常村煤矿瓦斯抽放钻孔合理封孔位置研究

延 安

(山西潞安矿业集团公司 常村煤矿，山西 长治 046000)

·试验研究·

常村煤矿瓦斯抽放钻孔合理封孔位置研究

延 安

(山西潞安矿业集团公司 常村煤矿，山西 长治 046000)

通过对常村煤矿3号煤层石门揭煤前瓦斯压力的现场测定和实验室测定，结果表明，3号煤层具有一般突出危险性。3号煤层埋藏较深，有可能存在局部瓦斯积聚的可能性，在巷道内通过稳流法测定了合理的抽放钻孔封孔长度为11 m，现场不同位置抽放瓦斯结果表明，合理的封孔位置能够有效地提高瓦斯抽放浓度，降低煤层固有的瓦斯压力，进而消除瓦斯压力过大导致的复合动力灾害显现。

瓦斯压力；封孔位置；稳流法；钻孔

煤与瓦斯突出是指在高应力和瓦斯压力的共同作用下，煤与瓦斯在很短时间内突然连续地自煤壁抛向巷道空间所引起的动力现象。冲击地压是指高应力状态下煤岩体中的能量突然释放，产生的动力将煤岩抛向巷道空间，并伴随有强烈声响的动力现象。由于两种动力灾害发生条件差异较大，且在浅部矿井中两种动力灾害一般不会重叠发生，以往对两种灾害机理和防治方面的科学研究基本是平行开展的，少有交叉。近年来，埋深小于600 m的煤炭资源逐渐枯竭，开采深度以每年20 m的速度向深部发展，因此，开展深部具有冲击、突出复合型动力灾害危险煤层的诱发机制及防治研究，对深部煤炭资源安全高效开采具有重要意义。

1 地质概况

常村矿有可采煤层3号煤层，属稳定煤层，全区可采。3号煤层结构单一，煤厚较为稳定，平均煤厚6.48 m，平均倾角3°，容重1.40 t/m3，坚固性系数为0.9～1.3，综放开采。矿井绝对瓦斯涌出量为10.5 m3/min，属瓦斯矿井。3号煤层标高+546～+590 m，地表标高+940～+998 m，平均开采深度达430 m，属于中深部开采。

2 瓦斯压力测定

对于3号煤层开采，在石门揭煤之前对煤层瓦斯压力进行了测定。通过在井底联络巷道内布置4个上行穿层钻孔，对3号煤层的瓦斯压力进行精确的测量。1号、2号、3号和4号钻孔具体布置情况见图1.

封孔质量是确保钻孔准确测定煤层瓦斯压力的重要因素。为了提高封孔质量，本次3号煤层瓦斯压力测定采用注浆泵进行注浆封孔。本次测压钻孔注浆封孔长度严格按有关规定，避开了煤层采动影响范围。测压管为d15 mm的铁管连接而成，前端的第一根铁管为筛孔管，将测压管安装在钻孔中预定的封孔深度，孔口用马丽散堵住并固定测压管，安装好注浆管。为防止水泥浆凝固后因收缩产生裂隙，根据封孔深度，在水泥浆中加入一定比例的膨胀剂，再按一定比例配制好水泥浆后，用注浆泵一次性连续将水泥浆注入钻孔内，直至注到预定深度。本次3号煤层4个测压钻孔均按要求封孔到位，测定结果见表1.

根据表1可知，1号～4号钻孔的煤层瓦斯压力依次为：0.43 MPa、0.35 MPa、0.42 MPa和0.40 MPa，平均瓦斯压力值为0.4 MPa，煤层瓦斯压力变化幅度较小，且瓦斯压力处于中等偏下水平。

图1 测瓦斯压力钻孔剖面示意图

表1 测压钻孔具体参数值表

钻孔编号巷道底板标高/m钻孔开孔标高/m封孔长度/m见煤标高/m埋深/m瓦斯压力/MPa1+546 0+547 521+512 5422 50 432+546 0+546 928+508 1416 90 353+557 8+558 816+515 0432 50 424+557 8+559 316+514 6408 20 40

对现场3号煤层取煤样进行实验室测定，主要测定瓦斯放散初速度(△P)和煤的坚固性系数(f)两个指标。测定结果见表2.

