潞安矿区地面井抽采影响下的掘进巷瓦斯涌出特征分析

何 健，崔宝库，周建伟

(1.山西潞安矿业(集团)有限责任公司 瓦斯研究院，山西 长治 046204；2.山西潞安集团示范矿井 瓦斯治理研究中心，山西 长治 046100)

针对煤层高瓦斯含量制约井下煤层巷道安全高效掘进和干扰矿井采掘接替的问题，为了掩护井下煤层巷道的安全快速掘进，近一二十年来，我国不少高瓦斯矿区探索实施了地面井压裂抽排掩护煤层巷道掘进的技术。目前，地面井压裂抽采已成为降低井下煤层瓦斯含量的重要途径[1-9]，潞安矿区示范矿井作为山西省重点试点单位也进行了地面井压裂抽排的积极探索。

示范矿井地面压裂抽排井主要分布在南五采区，2008年至2018年累计对37口井进行排采。为客观评价地面井压裂抽排对井下煤层掘进巷道瓦斯涌出的影响，经过约5 a的地面井抽排之后，在考察地面井抽排影响范围的基础上，选择了示范矿井南五采区内S5206工作面胶带巷和回风巷两条掘进巷道进行了瓦斯涌出的考察，并重点对S5206胶带巷地面压裂井附近区域瓦斯涌出特征的分析。分析结果表明，巷道掘进期间瓦斯涌出不均匀系数、瓦斯涌出量也相对越低，地面井压裂抽排达到了目的。

1 S5206工作面概况

S5206工作面位于南五采区南侧，沿东西方向布置。工作面北侧为南五2号回风下山，南侧为实体煤，东侧为实体煤，西侧为实体煤，煤层平均厚度6.1 m。工作面原始瓦斯含量接近11 m3/t，巷道掘进期间采用2台45 kW风机进行局部供风，供风量为1 425 m3/min，最大风排瓦斯涌出量为9 m3/min。掘进期间局部瓦斯治理方式为迈步钻场边掘边抽钻孔+迎头释放孔，其中迈步钻场布置6个130 m钻孔，平均抽采纯量为0.46 m3/min,迎头释放孔个数为20个，直径D65 mm，孔深为15 m。

2 地面抽采井技术参数与效果

2.1 地面抽采井技术参数

S5206工作面范围内共布置9口抽采井，平面布置如图1所示。在工作面胶带巷、回风巷0～60 m范围内，2011年年底至2017年进行排采。

图1 S5206工作面地面抽采井平面布置(m)

S5206工作面地面井编号分别是LA-027、LA-028、LA-029、LA-030、LA-032、LA-033、LA-034、LA-035 、LA-036，井深为601～658 m，除LA-030、LA-035号井外，其余7口井均于2011年年底至2017年进行压裂排采，地面井压裂参数见表1。压裂采用氮气加砂压裂工艺，最大破裂压力达17.2 MPa，加砂量40 m3。

表1 S5206工作面地面井压裂参数

2.2 地面井抽采参数

2.2.1 地面井抽采瓦斯参数

S5206工作面附近9口地面抽采井相对位置、抽采时间、封井时间、累计抽采瓦斯量、吨煤瓦斯含量下降量以及抽采井附近实测瓦斯含量见表2。由表2可知，S5206工作面附近地面抽采井的抽采时间平均约5年半，单井排采瓦斯量相差较大，但在巷道掘进过程中实测抽采井附近煤体残余瓦斯含量却基本在9.0～9.8 m3/t之间，残余瓦斯含量较为接近。

表2 S5206工作面地面抽采井瓦斯抽采参数

地面井排采瓦斯的过程是抽采井附近煤体瓦斯解吸运移动态平衡的过程，瓦斯压力梯度是瓦斯由远及近向抽采井运移的动力，地面抽采井附近煤体残余瓦斯含量与距离压裂井距离大小未表现出明显相关性，可能原因为抽采井在长期的排采后，抽采井附近煤体瓦斯压力达到新的动态平衡。

S5206工作面地面井布置间距，沿东西方向间距约为260 m，南北方向上间距约为340 m，平均间距为300 m，故地面井抽采半径约为150 m，抽采井抽采影响区域内煤层吨煤瓦斯含量下降量平均为0.94 m3/t(LA-030、LA-035未压裂排采除外)，则煤体残余瓦斯含量理论计算值约为10.06 m3/t，与实测平均值9.663 5 m3/t相差不大。

