潘三矿下保护层开采条件下地面钻孔瓦斯抽采技术及效果

陆占金，石必明，穆朝民，陈 思

(安徽理工大学能源与安全学院，安徽淮南232001)

地面钻孔抽采瓦斯是一项煤与瓦斯共采的绿色开采技术。在我国，地面钻孔的应用最早是1956年阳泉矿务局四矿，瓦斯抽采量达4.86～7.65m3/min;1979年，包头五当沟实施了5口地面钻孔抽放邻近层瓦斯，成功3口，单井最大抽放量7.14×105m3;铁法矿区自2001－2006年，均进行了地面井抽采实验，抽采效果较好;淮南矿区自2001年至今，共施工地面井40口以上，井深在600～950m之间，成功率在60%左右。由于各矿地质及工程等条件的差异，使得地面钻井抽采效果差异较大。我国煤炭渗透率普遍较低，采用地面钻孔对煤层预抽瓦斯时，为提高瓦斯抽采效果，必须先对煤层进行卸压，提高煤层透气性。

保护层开采作为区域性防突措施普遍应用于我国各个矿区。利用保护层开采的卸压增透和卸压增流作用，使被保护煤层透气性增大，配以地面钻孔抽采瓦斯，取得了良好的效益。研究表明，地面钻孔抽采卸压瓦斯具有施工不受井下巷道工程条件的限制、抽采范围大、抽采期长、抽采效果好等优点。潘三矿通过开采11－2煤作为保护层，并利用地面钻孔抽采被保护层13－1煤瓦斯，取得了良好的效果。本文着重考察保护层开采对地面钻孔抽采瓦斯效果的影响。

1 试验部分

1.1 试验区概况

试验区为潘三矿西二采区1492(1)采面及其保护上方的13－1煤。13－1煤属稳定煤层，厚度0.58～7.53m，平均 3.94m，最大瓦斯压力为4.1MPa，瓦斯含量6～15m3/t，平均瓦斯含量约为10.0m3/t，煤层透气性系数约为 1.2×10－3m2/(MPa2·d)。11－2煤的1492(1)工作面作为下保护层试验工作面，标高在－790.1～－838.0 m之间，工作面走向长1471m，倾斜长226m，煤层平均厚度1.9m，平均倾角为8°。11－2煤与13－1煤间距为70m。

1.2 地面钻孔布置

保证地面抽采钻井抽采半径相交点要大于13－1煤层上下被保护线以外，以保证回采面都在被保护范围内。潘三矿1492(1)工作面预抽对应被保护层1472(3)工作面的卸压瓦斯，从切眼开始向东60m范围采用地面钻孔抽采，设计共布置6口地面钻孔，平均每口钻井相距230m，其中1号孔位于开切眼以东60m;2号孔与1号孔间距为230m，在倾斜方向每个孔都位于1472(3)工作面水平投影的中上部。

在倾斜方向上，抽采钻孔位于1472(3)工作面的中上部，考虑到地面钻孔可能穿过高抽巷，因此距高抽巷向下偏20m，见图1。根据缓倾斜陷落法顶板岩移的规律，在充分开采的条件下，采煤面的中部地表下沉量最大，其活跃期为2～3个月，以后顶板逐渐压实，但最终不能恢复到原状。潘三矿基岩中部最大下沉系数为0.7～0.8，即采高1m，上覆岩层留有0.3～0.2m的空间未压实。这就是说工作面中部上覆煤岩层的膨胀和煤层渗透率最大，因此，钻孔布置在中上部，是煤层卸压瓦斯流动最佳时间内的最佳范围。

图1 地面钻孔抽采布置

1.3 地面钻井结构

地面钻井结构一般分为3段:第1段为表土段，钻井穿过表土进入坚硬基岩，下套管，进行表土段固井;第2段为基岩段，钻井钻进至目标层(卸压瓦斯抽采煤层或煤层群)顶板20～40m，下套管，进行基岩段固井 (套管长度为第1段与第2段之和、固井至地面);第3段为目标段，钻井钻进至保护层顶板 5～10m(取决于保护层开采厚度)，下筛管，不固井。施工过程中需进行以下几个环节:测井、井径检查、井斜、固井、洗井、完井，以保证地面钻井的施工质量。地面钻井的表土段孔口直径不小于311mm，水泥固井后表土段有效抽采直径不小于177.8mm，基岩段钻井的抽采直径略小于表土段。地面钻井示意如图2。

