高瓦斯厚煤层穿层钻孔有效抽采半径考察研究_赵彬.pdf

2023 年 2 月Feb.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.01.009高瓦斯厚煤层穿层钻孔有效抽采半径考察研究赵彬（山西沁东能源有限公司东大矿，山西 晋城 048000）摘要 针对沁东能源有限公司东大矿井 3 号煤层赋存条件及巷道布置情况，采用相对瓦斯压力及残余瓦斯含量指标法，考察了煤层穿层钻孔在抽采负压为 13 kPa、钻孔直径为94 mm、抽采时间为 180 d 条件下的有效抽采半径。测定结果为东大矿矿井的瓦斯治理工作提供了基础依据。关键词 高瓦斯厚煤层；穿层转孔；有效抽采半径；负压；瓦斯压力；抽采时间中图分类号TD712文献标识码B文章编号1672-9943（2023）01-0027-020引言瓦斯灾害是影响矿井安全生产的重要危险因素之一，预抽煤层瓦斯是解决工作面瓦斯涌出和煤与瓦斯突出等瓦斯灾害事故的重要方法。而煤层瓦斯预抽效果主要取决于预抽钻孔布置参数，其中预抽钻孔间距是否合理尤为重要。若预抽钻孔间距过大，易造成抽采空白带；若预抽钻孔间距过小，将会增加抽采成本，浪费人力物力。因此，要根据矿井的煤层赋存条件、抽采方法、抽采装备等实际情况，考察钻孔的有效抽采半径，并依据有效抽采半径来确定煤层瓦斯抽采钻孔的设计参数1。近年来，很多学者针对瓦斯抽采半径的确定开展了大量研究，并提出了许多考察方法，主要有瓦斯压力降低法、瓦斯抽采流量法、标志性气体示踪法、数值模拟法等。本文基于沁东能源有限公司东大矿井 3 号煤层赋存条件及巷道布置等实际情况，对钻孔直径 94 mm 的穿层钻孔有效抽采半径进行了考察研究，为东大矿井瓦斯抽采提供了基础依据。这对矿井瓦斯治理、防治煤与瓦斯突出具有重要意义。1矿井概况东大矿井现开拓、开采 3 号煤层，矿井生产能力为 5.0 Mt/a，矿井瓦斯等级为煤与瓦斯突出矿井。根据东大矿井地质报告，3 号煤层厚度 3.886.27 m，平均 5.32 m，厚度大且稳定。煤层顶板为泥岩、砂质泥岩，底板为泥岩、砂质泥岩，局部顶底板为粉砂岩。具体状况如图 1 所示。3 号煤层的透气性系数为 9.14211.182 m2/（MPa2 d），百米钻孔瓦斯流量衰减系数为 0.0320.059 d-1，属于可以抽采煤层。图 1矿井综合柱状2有效抽采半径测定方法及判定标准2.1测定方法结合东大矿井的实际条件，本次东大矿井 3 号煤层穿层钻孔有效瓦斯抽采半径的测定，采用相对瓦斯压力指标方法及残余瓦斯含量法相结合的方式进行。现场在抽采钻孔周边不同距离地点施工与抽采钻孔相平行的观测钻孔并封孔，安装压力表对观测钻孔内瓦斯压力的变化进行观测。所有观测钻孔瓦斯压力稳定之后连接瓦斯抽采管路对抽采钻孔进行抽采，定期读取观测钻孔压力及抽采钻孔抽采负压，并做好读数记录。2.2判定标准（1）依据 防治煤与瓦斯突出细则 要求确定。东大矿井为煤与瓦斯突出矿井，依据 防治煤与瓦斯突出细则 第 68 条要求，东大煤矿采用区域预抽煤层瓦斯后，可采用残余瓦斯压力对区域防突措施深灰色、灰色，中、细粒砂岩夹深灰色、灰黑色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，泥岩、砂质泥岩、粉砂岩中含丰富的植物叶片化石，见菱铁质结核，砂岩中含菱铁质、云母碎片黑灰色、黑色，块状，细条带状结构，以亮煤为主、暗煤次之、含镜煤条件，光亮型煤，似金属光泽，阶梯状，参差状断口，内生裂隙发育，稳定，可采深灰色、灰黑色，泥岩、砂质泥岩、粉砂岩夹深灰色细砂岩，泥岩中不完整植物化石，含菱铁质结核，砂岩中波状层理，小型交错层理发育3#厚度/m柱状岩性描述煤层标志层9.0222.6616.603.886.275.323.1515.578.25能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.1272023 年 2 月Feb.,2023效果进行检验，即考察孔的煤层残余瓦斯压力应小于 0.74 MPa。