表2 3号煤层突出危险性各项指标测定结果表

结合现场测定的瓦斯压力值，实验室测定的瓦斯放散初速度(△P)和煤的坚固性系数(f)，基于突出危险临界值进行判定可知，3号煤层具有一般突出危险性，可以较安全的进行石门揭煤，进而对3号煤层进行掘进布置回采工作面。

3 瓦斯抽放孔合理封孔位置

煤体是一种特殊的材料体，其在自身固体的基础上，还在内部结构中存储着一定量的瓦斯气体，如图2所示，可以将煤体发生的动力灾害细分为4类，其中以瓦斯压力释放能量诱导的破坏和以煤岩体应力集中释放能量诱导的破坏分别被称作煤与瓦斯突出和冲击地压，而介于二者之间，瓦斯压力和煤岩体应力集中共同作用诱发的动力灾害，称之为复合动力灾害。复合动力灾害又依据瓦斯压力与应力集中释放能量的大小分为突出-冲击型和冲击-突出型两种复合动力灾害。

图2 动力灾害划分图

3号煤层埋深较大，且瓦斯压力较大，3号煤层布置工作面回采前，如果不进行有效的瓦斯抽采卸压，很容易在工作面回采过程中诱发复合动力灾害，进而对矿井的安全高效生产造成严重影响。

图3 M28煤层透气性与围岩应力关系图

在3号煤层某一工作面的运输巷中布置1#、2#和3#瓦斯抽采试验钻孔，钻孔间距50 m. 同时，在回风巷中布置4#、5#和6#瓦斯抽采试验钻孔，钻孔间距也为50 m. 使用稳流设备对实体煤帮煤体透气性进行测定，测定工艺见图3a)，两个封孔胶囊之间距离1 m，通过往胶囊中注水实现封孔的效果，再通过调压阀向两胶囊之间形成的密闭空间内注入惰性气体(N2)，通过监测恒压作用下流量的变化规律，实现分段监测煤体透气性。现场6个试验钻孔测定结果见图3b)，从图3数据变化规律可知，由于巷道表面围岩较破碎，因此，该区域流量较大，最大达0.57 L/min. 随着向煤壁深处测定，流量逐渐减小，在距巷帮煤壁约11 m的位置处，流量趋于稳定。从图3c)中6个试验钻孔流量平均值变化规律与模拟巷帮煤体中应力变化规律可以看出，巷帮应力峰值点的位置与流量稳流点的位置基本吻合，说明煤体的透气性随着应力的增高而降低，在应力峰值位置处透气性最差，再往深处煤体处于弹性区，不受巷道采掘影响，因此流量变化不大。

4 现场工业性试验

现场对巷帮煤体实施不同深度封孔负压抽采，瓦斯浓度曲线见图4. 1#、2#和3#瓦斯抽采试验钻孔封孔位置为11 m处，4#、5#和6#瓦斯抽采试验钻孔封孔位置为5 m处。从图4可以看出，合理的封孔位置可以有效地提高煤体瓦斯抽放浓度，在11 m位置处封孔平均瓦斯抽放浓度由原来的最高为35.7%提高至最高达67.1%，抽放效率提高了88%. 抽放38天后，抽放瓦斯浓度依旧能与封孔位置在5 m处初始抽放浓度一致，可见合理的封孔位置可有效提高对煤层瓦斯的抽放效果，从而大幅度降低煤层固有的瓦斯压力，进而消除瓦斯压力过大导致释放能量诱发的突出破坏。

图4 不同封孔深度瓦斯抽采效果对比图

5 结 论

通过对3号煤层瓦斯压力测定和实验室参数测定，可知3号煤层具有一般突出危险性。由于煤层埋藏较深，在煤层布置回采工作面开采前，需要进行瓦斯抽采卸压。现场工业性试验表明，封孔位置为11 m时抽采效率最高，合理的封孔位置有效提高了对煤层瓦斯的抽放效果，从而大幅降低了煤层固有的瓦斯压力，进而消除瓦斯压力过大导致释放能量诱发的突出破坏。

[1] 袁瑞甫.深部矿井冲击-突出复合动力灾害的特点及防治技术[J].煤炭科学技术，2013，41(8)：6-10.

[2] 林士良，马春笑，王广杰.深井煤巷掘进冲击地压与瓦斯突出综合防治技术[J].中州煤炭，2009(7)：83-85.

Study on Reasonable Sealing Location of Gas Drainage Drilling in Changcun Coal Mine

YAN An

On-site monitoring and measurement on gas pressure before mining in No.3 coal seam show that the No. 3 coal seam is of general outburst risk. Due to the relative deep in deposit for the No.3 coal seam, it is more inclined to partial gas accumulation. By the application of steady flow method, a reasonable borehole sealing length of 11meters is determined in the roadway with the location varies in gas drainage, practice show that reasonable sealing location can effectively improve the gas concentration, reduce the gas pressure inherent in the coal seam, and eliminate the complex dynamic disaster caused by the excessive gas pressure.

Gas pressure; Sealing position; Steady flow method

2016-12-12

延 安(1990—)，男，山西长治人，2011年毕业于中国矿业大学，助理工程师，主要从事煤矿井下生产管理方面的工作

(E-mail)zengqiang5@126.com

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1672-0652(2017)01-0031-03