低透高吸附煤層大孔徑鉆孔預(yù)抽瓦斯技術(shù)及應(yīng)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(zé)任公司,陜西 延安 727300;2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710054)

0 引言

我國(guó)煤炭的生產(chǎn)以及消費(fèi)量處于世界各國(guó)的前列,煤炭資源是我國(guó)的主體能源[1-3],2022年我國(guó)煤炭產(chǎn)量達(dá)45.6億t,比上年增長(zhǎng)10.5%。隨著煤炭機(jī)械化、智能化開(kāi)采進(jìn)度的加快,煤層開(kāi)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(kāi)采面臨的瓦斯災(zāi)害問(wèn)題更加嚴(yán)峻[4]。瓦斯其實(shí)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(jié)構(gòu)、保障煤礦安全生產(chǎn)、助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)方面,具有重要意義[6-7]。鉆孔瓦斯抽采是治理瓦斯災(zāi)害的有效手段[8-11],但我國(guó)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(lái),隨著礦井開(kāi)采強(qiáng)度的加大,治理瓦斯難度也逐漸增大。在工程方面,本煤層預(yù)抽鉆場(chǎng)間距小,鉆場(chǎng)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(yù)抽效果不理想[12-15]。傳統(tǒng)負(fù)壓抽采技術(shù)無(wú)法克服煤層低滲難題,預(yù)抽耗時(shí)長(zhǎng)、見(jiàn)效慢,無(wú)法滿(mǎn)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(yán)重影響礦井的安全高效開(kāi)采,成為制約企業(yè)安全發(fā)展的瓶頸。因此,試驗(yàn)研究一套與4304工作面瓦斯賦存條件、采煤工藝相適應(yīng)的可靠、經(jīng)濟(jì)、可行、有效的抽采技術(shù)并對(duì)其抽采效果進(jìn)行評(píng)價(jià)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(jìn)工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量為3.5 m3/min,回采工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量31.00 m3/min,自2015年開(kāi)始?xì)v年來(lái)鑒定為高瓦斯礦井。

試驗(yàn)工作面4304工作面位于43盤(pán)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(kāi)采),東界為4302工作面(未開(kāi)采),南界為43盤(pán)區(qū)大巷保護(hù)煤柱,北界為4-2煤層可采邊界。工作面地面標(biāo)高+1 290～+1 545 m,井下標(biāo)高+804～+880 m。工作面走向長(zhǎng)度2 380.3 m,可采走向長(zhǎng)度2 280.3 m,傾向長(zhǎng)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(chǔ)量918.6萬(wàn)t,可采煤量806.9萬(wàn)t。

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

2 煤層可抽性參數(shù)測(cè)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(lái)考量。鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)是指在不受采動(dòng)影響的條件下,煤層內(nèi)鉆孔的瓦斯流量隨時(shí)間呈衰減變化的特性系數(shù)。對(duì)鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)的測(cè)定可以作為評(píng)價(jià)煤層預(yù)抽瓦斯難易程度的眾多指標(biāo)之一。煤層透氣性系數(shù)是衡量煤層中瓦斯流動(dòng)難易程度的重要指標(biāo),是評(píng)價(jià)煤層瓦斯能否實(shí)行預(yù)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(cè)定的科學(xué)可靠,整個(gè)測(cè)定過(guò)程中必須選擇未受采動(dòng)影響或者其他探測(cè)鉆孔未影響區(qū)域進(jìn)行。根據(jù)建新煤礦現(xiàn)實(shí)條件,選擇符合上述條件且容易施工的4304工作面回風(fēng)順槽950 m處進(jìn)行4-2煤層鉆孔瓦斯衰減系數(shù)進(jìn)行測(cè)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(shí)間的延長(zhǎng)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(píng)價(jià)指標(biāo)之一。鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)的測(cè)定通常采用煤礦井下不同時(shí)間實(shí)測(cè)的鉆孔瓦斯流量并通過(guò)線性回歸計(jì)算所得。選擇未受采動(dòng)影響的煤層,在煤層中打一定深度的鉆孔并密封,測(cè)量不同排放時(shí)間的鉆孔自然瓦斯流量數(shù)據(jù),根據(jù)測(cè)定不同排放時(shí)間下的鉆孔瓦斯流量測(cè)定數(shù)組(qt),用下式計(jì)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(shí)刻鉆孔自然瓦斯流量,m3/min;q0為t=0時(shí)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(shí)間,d。

對(duì)百米衰減系數(shù)孔持續(xù)進(jìn)行22 d的瓦斯流量測(cè)定,得到2個(gè)百米衰減系數(shù)孔在不同排放時(shí)間的瓦斯流量數(shù)據(jù),見(jiàn)表1。可以看出,鉆孔施工完成后,2個(gè)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(shí)間后,瓦斯流量不斷衰減。對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)間的關(guān)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(shí)間t之間的相關(guān)關(guān)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(jiàn)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(shí)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(jì)算煤層透氣性系數(shù)公式表

目前,我國(guó)廣泛采用的測(cè)定方法是中國(guó)礦業(yè)大學(xué)法,它是在煤層瓦斯向鉆孔流動(dòng)的狀態(tài)屬?gòu)较虿环€(wěn)定流動(dòng)的基礎(chǔ)上建立的,通過(guò)測(cè)定煤層瓦斯徑向不穩(wěn)定流量來(lái)計(jì)算煤層透氣性系數(shù),該方法稱(chēng)為徑向流量法。徑向流量法計(jì)算煤層透氣性系數(shù)的公式,見(jiàn)表2。

