相邻煤层钻孑L抽采瓦斯效果的观测和分析.pdf

煤矿安全 2 0 l o 一0 9 3 3 相邻煤层钻孑L 抽采瓦斯效果的观测和分析 王永文1 ，昊世跃2 ，张美红2 1 ．山西焦煤集周，山西太原0 3 0 0 2 4 ；2 ．太原g ．y - 大学，山西太原0 3 0 0 2 4 摘要根据相邻煤层钻孔瓦斯抽采流量与时间的观测数据，计算了贺西煤矿3 号和4 号煤层钻 孔瓦斯初始流量、衰减系数、煤层透气性系数。研究表明3 号煤层卸压保护开采，使4 号煤层钻 孔瓦斯初始流量和极限抽采量小于3 号煤层，而衰减系数和煤层透气性系数却大于3 号煤层；影 响钻孔瓦斯流量和浓度主要因素是封孔质量。因此，建议延长3 号煤层抽采时间，加大4 号煤层 孔间距，提高封孔质量以提高各煤层综合抽采效果。 关键词相邻煤层；钻孔抽采瓦斯；卸压煤层瓦斯抽采；透气性系数；衰减系数 中图分类号T D 7 1 2 ．6文献标识码B文章编号1 0 0 3 4 9 6 X 2 0 1 0 0 9 0 0 3 3 0 3 贺西煤矿位于柳林县城东南1 5k m ，陈家湾乡 贺家社村西，目前是山西汾西矿业集团公司主力矿 井，核定生产能力达1 8 0 万t ／a 。煤矿现主要开采山 西组3 号和4 号煤层，开采顺序为先3 号层i 后4 号 层。回采工作面采用“两进一回”通风方式，材料巷 进风，运输巷辅助进风，尾巷回风。3 号和4 号煤层 回采工作面瓦斯主要来源于本煤层和上、下邻近层， 所以在材料巷，运输巷布置钻孔抽采本煤层瓦斯，在 尾巷布置倾斜钻孔抽采邻近瓦斯。通过对3 3 1 0 和 3 4 0 3 工作面本煤层瓦斯抽采钻孔的观测和分析，确 定抽采钻孔瓦斯流量的变化规律，考察本煤层瓦斯 抽采效果，为迸一步改进抽采工艺提供依据。 1 工作面概况 3 3 1 0 工作面开采二叠系下统山西组3 号煤层， 该煤层结构简单，厚度1 ．3 8 1 ．9 31 “ 1 1 ，平均1 ．9 4m ， 倾角平均为2 0 一6 0 。煤层顶板老顶为砂质泥岩， 平均厚度9 ．7m ，岩性坚硬；直接顶为泥岩，平均厚 度5 ．3 9m ，岩性松软、易跨落，层理发育；伪顶为页 岩，厚度O 一0 ．4m ，松软、易垮落。煤层直接底为细 砂岩，厚度7m ，岩性坚硬、厚层状，有底鼓现象；老 底岩石为砂岩，厚度1 ．8 1m ，岩性较硬。工作面煤 层结构简单，稳定可采。工作面设计走向长度21 5 0 m ，工作面长度2 0 0m 。本煤层抽采瓦斯钻孔施工位 置分别在3 3 1 0 材料巷和3 3 1 0 运输巷内，共施工6 9 0 个顺层钻孑L 。材、运两巷钻孔编号分别从距切眼煤 基金项目国家科技支撑计划资助项目 2 0 0 7 B A K 2 9 8 0 1 ；山西省科 技攻关资助项目 2 0 0 7 0 3 1 1 2 0 0 2 壁线6m 处开始为l 号孔，分别每隔6m 布置1 个 钻孔，钻孔孔径9 4m m ，方位垂直于巷帮，倾角与煤 层倾角相同，开孔位置距底板1m 处，钻孔深度在 6 0m 左右。 3 4 0 3 工作面开采二叠系下统山西组4 号煤层， 上距3 号煤层3 ．5 7 ～1 9 ．6 6m ，平均1 1 ．9 9m ，上部3 号煤层在3 4 0 3 工作面开始抽采瓦斯时已经回采完 毕。