吉宁矿2#煤层瓦斯抽采最佳孔口负压研究

蒋 璋，侯 俊

(山西焦煤集团有限责任公司，山西 太原 030024)

瓦斯抽采已成为煤矿治理瓦斯的根本手段，而瓦斯抽采的效果直接影响瓦斯治理的效果。影响瓦斯抽采效果的内在和外在因素有很多，内在因素有煤层瓦斯含量、煤层透气性、瓦斯解吸速度，外在因素有地质构造、封孔质量、煤层水分、抽采负压等。马金魁[1]研究表明：负压为影响钻孔瓦斯抽采效果的主要因素，直接影响着瓦斯抽采量和抽采浓度；钻孔瓦斯抽采纯量、抽采浓度与抽采负压呈现明显的二次函数关系。程远平等[2]提出了随抽采时间的增加，负压的作用逐渐减弱，降低抽采负压能够有效提高抽采瓦斯浓度。

在抽采负压对瓦斯抽采效果影响关系方面学者们进行了大量研究[3-5]，但大都仅对抽采负压提出了一个比较宽泛的指导区间，而没有给定特定条件下具体的抽采负压。为了确定吉宁矿2#煤单一厚煤层钻孔的最佳孔口负压，开展了抽采负压与瓦斯抽采效果的试验研究。鉴于抽采时间对钻孔抽采效果具有一定的影响，选择刚施工不久的新钻孔，通过试验对比分析确定钻孔孔口最佳抽采负压，为吉宁矿瓦斯的高效经济抽采提供参考。

1 矿井概况

吉宁矿井田面积17.684 3 km2，生产能力300万t/a，批准开采2#、10#煤层；矿井绝对瓦斯涌出量82.5 m3/min，相对瓦斯涌出量14.45 m3/t. 矿井采用中央并列式通风方式，矿井总风量9 816 m3/min；地面高、低负压瓦斯抽采泵站共安装有4台2BEC80-1BG3型水环式真空泵，配套电机900 kW，额定抽气量700 m3/min，各一用一备，矿井现瓦斯抽采纯量为40 m3/min.

矿井目前开采2#煤层，位于山西组中下部，属全区稳定可采厚煤层，煤层厚度5.42～7.20 m，平均厚度6.22 m. 2#煤煤尘有爆炸性危险，自燃倾向性等级为Ⅱ类。根据中国矿业大学矿山开采与安全教育部重点实验室2011年5月编制的《山西华晋吉宁煤业有限责任公司矿井2#煤层瓦斯参数及煤层透气性系数测定研究报告》显示，原始瓦斯压力0.42 MPa，原始瓦斯含量6～11.65 m3/t；透气性系数为0.023 008～0.085 813 m2/MPa2·d，钻孔瓦斯流量衰减系数为0.059 d-1，属较难抽放煤层。

2 试验数据采集与分析

2.1 试验方案确定

为了尽量排除其他干扰因素对试验的影响，最大限度地保证试验的成功率和准确性，经考察和筛选，选取吉宁矿2#煤二盘区集中回风大巷本煤层预抽钻孔作为试验研究对象。该区域地质构造简单，受采掘生产影响小；煤层厚度稳定，本煤层钻孔成孔质量好且抽采时间短；抽采系统负压可调节性强。该次试验相关要求如下:

1) 选择煤层完整，受采掘生产影响小的111#、113#、120#三个本煤层预抽钻孔为试验对象进行数据采集。

2) 所选抽采地点钻孔为近期抽采钻孔(抽采时间不超过1个月)，封孔质量及管路连接良好，单孔观测装置齐全(能观测负压、浓度、节流)，3个钻孔在一个负压状态下要连续采集一组数据。

3) 数据采集采用抽采负压递增模式，每次负压上升量尽可能保持平稳，每当上升一个负压梯度，待稳定10 min后进行数据采集。

4) 数据采集过程中，井下抽采系统要保持稳定，不要进行管路放水、系统调整等影响稳定的作业。

2.2 试验地点概况

根据试验方案要求，试验地点确定为该矿2#煤二盘区集中回风大巷，集中回风大巷属于全煤掘进巷道，在1#回风大巷延伸端头处开口施工，沿方位N42°49′W掘进。巷道设计全长1 635 m，净宽5.5 m，净高4.5 m，净断面24.75 m2，目前已施工到850 m. 集中回风大巷安装2组2×55 kW风机，供风量为1 596 m3/min.

