黄陵二号煤矿底板油型气释放规律及影响因素

2023-11-14殷民胜刘耀宗

陕西煤炭 2023年6期

殷民胜,刘耀宗

(1.陕西陕煤黄陵矿业公司,陕西延安 727307;2.陕西彬长大佛寺矿业有限公司,陕西咸阳 713500)

0 引言

我国是世界上的产煤大国,同时也是瓦斯灾害最为严重的国家之一[1-2]。针对工作面瓦斯自然排放规律及影响因素的相关研究是防止瓦斯事故的首要任务[3-4]。随着新技术以及新工艺在现场的应用,矿井开采强度越来越大,矿井瓦斯自然排放量逐年提升,同时,出现了围岩瓦斯异常自然释放,其中底板瓦斯自然释放尤为严重,成为影响矿井安全高效开采新的致灾因素,给矿井安全生产带来极大的隐患。

目前常用的研究工作面瓦斯自然释放的方法有数值模拟和现场测定方法,现场测定法能够更真实准确地掌握工作面瓦斯的实际分布情况[5-6],数值模拟法能对现场瓦斯自然释放量以及瓦斯分布进行预测[7-9]。多数学者研究对象为煤层气[10-13],对于油型气的研究还需要完善[14-16]。

黄陵矿区属于典型的煤油气共生矿区,以黄陵矿区黄陵二号矿井为研究对象,对其底板油型气自然释放规律及影响因素展开研究,以期为油型气治理提供一定的理论依据。

1 矿井概况

黄陵矿区位于陕北黄土高原南部的低山丘陵区,地处延安地区南部,区域地层主要位于黄陇侏罗纪煤田东北部。黄陵二号煤矿属于典型的煤油气共生矿井,目前主要采掘活动位于二、四盘区,全矿主采2号煤层。以曾经发生过油型气异常自然排放的工作面以及正在进行采掘活动受油型气影响的工作面为研究对象,对油型气自然释放规律及其影响因素展开研究。

2 底板油型气自然排放规律

2.1 掘进工作面底板油型气自然排放规律

以二盘区205胶带巷掘进工作面作为重点跟踪考察对象,根据现场收集及跟踪观测的掘进工作面油型气钻孔自然释放资料和数据,通过剖析底板油型气自然排放位置信息和地质地层等资料,进行油型气自然释放规律的研究,总结出以下规律。

2.1.1 油型气自然排放位置

通过对掘进工作面油型气自然释放情况进行长期的跟踪考察,发现油型气自然释放地点主要集中在距离工作面5～10 m的位置,主要以巷道中部底鼓裂隙自然释放为主,如图1所示。

图1 掘进面油型气自然排放点分布示意

2.1.2 油型气钻孔涌出规律

201掘进工作面在掘进过程中采取了“边探(抽)边掘”油型气探采措施,通过钻孔油型气探采,避免了底板油型气向掘进工作面的直接自然释放。虽然实际掘进中仍存在微量底板油型气进入掘进工作面,但整体来讲,掘进工作面油型气自然释放以钻孔抽采为主。

掘进工作面实施的底板油型气抽采钻孔为超前探采钻孔,其目的是“先探(抽)后掘”,提前抽采油型气,防止巷道掘进过程中油型气进入掘进工作面造成瓦斯超限等事故,此类型油型气探采钻孔属于未卸压抽采。由于钻孔瓦斯涌出规律能够反映储层透气性、储层压力等地质因素,因此,为了掌握钻孔油型气涌出规律,在205掘进工作面掘进期间对205FY13-3、205JD11-2等4组钻孔进行了跟踪测试,现场连续跟踪测试了11～34 d钻孔油型气涌出量,获得了较为详实的钻孔油型气涌出数据。根据测得的钻孔油型气涌出量和时间数据,对钻孔油型气涌出规律进行分析,数据分析结果如图2～5所示。

图2 205FY13-3号孔油型气涌出量与时间拟合关系

图3 205FY13-6号孔油型气涌出量与时间拟合关系

图4 205JD10-4号孔油型气涌出量与时间拟合关系

图5 205JD11-2号孔油型气涌出量与时间拟合关系

将统计的数据进行拟合分析,拟合结果表明,钻孔油型气涌出规律符合幂函数,见式(1)

q=q0×(1+t)-α

(1)

