青岗坪煤矿42108工作面瓦斯抽采达标评价分析研究_宋彦东.pdf

2023 年 2 月Feb.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.01.032青岗坪煤矿 42108 工作面瓦斯抽采达标评价分析研究宋彦东1，梁志杰2，刘扬3，张辉3，孟郡伯3，冉伟1（1.陕西旬邑青岗坪矿业有限公司，陕西 咸阳 711300；2.华能煤业有限公司陕西矿业分公司，陕西 西安 711300；3.煤矿安全技术国家重点实验室 中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122）摘要 为避免煤矿在生产过程中的瓦斯事故，通过采用顺层钻孔预抽的方法对 42108 工作面煤层内的瓦斯进行预抽。根据相关的矿井瓦斯抽采要求，从钻孔布置方式、钻孔均匀程度以及评价单元划分等方面，对抽采后的 42108 工作面进行评价。关键词 顺层钻孔；残余瓦斯含量；抽采效果中图分类号TD712.6文献标识码B文章编号1672-9943（2023）01-0102-031矿井及工作面概况青岗坪煤矿位于陕西省咸阳市黄陇侏罗纪煤田中段之旬耀矿区东部，井田地质构造简单，煤层赋存较稳定，倾角平缓，厚度较大。该煤矿可采储量83.8 Mt，矿井设计生产能力 1.2 Mt/a，矿井服务年限51.7 a，属高瓦斯矿井。矿井采用中央分列式通风方式、抽出式通风方法，由副斜井、主斜井进风，回风斜井回风。该矿 42108 工作面位于 4-2煤层，倾向长度为150 m，走向可采长度为 1 360 m，煤层平均厚度为12 m。回采工艺为综采放顶煤开采，采煤方法为走向长壁式采煤，全部垮落法管理顶板。工作面直接顶为灰黑色泥岩及砂质泥岩，较松软、易风化破碎，为软弱岩石，常同煤层随采随落，极不稳定。老顶为粉砂岩及中粒砂岩，深灰色，底部含大量植物碎片，中部夹细砂岩薄层。煤层底板以灰 灰黑色泥岩、炭质泥岩为主，少量砂质泥岩，含丰富的植物根化石，遇水易膨胀。242108 工作面瓦斯抽采设计2.142108 工作面瓦斯抽采系统青岗坪矿于 2017 年建立地面永久瓦斯抽采系统，共装备有 4 台瓦斯抽放泵。其中，2BEC-60 型低负压瓦斯抽放泵 2 台，1 用 1 备，额定功率为 315kW，额定流量为 267 m3/min；2BEC-67 型高负压瓦斯抽放泵 2 台，1 用 1 备，额定功率为 630 kW，额定流量为 463 m3/min。目前地面抽放泵站共敷设 2 趟 508 mm 管路，1 趟为高负压，1 趟为低负压，沿回风斜井敷设，在风井井底与井下 355 mm 瓦斯管路对接，通过阀门控制抽放综采工作面瓦斯；支管选用 300 mm的螺旋焊缝钢管。42108 工作面瓦斯抽采系统布置如下：在42108 运输顺槽、轨道顺槽分别布置 1 趟 300 mm螺旋焊缝钢管，连接高负压系统进行抽采；在 42108轨道顺槽敷设 1 趟 300 mm 螺旋焊缝钢管，连接低负压系统进行采空区埋管抽采。运输顺槽安装 1趟 300 mm 瓦斯抽采管路，用于顺层钻孔瓦斯抽采；轨道顺槽安装 2 趟 300 mm 瓦斯抽采管路，其中 1 趟用于顺层钻孔及高位钻场钻孔抽采，1 趟用于上隅角埋管抽采。2.242108 工作面抽采钻孔布置为保证煤矿生产安全，青岗坪煤矿选择对42108 工作面本煤层瓦斯进行预抽，从而降低煤层中瓦斯含量，保证在掘进与回采过程中工作面瓦斯不超限。根据现场考察，42108 工作面煤层沿走向方向为中间较厚两端较薄。针对这一情况，设计在靠近停采线部分的工作面运输顺槽和轨道顺槽两侧分别施工煤层瓦斯预抽钻孔，其余部分在轨道顺槽单侧施工煤层瓦斯预抽钻孔1。此次在 42108 工作面轨道顺槽共布置 341 个钻孔，钻孔间距 5 m，抽采钻孔与工作面夹角 84，钻孔长度为 90135 m，孔径 113 mm，开孔位置在巷道底板以上 1.5 m；钻孔沿煤层倾向以 7仰角施工，封孔长度 10 m，采用囊袋注浆封孔方法。