及鉆孔接續(xù)的確定方法及設(shè)計(jì)技術(shù)；徐剛等[7]針對(duì)特厚煤層綜放工作面瓦斯超限難題，采用理論分析、物理實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬相結(jié)合的方式研究采空區(qū)覆巖演化規(guī)律，確定了采空區(qū)瓦斯抽采的有利區(qū)域，提出了低-中-高位鉆孔相結(jié)合的抽采方案，并進(jìn)行了工程應(yīng)用；王依磊[8]通過綜放工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果分析，制定了針對(duì)性高位鉆孔瓦斯治理方案。上述研究大多基于采動(dòng)覆巖運(yùn)動(dòng)確定高位鉆孔瓦斯抽采層位，未考慮多煤層條件下鄰近煤層卸壓瓦斯涌出比例對(duì)采空區(qū)瓦斯抽采層位選擇的影響，為此提出了一種確定多煤層采空區(qū)高位瓦斯抽采鉆孔最佳層位的技術(shù)思路，并在我國(guó)山西騰暉煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，驗(yàn)證了該方法的可行性。

1 采空區(qū)瓦斯抽采比例識(shí)別方法

1.1 技術(shù)思路

瓦斯抽采比例識(shí)別方法流程如圖1。

圖1 瓦斯抽采比例識(shí)別方法流程Fig.1 Gas extraction proportion identification method flow chart

首先收集研究礦井基礎(chǔ)資料，選擇研究工作面并確定本煤層采動(dòng)范圍內(nèi)煤層（即鄰近煤層）賦存情況；采集本煤層及鄰近煤層煤樣，使用瓦斯解吸裝置將煤樣中瓦斯解吸出來(lái)，采集不同層位高位鉆孔抽采的采空區(qū)混合氣體；對(duì)煤層解吸瓦斯及采空區(qū)混合氣體進(jìn)行氣體組分及穩(wěn)定碳?xì)渫凰販y(cè)定；通過同位素多源瓦斯識(shí)別模型計(jì)算不同層位采空區(qū)抽采瓦斯中各煤層瓦斯來(lái)源占比。

1.2 同位素多源瓦斯識(shí)別模型

瓦斯組分的碳同位素組成可以用作煤層瓦斯的識(shí)別符。煤樣解吸瓦斯的碳同位素可以用來(lái)確定煤層氣的來(lái)源[9]。通常用δ值表示碳同位素，可按式（1）計(jì)算：

式中：RS為樣品中同位素比值；RA為參照物中同位素比值。

根據(jù)質(zhì)量守恒和體積比,從碳同位素的定義出發(fā)，推導(dǎo)出了二源瓦斯氣體中碳同位素值δm的計(jì)算公式[10]：

式中：δm為多源瓦斯的碳同位素實(shí)測(cè)值；δA為第1個(gè)來(lái)源中CH4的碳同位素值;VA為第1個(gè)來(lái)源中CH4相應(yīng)的體積；δB為第2個(gè)來(lái)源中CH4的碳同位素值；VB為第2個(gè)來(lái)源中CH4相應(yīng)的體積。

基于式（2）拓展至n個(gè)來(lái)源的多源瓦斯中穩(wěn)定同位素的計(jì)算公式：

式中：A、B、…、N分別為該混合氣體中來(lái)自第1煤層至第N煤層氣體的占比；xN為來(lái)自第N煤層的解吸氣體中CH4的組分。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 工作面概況

山西騰暉煤礦為高瓦斯礦井，據(jù)評(píng)估煤層瓦斯儲(chǔ)量約為5.34×108m3。該煤礦的典型地質(zhì)柱狀圖如圖2。由圖2可以知道，本煤層的平均厚度約為2.7m，上鄰近煤層平均厚度約為0.6m，距本煤層平均距離約為4.7 m，下鄰近煤層平均厚度約為1.2 m，位于本煤層以下30.2m，均位于本煤層采動(dòng)范圍內(nèi)。研究區(qū)域?yàn)楸久簩觾?nèi)607工作面，工作面走向長(zhǎng)度為1 516.5m，傾向長(zhǎng)度為225m，采用長(zhǎng)壁開采方法，實(shí)行“U”型通風(fēng)。