（2）依据 GB41022-2021 煤矿瓦斯抽采基本指标 规范中要求确定。东大矿井 3 号煤层原始瓦斯含量为 12.53 m3/t，残存瓦斯含量为 2.32 m3/t，东大矿井生产规模为 1.50 Mt/a。根据 GB41022-2021 煤矿瓦斯抽采基本指标 规范中要求，当东大矿井 3号煤层回采工作面平均产量约 13 636 t/d 时，工作面可解吸瓦斯量应不超过 4 m3/t，即抽采达标后工作面残余瓦斯含量应小于 6.32 m3/t。由于煤层相对瓦斯压力 P 与煤层瓦斯含量 X 存在着一个抛物线关系，当矿井 3 号煤层预抽率为 50%，即抽采后残余瓦斯含量为煤层原始瓦斯含量的 50%时，通过分析可知此时煤层残余瓦斯压力为原始瓦斯压力的25%，瓦斯压力下降量为 75%2。综上所述，当观测钻孔煤层残余瓦斯压力下降至 0.74 MPa 以下且下降幅度达到 75%及以上时，取样测定观测钻孔周边煤层残余瓦斯含量，如煤层残余瓦斯含量亦小于 6.32 m3/t，可认为该位置处于抽采钻孔有效影响范围之内，其与抽采钻孔的距离即为穿层钻孔的有效抽采半径3。3穿层钻孔有效抽采半径3.1测定地点确定为保障测定结果的准确、可靠，结合东大矿井井下巷道及瓦斯抽采管路实际布置情况，确定穿层钻孔有效半径考察地点位于中央回风大巷约 438 m处。设计施工 1 组 6 个相互平行的穿层钻孔作为 3号煤层瓦斯压力观测钻孔，如图 2 所示。待测压钻孔压力数据稳定后施工瓦斯抽采钻孔 1 个，共计施工 7 个钻孔。图 2穿层钻孔瓦斯抽采半径测定钻孔开孔位置3.2钻孔布置参数瓦斯抽采半径测定钻孔参数如表 1 所示。表 1瓦斯抽采半径测定钻孔布置参数续表3.3压力观测瓦斯压力观测钻孔施工完成后，立即进行封孔。封孔材料选用水泥砂浆（标号不低于 425 号），封孔 24 h 后在测定管口安装压力表。待观测钻孔压力稳定后，施工抽采钻孔并连接入抽采管路上，抽采钻孔孔口负压调节为 13 kPa。连续观测各瓦斯压力观测钻孔压力表读数，每 24 h 观测 1 次并记录，当所有压力表读数连续 3 d 不变后，认为其读数为观测钻孔在抽采钻孔影响下的最终瓦斯压力。3.4数据整理及分析本次东大矿井 3 号煤层穿层瓦斯抽采半径测定共观测约 196 d，其中未连接瓦斯抽采管路前共观测 16 d，连接瓦斯抽采管路后共观测 180 d。东大矿井 3 号煤层抽采前后瓦斯压力观测孔压力变化情况如图 3 所示。图 3各观测孔抽采前后瓦斯压力变化情况由图 3 分析可知，施工抽采钻孔前，16 号观测钻孔最终瓦斯压力为 2.482.53 MPa。对抽采钻孔进行抽采，在孔口抽采负压为 13 kPa 的条件下，其中 1 号观测钻孔（与抽采钻孔距离 1.0 m）抽采180 d 后，瓦斯压力降低至 0.20 MPa0.74 MPa，下降幅度 92%75%；2 号观测钻孔（与抽采钻孔距离2.0 m）抽采 180 d 后，瓦斯压力降低至 0.44 MPa0.74 MPa，下降幅度 82.3%75%；3 号观测钻孔（与抽采钻孔距离 3.0 m）抽采 180 d 后，瓦斯压力降低至 0.60 MPa0.74 MPa，下降幅度 76.1%75%；4号观测钻孔（与抽采钻孔距离 4.0 m）抽采 180 d 后，瓦斯压力降低至 0.78 MPa0.74 MPa，下降幅度68.5%75%；5 号、6 号钻孔抽采 180 d 后，瓦斯压力仍在 0.74 MPa 以上。