2.2.2 地面井抽采影响范围

沿S5206胶带巷从北至南均匀地布置有LA-027、LA-028、LA-029地面排采井。对该3口地面井周围50 m范围内的煤层含砂及巷道煤体破碎程度进行考察，如图2所示。

图2 LA-027、LA-028、LA-029排采井观测区域示意(m)

LA-027实际在巷道掘进正巷上揭露，揭露过程中巷道迎头出现压裂黄砂与水，如图3所示。区域范围约为2 m，LA-028、LA-029压裂井未在正巷中揭露，且未见压裂黄砂，仅出现巷道煤体不同程度的破碎。压裂砂揭露情况及压裂井附近区域煤体破碎情况，见表3。

图3 LA-027附近压裂黄砂与水分布情况

表3 LA-027、LA-028、LA-029地面井附近煤层情况

综合分析上述3口压裂排采井附近压裂砂揭露情况可知，压裂井直接压裂范围相对较小，压裂砂等支撑物向外扩散范围有限，约为2 m距离；压裂间接影响范围相对较远，降低了附近煤体的强度，使得煤体更破碎、裂隙更发育，间接影响范围约为42～50 m。

3 地面井附近区域工作面瓦斯涌出特征分析

为了考察地面井压裂抽采影响下S5206工作面瓦斯涌出特征，选择了地面井附近50 m范围内，统计分析了掘进巷道的瓦斯涌出特征。

为了进一步分析地面井对巷道掘进的影响，重点选取LA-027、LA-028、LA-029号地面井附近区域巷道掘进瓦斯涌出量与不均匀瓦斯涌出系数变化曲线，如图4～图6所示。

图4 LA-027号地面井附近巷道掘进瓦斯涌出变化曲线

图5 LA-028号地面井附近巷道掘进瓦斯涌出变化曲线

图6 LA-029号地面井附近巷道掘进瓦斯涌出变化曲线

由图4～图6可以看出，LA-027号压裂井前后各50 m范围内瓦斯涌出量有降低趋势，平均值为5.59 m3/min，LA-028、LA-029号压裂井前后各50 m范围内瓦斯涌出量无降低趋势，平均值分别为7.35 m3/min、5.89 m3/min，3口压裂井附近巷道瓦斯涌出不均匀系数均相对较低，分别为1.42、1.38、1.27。

由此可见，在经过地面井压裂排采后，压裂井前后各50 m范围内煤体透气性得到改善，瓦斯分布区域均匀，巷道掘进期间瓦斯涌出较为均匀，不均匀瓦斯涌出系数相对较低，保持在1.42以下；由于S5206工作面地面井排采时间相对较短，仅5 a左右，巷道掘进期间，距离地面井较近区域巷道风排瓦斯涌出量受地面井抽采效果影响较大，抽采效果越好，煤体残余瓦斯含量越低，巷道掘进期间瓦斯涌出量也相对越低。

4 结 语

通过现场实测分析了地面井抽采影响下掘进巷瓦斯涌出特征分析，得出如下结论：

1) S5206工作面地面井平均抽采时长分别为5.4 a，按布井半径计算，平均吨煤瓦斯含量下降量分别为0.94 m3/t，与现场实测值相差不大。

2) 压裂井直接压裂范围相对较小，压裂砂等支撑物向外扩散范围有限，约为2 m距离；压裂间接影响范围相对较远，降低了附近煤体的强度，使得煤体更破碎、裂隙更发育，间接影响范围约为42～50 m。

3) 在经过地面井压裂排采后，压裂井前后各50 m范围内煤体透气性得到改善，瓦斯分布区域均匀，巷道掘进期间瓦斯涌出较为均匀，不均匀瓦斯涌出系数相对较低，保持在1.42以下。

4) 由于S5206工作面地面井排采时间相对较短，仅5年半左右，巷道掘进期间，距离地面井较近区域巷道风排瓦斯涌出量受地面井抽采效果影响较大，抽采效果越好，煤体残余瓦斯含量越低，巷道掘进期间瓦斯涌出量也相对越低。