该巷道为准备大巷，四周均未采掘。抽采点0～600 m段盖山厚度480～570 m，平均525 m.集中回风大巷0～185 m段有1条F15正断层，发育在集中回风大巷130 m处，断层落差为5 m，断层附近煤层节理发育，顶板破碎，瓦斯涌出异常；在185～1 635 m段目前未发现其他地质构造，该地点地质条件简单。根据各条大巷以往开拓施工对地表的破坏情况分析可知，集中回风大巷掘进施工对地表影响不大。

该地点煤层厚度5.47～6.15 m，平均5.81 m，煤层整体向北西倾斜，倾角-1°～-6°，一般-3°. 工作面内2#煤层节理发育，结构简单，煤的坚固性系数为0.6，在煤层中下部夹一层泥岩矸石，平均厚度约0.33 m，煤层厚度变化不大，属稳定煤层。

2.3 试验数据测定

集中回风大巷从见煤点开始，垂直巷道走向，向未开拓的二盘区区域设计施工顺层预抽钻孔540个。由于煤层厚度大，钻孔设计为“三花眼”高低位双排布置，同排钻孔间距6 m，下排钻孔开孔位置距巷道底板1.2 m，上、下排钻孔间距为0.8 m，钻孔终孔d133 mm，单孔设计深度为105 m. 该次试验所选3个钻孔基本情况及测定结果见表1，表2.

表1 试验钻孔基本情况表

表2 试验钻孔测定结果表

2.4 试验数据分析

1) 煤层透气性和解吸速度分析。

由表2可知，113#钻孔相较其他两个孔瓦斯浓度偏低，但3个钻孔在抽采过程中瓦斯浓度均超过40%，依据AQ1027-2006钻孔封孔质量检查标准，判定3个试验钻孔封孔质量全部合格，均视为处于稳定抽采时期。

张天军等[6]提出了抽采负压是影响钻孔孔周煤体瓦斯渗流规律的重要因素之一，抽采负压提供孔周煤体瓦斯向钻孔内渗流的动力，其低速紊流状态有利于瓦斯高效抽采。随着抽采时间的增加，负压对瓦斯的引流作用逐渐减弱，瓦斯流量随时间呈现负指数衰减规律。在同一区域煤层，当钻孔的外部条件恒定时，抽采混合量变化主要取决于2个因素，瓦斯的解吸速度及煤层透气性系数。当解吸速度大于煤层透气能力时，透气性系数成为主控因素，随着外部因素抽采负压的增大，瓦斯克服煤层阻力能力加强，煤层透气性系数增大，抽采混合量增大，且抽采浓度不降低。当解吸速度小于煤层透气能力时，解析速度成为主控因素，随着抽采负压增大，煤层内吸附瓦斯转变成游离瓦斯增多，抽采混合量不断增大，但是抽采浓度不断减小。这是因为抽采气体中空气的比例升高所致，而抽采空气只取决于煤体的透气性系数，与瓦斯解吸速度无关。

抽采浓度与抽采负压关系曲线见图1，由图1可知，随着抽采负压的增加，钻孔抽采浓度均有一定幅度的下降，说明瓦斯解吸速度较低，主控因素是瓦斯解吸速度。依据郑吉玉等[7]现场测定的不同负压下的钻孔瓦斯浓度变化规律，结合吉宁矿的抽采数据来看，从试验钻孔开始抽采，瓦斯解吸速度就是决定钻孔抽采混合量的主控因素。

图1 抽采浓度与抽采负压关系曲线图

2) 最佳抽采负压分析。

抽采负压与抽采量的关系曲线见图2，3. 由图2和图3可知，随着抽采负压的增大抽采混合量和抽采纯量也不断增大，但是增大的幅度逐渐减小，到16.6 kPa以后抽采混合量增加幅度很小，113#、120#钻孔的抽采纯量和抽采混合量极值在17 kPa附近出现，因此吉宁矿顺层钻孔孔口最佳抽采负压以17 kPa为宜，抽采负压过多超过的部分属于抽采能力的浪费。

图2 抽采混合量与抽采负压关系曲线图

图3 抽采纯量与抽采负压关系曲线图

3 结 论

1) 吉宁矿2#煤本煤层钻孔决定抽采混合量的主控因素是瓦斯解吸速度。

2) 2#煤本煤层钻孔在抽采稳定期孔口最佳抽采负压为17 kPa.

3) 考察本煤层钻孔最佳抽采负压有助于合理调整抽采系统能力，减少资源浪费，但这个结论是基于内外在影响因素相对稳定的前提下，如果矿井其他区域煤层条件发生较大变化时，仍需做进一步研究。