新大地煤矿本煤层瓦斯超前卸压抽采试验研究＊

2010-12-12吴仁伦许家林王中伟张海平田林祥

中国煤炭 2010年4期

吴仁伦许家林秦伟王中伟张海平田林祥

(1.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏省徐州市,221008;2.中国矿业大学矿业工程学院,江苏省徐州市,221116)

阳泉矿区是我国典型的高瓦斯矿区,经过长期不懈的实践和创新,阳泉矿区形成了一套独特的煤层卸压瓦斯抽采与综合治理技术体系,基本解决了煤层开采中的瓦斯问题。但是,随着开采深度的增加,本煤层瓦斯原始含量有明显的增大,煤层瓦斯涌出量大幅增加,导致工作面瓦斯频繁超限,严重影响安全高效开采。因此,要保证安全开采,必须对煤层瓦斯进行抽采,但由于阳泉矿区开采煤层渗透率低,瓦斯预抽难度较大。实践证明,一旦煤层开采引起岩层移动,即使是渗透率很低的煤层,其渗透率也将增大数十倍至数百倍,这就给瓦斯的抽采提供了可能。工作面超前支承压力对本煤层渗透率变化起主导作用,掌握超前支承压力对本煤层瓦斯的卸压影响规律,能够提高煤层瓦斯抽采效果,保证高瓦斯、低透气性煤层的安全高效开采。为此,在多个煤矿开展了本煤层超前卸压瓦斯抽采试验,本文主要介绍在新大地煤矿15101综放面的试验情况。

1 15101工作面概况

山西新大地煤业有限公司主采15#煤层,15101综放面为该矿首采面,工作面埋深344～337 m,走向长度为500 m,倾斜长度为121 m,煤层厚度为4.50～5.30 m,平均厚度为4.90 m,倾角为8～12°,局部达到20°。15#煤层绝对瓦斯涌出量为18.48 m3/t,瓦斯压力1.25为MPa,煤层透气性系数为0.175 m2/(MPa2·d),百米钻孔自然瓦斯流量衰减系数为0.0417/d。

2 本煤层瓦斯抽采钻孔布置

15101综放面本煤层瓦斯抽采钻孔均沿进风巷布置,所有钻孔均平行于切眼、垂直于工作面进风巷、沿煤层倾角布置,钻孔开孔位置距煤层底板1.5 m,钻孔间距5 m,孔径ø60 mm,孔深90 m,本煤层瓦斯抽采钻孔布置如图1所示。

图1 15101综放面本煤层瓦斯抽采钻孔布置示意图

3 本煤层瓦斯超前卸压抽采的实测研究

3.1 实测方案

工作面开采过程中,106个本煤层钻孔全部进行抽采,在距切眼100 m范围内的20个钻孔管路上各安装1个孔板流量计,对单孔瓦斯抽采变化情况进行监测;在瓦斯抽采总管路上安装1台直读式流量计,监测本煤层瓦斯抽采总量变化情况。此外,每天在回风巷和外错尾巷出口处进行风量和风排瓦斯浓度的实测,据此分析煤层风排瓦斯量的变化,考察煤层钻孔的预抽效果。

图2 距工作面不同距离下7#钻孔瓦斯抽采情况

3.2 数据分析

15101综放面自2009年10月10日试采起至2009年12月3日观测结束,工作面累计推进124.05 m,其中7#和9#观测钻孔的抽采情况如图2、图3所示,15101综放面超前支承压力与本煤层钻孔瓦斯抽采量之间的关系如图4所示,煤层钻孔瓦斯抽采量统计如表1所示。

由图2～4和表1看出,工作面生产过程中的矿山压力对提高本煤层钻孔抽采效果起到很显著的作用,通过观测可以发现进风巷瓦斯抽采钻孔抽采量变化情况大致可以分为如下4个时期。

(1)瓦斯抽采原始期。该阶段内煤体未受到工作面生产的影响,煤体的应力场、孔隙度以及瓦斯的赋存状态都未发生变化,钻孔瓦斯抽采效果保持原始抽采状态。其中单孔抽采量在0.002～0.190 m3/min之间,平均为0.032 m3/min。

(2)瓦斯抽采减弱期。煤体受到工作面开采的影响,工作面前方支承压力开始增高并达到峰值,煤岩体孔隙受挤压而封闭、收缩,使煤体透气性降低,因而瓦斯流量和瓦斯抽采量相应减少。其中单孔抽采量在0.001～0.284 m3/min之间,平均为0.029 m3/min,为原始抽采期的0.91倍。

表1 本煤层钻孔瓦斯抽采量统计

(3)瓦斯抽采增长期。这一时期工作面超前支承压力开始降低,煤岩层的应力场和裂隙场发生改变,在煤体中形成了煤层采动裂隙,而且瓦斯压力也有所减小,相应吸附态瓦斯转化为游离态瓦斯,从而使得钻孔瓦斯抽采量逐渐增大。本阶段钻孔瓦斯抽采量保持上升趋势,并达到最大值,其中单孔最大值在0.014～0.648 m3/min之间,平均为0.225 m3/min,为原始抽采期的7.03倍。

(4)瓦斯抽采衰减期。该阶段内煤体仍处于超前支承压力的应力降低区内,但由于煤层内的横向采动裂隙与工作面连通,钻孔抽采瓦斯的能力开始逐渐降低,瓦斯抽采量也开始下降,但仍高于原始抽采期瓦斯抽采量,平均为原始抽采期的6.19倍。

3.3 制定本煤层卸压瓦斯抽采管理制度

由前面实测分析可知,处于瓦斯抽采增长期和瓦斯抽采衰减期内(工作面前方20 m范围)的本煤层钻孔,受采动影响瓦斯抽采量有明显提升,该范围内瓦斯抽采总量约占本煤层瓦斯抽采总量的43.23%～67.28%,平均为57.83%。因此,新大地煤矿15#煤层工作面前方20 m范围是本煤层瓦斯抽采的最佳时期。但是,在实际生产过程中,这一区间又处于巷道超前支护的范围,在超前支护和生产过程中,可能会出现由于操作不当而使钻孔及管路的密封性遭到破坏的现象,甚至还会出现提前拆除抽采管路的现象,这都会严重影响钻孔的抽采效果。此外,进、回风侧推进速度差异较大而造成本煤层抽采钻孔孔口侧超前于终孔位置时,会造成孔口提前破坏而缩短钻孔服务周期,从而减弱抽采效果。同时,由于本煤层抽采钻孔和管路漏气严重,导致同时抽采的钻孔数目较少,瓦斯抽采量偏低。因此,为了保证开采过程中煤层卸压瓦斯抽采钻孔的抽采效果,应当制定严格的管理制度,对瓦斯抽采钻孔管路的密封性、拆除位置和开孔位置等进行规范,具体规定如下:

(1)必须保证瓦斯抽采钻孔及管路具有良好的气密性,封孔时必须保证封孔长度不得小于4 m,在钻孔抽采期间需指派专人定时进行检查,一旦发现漏气现象要立即采取封堵措施;

(2)瓦斯抽采钻孔管路只能在距工作面3 m以内的位置拆除,如遇特殊情况必须由相关负责人批准方可拆除;

(3)如工作面倾角较大,需要进行伪斜开采时,则钻孔开孔应当布置在工作面进、回风两侧中推进滞后的一侧,即保证每个钻孔从终孔位置开始逐步破坏。