圖2 典型地質(zhì)柱狀圖Fig.2 Typical geological histogram

2.2 樣品采集

樣品采集位置示意圖如圖3。通過在607工作面回風(fēng)巷內(nèi)的鉆場(chǎng)施工煤層鉆孔及穿層鉆孔分別采集上鄰近層、本煤層及下鄰近層煤樣各3組，每組煤樣300～500 g，裝入煤樣罐密封，在實(shí)驗(yàn)室使用瓦斯解吸裝置將煤樣中瓦斯解吸出來(lái)并收集；采集607工作面中距采空區(qū)較近的鉆場(chǎng)中不同層位高位鉆孔的瓦斯抽采氣體，共采集8個(gè)層位的抽采瓦斯氣樣，分 別 為 距 煤 層 頂 板0、7.9、10.7、14.2、26.5、34.2、42.1、45.4m，每個(gè)層位采集3組氣樣，每組氣樣的氣量不少于500mL；采用Trace GCUltra與Delta V Advantage型同位素比值質(zhì)譜儀聯(lián)機(jī)測(cè)試煤樣解吸瓦斯及采空區(qū)抽采氣樣。

圖3 樣品采集位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of samp le collection location

2.3 氣體碳?xì)渫凰靥卣?/h3>

煤層瓦斯穩(wěn)定碳?xì)渫凰仄骄捣植紙D如圖4。通過分析煤系地層的上鄰近層、本煤層、下鄰近層解吸瓦斯同位素值結(jié)果，發(fā)現(xiàn)各煤層解吸瓦斯氣體組分及穩(wěn)定碳?xì)渫凰鼐嬖谝欢ǖ牟町?，且各煤層穩(wěn)定碳?xì)渫凰仉S深度增大出現(xiàn)變重的規(guī)律。

圖4 煤層瓦斯穩(wěn)定碳?xì)渫凰仄骄捣植紙DFig.4 Average distribution of stable carbon and hydrogen isotopes of coal seam desorption gas

采空區(qū)不同層位抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)如圖5。由圖5可知，鉆孔層位為0～10.7 m時(shí)，瓦斯體積分?jǐn)?shù)隨層位變高有上升的趨勢(shì)，從5.0%上升到63.2%，層位為10.7～26.5m時(shí)，采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)隨層位變高有下降的趨勢(shì)，從43.2%下降至22.0%；層位為26.5～45.4m時(shí)，采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)隨層位變高而逐漸上升，最終在45.4 m時(shí)上升為71.0%。在7.9～14.2m層位內(nèi)，瓦斯體積分?jǐn)?shù)較大，存在低層位瓦斯高濃區(qū)，同理在42.1～45.4m層位內(nèi)存在高層位瓦斯高濃區(qū)。

圖5 采空區(qū)不同層位抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)Fig.5 Gas concentration in different heights of gob

不同層位的采空區(qū)瓦斯碳?xì)渫凰仄骄等鐖D6。由圖6可知，在鉆孔層位為0～14.2m時(shí)，采空區(qū)瓦斯碳同位素平均值隨層位變高，從-34.853‰上升為-33.807‰；層位為14.2～42.1m時(shí)，碳同位素平均值從-33.807‰下降為-34.657‰；層位為42.1～45.4m時(shí)，碳同位素平均值再次上升為-33.828‰，與10.7m時(shí)的碳同位素值相近；氫同位素值隨層位的變化與碳同位素值的規(guī)律大致相同。通過對(duì)不同層位采空區(qū)瓦斯碳?xì)渫凰刂蹬c瓦斯體積分?jǐn)?shù)對(duì)比得知，整體趨勢(shì)上瓦斯體積分?jǐn)?shù)隨層位變化趨勢(shì)與采空區(qū)瓦斯碳?xì)渫凰刂惦S層位變化的趨勢(shì)基本相同。

圖6 不同層位的采空區(qū)瓦斯碳?xì)渫凰仄骄礔ig.6 Average values of gas carbon and hydrogen isotopes in gob of different heights