式中,q为t时刻时钻孔油型气涌出量,m3/min;q0为钻孔油型气初始涌出量,m3/min;t为钻孔油型气涌出时间,d;α为钻孔油型气涌出衰减系数,d-1。

根据拟合公式得到了4个钻孔的油型气初始涌出量和钻孔油型气衰减系数,结合图2～5,可以得出钻孔油型气涌出量衰减较快,其衰减系数为1.24～2.14 d-1,平均为1.55 d-1;拟合公式相关系数R2在0.81～0.99,拟合度较高,说明拟合的幂函数公式能够很好地反映钻孔油型气涌出规律。

2.2 回采面底板油型气自然释放规律

底板油型气受采动影响后裂隙沟通储层,油型气由裂隙进入采掘空间,造成安全隐患,因此,研究底板油型气自然释放规律对于指导抽采钻孔设计进行工作面瓦斯防治具有重要意义。

2.2.1 底板油型气自然释放特征

为了统计底板油型气自然释放特征,现场跟踪监测了409工作面辅运巷底板孔抽采数据,跟踪了3个钻场60个钻孔,其中检测出油型气的钻孔共计13个。其中1#钻场11个,占该钻场钻孔数量的40%;2#钻场和3#钻场各1个钻孔,故分析1号钻场的出气钻孔更具有可比性。并在409辅运巷施工了底板油型气勘查钻孔,该处底板油型气储层距离2号煤层底板38 m左右,间距由里向外呈逐渐增加的趋势。根据现场实际情况统计了13个底板油型气自然排放钻孔信息记录见表1。

表1 出气钻孔参数表

2.2.2 底板油型气自然释放规律

由表1数据可知,检测出油型气的钻孔垂深为22.24～33.26 m,平均25.77 m,工作面方向距离为23.00～150.00 m,平均102.32 m,仅3个钻孔距离小于60 m,终孔距回采面距离为-65.14～-0.23 m,出气持续时间为2～17 d,持续出气距离为16.20～55.50 m,平均为30.05 m,钻孔油型气出气量为0.03～0.74 m3/min。从垂深上分析,出气钻孔垂深较深均超过了22 m,由此可以判断油型气储层距离煤层底板22 m以上,且距离越大抽采效果越明显。

出气钻孔进入工作面距离大部分在工作面的中部位置区域,说明终孔位置越靠近工作面中心位置越有利于抽采油型气。原因在于工作面中心区域应力最小,裂隙向纵深方向发展越深,以及垂深越深越易形成有效钻孔,有利于抽采油型气。从出气钻孔的终孔距回采面的距离来看,出气钻孔终孔位置都处在回采工作面的后方,持续出气距离为16.20～55.50 m,平均为30.05 m,说明回采面后方这段距离是受采动卸压效果比较好的区域,这段距离为应力增大区域,裂隙受挤压不利于油型气抽采。

将持续出气时间和持续出气距离关系绘制成图6,可以看出持续出气时间与持续出气距离呈正相关关系,且相关性较好,R2为0.770 6。说明回采工作面推进速度越快,持续出气时间越短,进入采空区的油型气总量降低。

图6 持续出气时间和持续出气距离关系

3 底板油型气自然释放影响因素分析

在前文研究油型气自然释放规律的基础上,统计了黄陵二号煤矿建矿以来的采掘工作面及探采钻孔油型气异常自然释放点共计18个,其中,二盘区主要为201、203、205及207工作面区域富县组砂岩油型气储集层油型气自然释放点12个,四盘区主要为405、407和409工作面区域瓦窑堡组砂岩层油型气自然释放点5个、二盘区205工作面区域瓦窑堡组砂岩层油型气自然释放点1个。根据统计结果,对异常自然释放点的储集层厚度、埋深、地质构造等因素进行对比,系统研究各要素与油型气自然释放的作用及影响程度,具体影响规律如下。

3.1 储集层厚度对底板油型气自然释放影响

通过对井田范围内205掘进面、203回采面、409回采面等3个区域的油型气自然释放强度进行测定,共测定10个异常自然释放点的数据,并对自然释放点所对应的储集层厚度数据进行统计,绘制了二者之间的关系散点图。由图7可以看出,对于二盘区富县组储集层油型气自然释放强度具有随储集层厚度增加而减小的趋势,二者的关系为q=-0.333mc+4.378(R2=0.150);四盘区瓦窑堡组储集层油型气自然释放强度具有随储集层厚度增加而增加的趋势,二者的趋势关系符合q=0.222mc-2.299(R2=0.337)。