表2中,F0為時(shí)間準(zhǔn)數(shù),無(wú)因次;P0為煤層原始的絕對(duì)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(shí)間為t時(shí),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(shí)間t時(shí)的鉆孔總流量,m3/d;L為鉆孔見(jiàn)煤長(zhǎng)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(fēng)順槽950 m 2個(gè)煤層透氣性系數(shù)測(cè)試孔的數(shù)據(jù)代入計(jì)算出A、B值,見(jiàn)表3。首先選擇測(cè)點(diǎn)1的測(cè)試孔進(jìn)行煤層透氣性系數(shù)計(jì)算,選用表2中第2個(gè)公式進(jìn)行計(jì)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(shí)間準(zhǔn)數(shù)F0=1.801,然后對(duì)比選用公式的時(shí)間準(zhǔn)數(shù)范圍1～10,F0值在所選用公式的時(shí)間準(zhǔn)數(shù)范圍內(nèi),λ值正確。

進(jìn)行4304工作面回風(fēng)順槽950 m測(cè)點(diǎn)2測(cè)試孔煤層透氣性系數(shù)計(jì)算,選用表2中第2個(gè)公式進(jìn)行計(jì)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(shí)間準(zhǔn)數(shù)F0=1.697,然后對(duì)比選用公式的時(shí)間準(zhǔn)數(shù)范圍1～10,F0值在所選用公式的時(shí)間準(zhǔn)數(shù)范圍內(nèi),λ值正確。將上述計(jì)算結(jié)果列成表4。

表3 徑向流量法計(jì)算煤層透氣性系數(shù)A、B值

表4 試驗(yàn)區(qū)域煤層透氣性系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

開(kāi)采層瓦斯抽放的可行性是指在原始透氣性條件下進(jìn)行預(yù)抽的可能性。一般來(lái)說(shuō),其衡量指標(biāo)有2個(gè)。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(kāi)采層瓦斯抽放可行性的標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5。從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(yù)抽瓦斯工程實(shí)踐

根據(jù)4304工作面瓦斯分布特征以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(shè)計(jì)20個(gè)鉆場(chǎng),第1個(gè)鉆場(chǎng)位于工作面停采線處,最后一個(gè)鉆場(chǎng)位于2 300 m處(距切眼約80 m),中間每隔60～150 m設(shè)置一個(gè)鉆場(chǎng),鉆孔覆蓋范圍自停采線至切眼。每個(gè)鉆場(chǎng)布置三排本煤層鉆孔,孔徑113～133 mm,終孔距運(yùn)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(kāi)采層預(yù)抽瓦斯難易程度分類(lèi)表

4304工作面預(yù)抽煤層瓦斯采用扇形孔布置方式,設(shè)計(jì)鉆場(chǎng)20個(gè)共計(jì)鉆孔531個(gè),共計(jì)進(jìn)尺123 957 m。其中,傾向本煤層鉆孔239個(gè),總進(jìn)尺69 614 m,走向本煤層鉆孔292個(gè),總進(jìn)尺54 343 m。其中,4#、5#鉆場(chǎng)施工大孔徑長(zhǎng)距離鉆孔,采用扇形布孔方式。其中4#孔施工鉆孔24個(gè),鉆孔最大深度312 m;其中5#孔施工鉆孔24個(gè),鉆孔最大深度312 m,具體設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 4304工作面大孔徑鉆孔預(yù)抽瓦斯設(shè)計(jì)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(cè)了4#和5#鉆場(chǎng)抽采瓦斯?jié)舛?、流?計(jì)算了瓦斯抽采純量,如圖5所示。4#鉆場(chǎng)瓦斯抽采期間濃度最高為7.73%,一般穩(wěn)定在3%～5%,觀測(cè)期間瓦斯?jié)舛绕骄禐?.69%;混合流量最高為16.33 m3/min,觀測(cè)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(cè)期間瓦斯純量平均值為0.43 m3/min。5#鉆場(chǎng)瓦斯抽采期間濃度最高為6.77%,一般穩(wěn)定在4%～6%,觀測(cè)期間瓦斯?jié)舛绕骄禐?.29%;混合流量最高為17.21 m3/min,觀測(cè)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(cè)期間瓦斯純量平均值為0.51 m3/min。從觀測(cè)結(jié)果可以明顯得出,4#鉆場(chǎng)瓦斯抽采參數(shù)較為不穩(wěn)定波動(dòng)較大,但一直處于較高的水平,而5#鉆場(chǎng)隨著抽采時(shí)間增加,瓦斯抽采參數(shù)呈衰減趨勢(shì),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(chǎng)瓦斯抽采達(dá)到了較好的瓦斯抽采效果。

圖5 鉆場(chǎng)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(fēng)巷瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)變化情況。

圖6 上隅角及回風(fēng)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(fēng)流瓦斯?jié)舛冉橛?.12%～0.17%,平均0.14%。累計(jì)進(jìn)尺達(dá)到140 m,煤炭產(chǎn)量為560 000 t,通過(guò)應(yīng)用低透氣高吸附煤層大孔徑長(zhǎng)距離鉆孔預(yù)抽瓦斯關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)了將工作面區(qū)域、上隅角區(qū)域以及回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.3%以下,在工作面瓦斯精準(zhǔn)高效治理的前提下實(shí)現(xiàn)了工作面安全高效生產(chǎn)。

4 結(jié)論

采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(guò)應(yīng)用低透氣高吸附煤層的大孔徑長(zhǎng)距離鉆孔預(yù)抽瓦斯技術(shù),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(fēng)流瓦斯?jié)舛冉橛?.12%～0.17%,平均0.14%,在工作面瓦斯精準(zhǔn)高效治理前提下實(shí)現(xiàn)了該工作面安全高效生產(chǎn)。