在 42108 工作面运输顺槽共布置 153 个钻孔，钻孔间距 5 m，抽采钻孔与工作面夹角 84，钻孔长度为 90135 m，孔径 113 mm，开孔位置在巷道底板以上 1.5 m；钻孔沿煤层倾向以 11仰角施工，封孔长度 10 m，采安全生产与检测评价能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.11022023 年 2 月Feb.,2023用囊袋注浆封孔方法。钻孔开孔位置如图 1 所示。图 1钻孔开孔位置342108 工作面瓦斯抽采工程3.142108 工作面瓦斯原始含量本次采用了直接法测定煤层瓦斯含量。在预定位置上钻取煤屑后将其装入煤样罐，并在井下用解吸仪测出瓦斯解析量；之后根据其解吸规律计算出损失瓦斯量；最后通过实验室计算出该煤样残存瓦斯量，三者之和即为该区域煤层瓦斯含量。在42108 工作面轨道顺槽内自停采线开始，每隔一定距离利用 ZDY4200LPS-A型钻机、使用取芯钻杆取样进行含量测定。具体取样地点及测定结果如表 1所示。表 1取样钻孔施工参数3.2抽采钻孔施工情况及抽采时间42108 轨道顺槽瓦斯抽采钻孔于 2019-11-11开始施工，至 2020-09-02 施工完成，共施工 365 个钻孔，工程量为 42 829.5 m。42018 运输顺槽瓦斯抽采钻孔于 2019-11-15 开始施工，至 2020-05-16 施工完成，共施工 164 个钻孔，工程量为 14 718.5 m。42108 工作面共施工本煤层预抽钻孔 529 个，总进尺 57 548 m。所有钻孔的方位角、仰角符合设计要求，且终孔位置位于 4-2煤层中，均匀覆盖了回采区域。施工后的抽采钻孔于 2019-11-12 至 2020-10-25 进行抽采，抽采时间总计为 349 d。3.3瓦斯抽采量定期通过孔板流量计收集钻孔抽采参数，整理数据显示为：42108 轨道巷钻孔抽采管路总测点瓦斯浓度最高为 46%，混合流量最高值为 1.63 m3/min；42108 运输巷钻孔抽采管路总测点瓦斯浓度最高为 43%，混合流量最高值为 1.58 m3/min。钻孔连抽一定时间后，瓦斯浓度明显降低，至 2020 年 10 月结束，42108 工作面抽采瓦斯总量约为 131.9 万 m3。4预抽后效果评价4.1抽采钻孔有效控制范围采用顺层钻孔对工作面煤层进行瓦斯抽采时，需考虑钻孔控制范围，避免出现抽采空白带。顺层钻孔有效控制范围为钻孔长度方向的控制边缘线、最边缘 2 个钻孔及钻孔开孔位置三点连线确定。42108 工作面分别沿轨道顺槽、运输顺槽每隔 5 m施工 1 个本煤层抽采钻孔，共施工 529 个顺层钻孔，钻孔终孔位置位于 4-2煤层中。通过钻孔施工情况可知，本次所施工的顺层瓦斯抽采钻孔完全覆盖42108 工作面。4.2抽采钻孔布孔均匀程度根据煤矿瓦斯抽采相关规定，需对施工后的煤层瓦斯抽采钻孔进行考察，并对钻孔在有效控制范围内的均匀情况进行评价。若施工情况与设计不符，将严重影响工作面瓦斯抽采效果，对工作面回采造成安全隐患。42108 工作面内本煤层钻孔按照设计钻孔参数施工完成后，经井下现场验收，该工作面停采线至切眼范围内钻孔的孔间距均小于5 m，角度、长度均满足设计要求，且钻孔布置均匀，满足规定要求。4.3抽采瓦斯效果评价指标测定4.3.1预抽时间差异系数和评价单元划分根据钻孔间距基本相同和预抽时间基本一致（预抽时间差异系数小于 30%）的原则，将 42108 工作面划分为 6 个评价单元。其中 42108 顺槽距切眼138 m范围为单元，切眼向外 138341 m为单元，切眼向外 341465 m 为单元，切眼向外 4651 129 m为单元，切眼向外 1 1291 259 m 为单元，切眼向外 1 2591 396 m为单元。预抽时间差异系数为预抽时间最长的钻孔抽采天数和预抽时间最短的钻孔抽采天数的差值与预抽时间最长的钻孔抽采天数之比。