2.4 瓦斯來(lái)源占比

將煤層瓦斯和采空區(qū)層位的碳?xì)渫凰刂导跋嚓P(guān)氣體組分值代入式（3）得到不同層位采空區(qū)瓦斯中各煤層瓦斯來(lái)源占比。

不同層位抽采瓦斯中煤層瓦斯占比如圖7。由圖7可知，在采空區(qū)的抽采層位為0m時(shí)，混合瓦斯中本煤層采空區(qū)遺煤瓦斯占比最多，上鄰近層卸壓瓦斯次之，下鄰近層最少，較吻合煤層的實(shí)際情況。隨著層位的增高，本煤層來(lái)源瓦斯占比逐漸上升，到最高層位45.4 m時(shí)上升至75.53%；上鄰近層瓦斯占比隨層位增高而減少，到45.4 m時(shí)，僅占比7.21%；下鄰近層瓦斯占比隨層位增高而增大，到42.1m時(shí)，占比16.01%，已多于上鄰近層瓦斯占比，之后繼續(xù)上升到45.4m時(shí)，瓦斯占比達(dá)到17.27%。出現(xiàn)上述變化的原因是，采動(dòng)過程中上鄰近層因煤層較薄，卸壓瓦斯總量較少，下鄰近層卸壓瓦斯總量較大，但在采空區(qū)較低層位時(shí)，因上鄰近層本身距離抽采層位近，卸壓瓦斯較為集中，所以占比較大，隨著層位的增加，上鄰近層卸壓瓦斯不再集中，瓦斯占比逐漸減少，因瓦斯自身升浮效應(yīng)，易集中在高層位，所以本煤層和下鄰近層的瓦斯占比就逐漸增大。

圖7 不同層位抽采瓦斯中煤層瓦斯占比Fig.7 Proportion of coal seam gas in gas extraction at different heights

2.5 最佳層位確定

對(duì)比圖5和圖7可知，在7.9～14.2m的低層位，除本煤層外，上鄰近層瓦斯占比較大，且存在低層位瓦斯高濃區(qū)，在42.1～45.4m的高層位，上鄰近層瓦斯占比最小，本煤層、下鄰近層瓦斯占比較大，存在高層位瓦斯高濃區(qū)。且現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，僅開啟7.9～14.2m、42.1～45.4m范圍內(nèi)高位鉆孔抽采瓦斯，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)始終小于0.5%。

在7.9～14.2m層位內(nèi)抽采采空區(qū)瓦斯，可有效控制上鄰近層、本煤層涌出瓦斯；在42.1～45.4m層位內(nèi)抽采瓦斯，可有效控制本煤層和下鄰近層涌出瓦斯。故豎直方向距煤層頂板7.9～14.2m的瓦斯高濃區(qū)和距煤層頂板42.1～45.4m的瓦斯高濃區(qū)即為適用于607工作面采空區(qū)瓦斯抽采的最佳層位。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）提出了在多煤層條件下，考慮鄰近煤層瓦斯影響的開采煤層采空區(qū)高位鉆孔瓦斯抽采最佳層位確定方法。

2）揭示了碳?xì)渫凰仉S埋深增大出現(xiàn)偏重的特征，確定了本煤層607工作面采空區(qū)瓦斯氣體的碳?xì)渫凰刂惦S層位的變化規(guī)律同瓦斯?jié)舛入S層位的變化具有相同的趨勢(shì)。

3）定量化分析了本煤層607工作面采空區(qū)瓦斯氣體來(lái)源占比，發(fā)現(xiàn)隨層位的增大，本煤層采空區(qū)遺煤瓦斯及下鄰近層卸壓瓦斯來(lái)源占比逐漸增加，上鄰近層卸壓瓦斯來(lái)源占比減??；確定了高位鉆孔最佳抽采層位，分別為距煤層頂板7.9～14.2m的瓦斯高濃區(qū)，可有效控制本煤層及上鄰近層瓦斯，和距煤層頂板42.1～45.4m的瓦斯高濃區(qū)，可有效控制本煤層及下鄰近層瓦斯。