图2 地面钻孔结构示意

2 地面钻孔抽采卸压瓦斯效果考察

2.1 残余瓦斯压力与瓦斯含量考察

2011年8月20日起，现场施工顺层钻孔考察13－1煤在地面抽采瓦斯后的瓦斯压力，考察孔的布置如图3所示。

图3 考察孔布置

依据1号～4号地面抽采钻孔顺层瓦斯压力考察孔测定的瓦斯压力数据，结合考察孔和地面钻孔的位置关系图，分别分析1号和4号地面抽采钻孔抽采瓦斯后13－1煤的残余瓦斯压力和瓦斯含量。以此为基础，考察和分析地面钻孔瓦斯抽采效果。

2.1.1 1号地面抽采钻孔抽采瓦斯效果

1号地面抽采钻孔从2009年8月7日起开始抽采瓦斯，到2011年4月17日累计共抽采瓦斯3201127m3，每月平均日抽采量达到6063m3。地面抽采钻孔日均瓦斯抽采量如图4所示，其中2010年2月、3月和2010年8月，1号钻孔停抽瓦斯。

图4 1号地面抽采钻孔日均瓦斯抽采量

从图4中可看出，抽采之初日均瓦斯抽采量很高，在2009年9月达到最高22476m3，之后日抽采量迅速波动下降，说明在抽采之初，煤层积聚了大量的瓦斯，瓦斯抽采量快速上升。待大量瓦斯抽出之后，瓦斯的抽采量逐渐趋于稳定。

在2011年9月，通过顺层考察钻孔考察13－1煤的残余瓦斯含量和瓦斯压力，1号地面抽采钻孔考察孔的瓦斯压力和含量见表1。

表1 1号地面抽采钻孔考察孔瓦斯压力和瓦斯含量

由表1可知，在地面抽采钻孔抽采瓦斯之后，煤层的瓦斯压力和残余瓦斯含量都随着与抽采钻孔距离的增大而增大，且煤层的瓦斯压力和残余的瓦斯含量都明显低于《防治煤与瓦斯突出规定》中突出指标的预测数值，防突效果明显。其中8号考察孔距抽采钻孔111m，从抽采地面钻孔周围瓦斯梯度可以推算出防突半径可以达到200m。

2.1.2 4号地面抽采钻孔抽采瓦斯效果

4号地面抽采钻孔从2010年4月30日起开始抽采瓦斯，到2011年4月17日累计共抽采瓦斯2274486m3，每月平均日抽采量达到6462m3。地面抽采钻孔日均瓦斯抽采量见图5。

图5 4号地面抽采钻孔日均瓦斯抽采量

从图5中可以看出，在4号地面抽采钻孔抽采伊始，每月日均瓦斯抽采量迅速升高，并在2010年5月达到峰值10566m3，而后日瓦斯抽采量稳定在7000m3左右。但在2010年11月瓦斯抽采量达到最大，即12842m3。对比1号地面抽采钻孔抽采瓦斯数据的变化趋势可知，2010年11月1号抽采钻孔的瓦斯抽采量也明显升高。因此，4号抽采钻孔瓦斯的突然升高，与11－2煤保护层开采有关。此后，4号抽采钻孔的瓦斯抽采量趋于稳定，基本保持在日抽采瓦斯4000m3。

在2011年9月，通过顺层考察钻孔考察13－1煤的残余瓦斯含量和瓦斯压力，4号抽采钻孔考察孔瓦斯压力与含量见表2。

表2 4号抽采钻孔考察孔瓦斯压力和瓦斯含量

由表2可知，在地面抽采钻孔抽采瓦斯之后，煤层的瓦斯压力和残余瓦斯含量都随着与抽采钻孔距离的增大而增大，且煤层的瓦斯压力和残余的瓦斯含量都明显低于《防治煤与瓦斯突出规定》中突出指标的预测数值，防突效果明显。其中6号考察孔距抽采钻孔131m，从抽采钻孔周围瓦斯梯度可以推算出防突半径可以达到200m。

2.2 瓦斯抽采率

以1号～6号地面钻孔抽采瓦斯总量与1472(3)工作面原始瓦斯赋存总量的比值为基础，计算地面瓦斯抽采钻孔瓦斯抽采率。1号～6号孔抽采总量为8105335m3，1472(3)工作面瓦斯总量为14990195m3，平均抽采率为54.1%。地面瓦斯抽采钻井均满足《煤矿安全规程》中“煤层瓦斯预抽率远大于30%”的要求，瓦斯抽采效果明显。

3 总结

通过潘三矿下保护层开采结合地面钻孔抽采卸压瓦斯的技术研究及现场实测得出，抽采量和抽采率与抽采时间是正相关的。1号～6号地面钻孔抽采总量达到8105335m3，抽采率为54.1%。瓦斯抽采后煤层中残余瓦斯压力为0.21MPa，残余瓦斯含量为2.07m3/t，均低于《防治煤与瓦斯突出规定》中规定的临界值，取得了较好的防突效果。由此可见，保护层开采对于地面钻孔抽采被保护层卸压瓦斯具有十分重要的作用。

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