42108 工作面本煤层钻孔预抽时间差异系数按式（1）计算。=Tmax-TminTmax100%（1）式中：为预抽时间差异系数，%；Tmax为预抽时间最长的钻孔抽采天数，d；Tmin为预抽时间最短的钻孔抽采天数，d。经统计，42108 工作面评价单元内预抽时间差异系数如表 2 所示。宋彦东，等青岗坪煤矿 42108 工作面瓦斯抽采达标评价分析研究孔号位置取样深度/m孔径/mm瓦斯原始含量/（m3/min）1#42108 轨道顺槽 50 m301132.542#42108 轨道顺槽 350 m301132.83#42108 轨道顺槽 650 m301132.674#42108 轨道顺槽 950 m301132.315#42108 轨道顺槽 1 250 m301132.926#42108 轨道顺槽 1 300 m301132.92斜向钻孔斜向钻孔斜向钻孔5 m1.5 m1.5 m1.5 m1032023 年 2 月Feb.,2023表 242108 工作面评价单元预抽时间差异系数统计通过计算可得，42108 工作面单元的差异系数分别为 28.95%、29.36%、24.49%、29.11%、29.81%以及 9.17%，满足 煤矿瓦斯抽采达标暂行规定 中时间差异系数小于 30%的要求，评价单元划分合理。4.3.2抽采后煤层残余瓦斯含量计算Wcy=（W0G-Q）/G（2）式中：Wcy为煤的残余瓦斯含量，m3/t；W0为煤的原始瓦斯含量，m3/t；G 为评价单元参与计算煤炭储量，t；Q 为评价单元钻孔抽排瓦斯总量，m3。G=（L-H1-H2+2R）（I-h1-h2+R）m（3）式中：L 为评价单元煤层走向长度，m；I 为评价单元抽采钻孔控制范围内煤层平均倾向长度，m；H1、H2为分别为评价单元走向方向两端巷道瓦斯预排等值宽度，m；h1、h2为分别为评价单元倾向方向两侧巷道瓦斯预排等值宽度，m；R 为抽采钻孔的有效影响半径，m；m 为评价单元平均煤层厚度，m；为评价单元煤的密度，t/m3。通过计算可得出，42108 工作面单元煤体残余瓦斯含量分别为 2.68、2.64、2.01、2.19、2.22、1.78 m3/t。4.3.3抽采后煤层残余瓦斯压力计算Wcy=ab（Pcy+0.1）1+b（Pcy+0.1）100-Ad-Mad10011+0.31Mad+（Pcy+0.1）Pa（4）式中：Wcy为煤的残余瓦斯量，m3/t；a，b 为吸附常数；Pcy为煤层残余相对瓦斯压力，MPa；Ad为煤的灰分，%；Mad为煤的水分，%；为煤的孔隙率，m3/m3；为煤的密度，t/m3；Pa为标准大气压力。经计算，单元经抽采后煤的残余瓦斯压力分别为 0.63、0.62、0.41、0.47、0.48、0.34 MPa，符合 煤矿瓦斯抽采达标暂行规定 中关于瓦斯压力小于 0.74 MPa 的规定，判定为抽采效果达标。4.3.4抽采后煤层可解吸瓦斯量计算Wj=Wcy-Wcc（5）式中：Wj为煤的可解吸瓦斯量，m3/t；Wcy为抽采瓦斯后煤层的残余瓦斯含量，m3/t；Wcc为煤在标准大气压力下的残存瓦斯含量，m3/t。实测结果，42108 工作面煤层残存瓦斯量取1.31 m3/t。42108 工作面产量为 3 634 t/d，根据工作面回采前煤的可解吸瓦斯量标准，可解吸瓦斯量应3.5 m3/t。42108 工作面内 6 个单元预抽后煤的可解吸瓦斯量均小于 3.5 m3/t，同时满足 煤矿瓦斯抽采达标暂行规定 的相关要求，判定为抽采达标。4.3.5工作面风速及回风流瓦斯浓度2020-10-0131 对 42108 工作面连续进行 1个月抽采数据统计，在 42108 工作面抽采系统正常运行情况下工作面最大风速为 2.15 m/s，回风流瓦斯浓度最大为 0.32%，同时满足风速不超过 4 m/s、回风流中瓦斯浓度低于 0.8%的标准要求，可以判定为抽采达标。5结论（1）42108 轨道顺槽和运输顺槽瓦斯抽采钻孔均施工至设计深度，且钻孔有效孔深点位于设计钻孔终孔点附近。经界定，4210