（下转第 89 页）赵彬高瓦斯厚煤层穿层钻孔有效抽采半径考察研究孔号钻孔孔径/mm孔深/m封孔深度/m钻孔角度/（）距抽采钻孔距离/m岩石段煤层段19431.59.530341.029431.59.530342.039431.59.530343.0孔号钻孔孔径/mm孔深/m封孔深度/m钻孔角度/（）距抽采钻孔距离/m岩石段煤层段49431.59.530344.059431.59.530345.069431.59.530346.079431.59.51234-2 m2 m2 m2 m2 m1 m5#3#1#2#4#6#1.7 m1 号观测孔3 号观测孔5 号观测孔2 号观测孔4 号观测孔6 号观测孔3.002.502.001.501.000.500.00压力读数/MPa观测天数/d100150200050抽采孔观测孔282023 年 2 月Feb.,2023（上接第 28 页）经采用插值法计算分析，抽采半径测定钻孔观测 180 d 后，在钻孔直径为 94 mm、抽采负压为13 kPa 的条件下，有效抽采半径3.1 m，经取样测定煤层残余瓦斯含量为 6.13 m3/t。4结论本次东大矿井 3 号煤层穿层钻孔测定地点为 3号煤层中央回风大巷。经现场实测，在观测 180 d、钻孔直径为 94 mm、抽采负压为 13 kPa 的条件下，3 号煤层穿层钻孔瓦斯有效抽采半径在 3.1 m。为避免出现抽采空白带，穿层钻孔间距应4.4 m。参考文献1李守瑞，王正帅，陈广喜.艾维尔沟矿区综合法确定有效抽采半径技术研究 J.煤炭技术，2022（1）：115-117.2单大阔.高瓦斯厚煤层有效抽采半径考察研究 J.煤，2021，30（11）：35-36.3冯长红.顺层钻孔有效抽采半径的确定 J.山西能源学院学报，2018（4）：42-43.作者简介赵彬（1972-），男，工程师，毕业于武汉理工大学采矿工程专业，长期从事煤矿安全和煤炭开采技术工作。收稿日期：2022-08-21150 L/min。冷却系统共设喷头 4 个，每个喷头在 2 MPa 水压力下的流量约为 6.6 L/min，则所需水量约为26.4 L/min。通过计算，外喷雾系统及冷却系统所需最大总水量为 176.4 L/min。所选 BPW315/16 型高压喷雾泵站公称流量为 315 L/min，公称压力为 16 MPa，泵站流量及压力满足要求。4.3实施工艺技术通过高压喷雾控制含尘气流靠煤壁一侧运动，同时对粉尘进行湿润，有效降低采煤机从左滚筒至右滚筒段的粉尘浓度。结合现场实际，通过调节高压喷嘴的喷射角度，最大限度地控制粉尘不朝采煤机与液压支架间的人行道飘动，进一步净化采煤机附近空间内的含尘气流。为了达到控制含尘气流向煤壁侧运动，降低司机位置粉尘浓度，分别在左右摇臂及滚筒附近各布设 3 个高压喷嘴、采煤机机身中段布设 46 个高压喷嘴，利用喷雾泵提供的高压水源，经过高压喷嘴喷出的高压水雾对采煤机摇臂及滚筒、机身中段附近粉尘进行全覆盖地喷射润湿降尘。高压喷雾泵站安装在 N3802 运输巷，从高压喷雾泵站出来的水源通过铺设在运输巷的 32 mm专用管道输送到采煤工作面，作为采煤机高压防尘水源。该泵站包括 2 台 BPW315/16 型高压喷雾泵站、1 台 XPJ315/20 型水箱、2 台 QBZ-200 型防爆开关。由高压喷雾泵站供给的高压水源到达采煤机高压水总开关，由高压水总开关出来后进入三通1。由三通 1 出来后，高压水分成 2 路，一路进入减压阀后经过比例阀，进入安装在电控箱煤壁侧的水分配阀，从水分配阀出来的水路按照改进前第 3、4、5、6 路水流向相应采煤机部件冷却系统；另一路进入三通 2。由三通 2 出来后分成 2 路，一路进入左摇臂及滚筒喷雾系统；另一路进入三通 3。由三通 3 出来后分成 2 路，一路进入采煤机机身中段高压喷雾系统；另一路进入右切割臂及滚筒高压喷雾系统。5效果分析采煤机防尘喷雾系统进行优化改进后，通过现场对比，割煤时采煤机附近粉尘浓度大幅降低。该喷雾系统满足采煤机内喷雾不能正常使用时外喷雾的水压力，符合粉尘防治规范规定的要求。同时通过减压阀的降压作用，将水压降低后向采煤机电机、变频器等部件提供冷却水源，保证采煤机电机、变频器等部件正常运转。6结语综上所述，通过对采煤机喷雾系统现状、优化改进思路以及喷雾系统优化改进方案、实施工艺技术情况的介绍，在进行喷雾系统优化改进时，要认真分析现场实际情况，合理选择技术装备，做到技术上能够施行，系统既简单又便于维护。参考文献1