顶板多为砂岩、砂质泥岩、泥岩，底板多为粉砂 岩、泥岩。工作面走向长度16 2 0m 。本煤层抽采瓦 斯钻孔施工位置分别在3 4 0 3 材料巷和3 4 0 3 运输巷 内，各施工2 5 6 个顺层钻孑L 。钻孔孔径9 4m n l ，钻孔 间距6m ，方位垂直于巷帮，倾角与煤层倾角相同， 开孑L 位置距底板1 ．2m 处，钻孔深度在6 0m 左右。 3 3 1 0 和3 4 0 3 工作面瓦斯抽采方法都属于本煤 层顺层钻孑L 抽采，但前者属原始煤层瓦斯抽采，后者 为卸压煤层瓦斯抽采。为争得较长的预抽时间，在 巷道掘进过程即进行钻孔施工，并及时封孑L 联网抽 采。采用毛巾布包裹聚氨酯、人工填塞的封孔方法。 2 观测钻孔选择和观测内容 为了考察3 号煤层本煤层钻孑L 抽采瓦斯效果， 从2 0 0 9 年7 月6 日一8 月6 日，沿3 3 1 0 运输巷选 择封孔质量相对较高的1 4 个抽采钻孔，进行流量随 时间变化的观测。每个钻孔的成孔时间、钻孑L 深度、 封孔深度、钻孔角度等施工参数如表l 。在每个钻 孔口安装孑L 板流量计，使用“U ”压差计测量节流压 差和抽采负压，由此根据孔板流量计系数计算混合 瓦斯流量；使用光学瓦斯浓度检测仪测定瓦斯浓度， 通过计算得到纯瓦斯流量，同时记录观测时间。 3 4 煤矿安全 喇4 3 1 表1 观测钻孔施工参数 3 3 1 0 运输巷3 4 0 3 运输巷 孔孔深钻孔倾孔孔深钻孔倾 号 ／m 角／ 。号 ／m 角／ 。 3 96 8 6 37 8 ．6 2一l O 4 I7 2688 I ．6 2I O 4 36 0697 8 ．6 28 4 56 591 07 8 ．6 26 4 77 18l l8 0 ．1 25 ．5 4 97 581 47 8 ．6 26 5 17 071 57 8 ．6 26 5 36 51 01 67 8 ．6 26 5 56 6l O1 97 8 ．6 27 5 76 0 1 02 07 5 ．6 27 1 0 06 21 0 2 17 8 ．6 26 1 5 0印22 24 8 ．1 26 2 0 06 32 2 5 06 85 为了确定4 号煤层本煤层钻孔的抽采瓦斯效 果，并与3 号煤层进行对比，在3 4 0 3 运输巷中选择 了1 1 个封孔质量较好，抽采负压比较稳定抽采钻 孔，从2 0 0 7 年8 月1 1 6 日进行连续观测，1 1 个钻 孔施工参数如表l 。观测仪器、观测及计算方法与 3 3 1 0 工作面相同。 3 数据处理方法 对于一个抽采钻孔，由于实际观测过程干扰因 数多，且观测时间有限，数据少，若按单一钻孔对数 据进行分析，其可靠性较差。因此，首先将所有钻孔 的每个观测流量都按下式换算成百米钻孔纯瓦斯流 量 口掣 I 口2 了一 I I ， D 式中，q 为百米钻孔流量，I n 3 ／m i n ；q ’为实际测 得的钻孔流量m 3 ／m i n ；L 为钻孔实际深度，m 。 然后假定每个钻孔所处的煤层地质条件相同， 各钻孔计算的百米钻孔纯瓦斯流量都可看作是同一 个时间序列的函数，则得到3 3 1 0 运巷抽采钻孔纯瓦 斯流量随时问的变化规律如图1 所示。图中公式为 百米钻孔流量随时问f d 变化统计公式，由此知3 号煤层钻孔瓦斯涌出初速度为q o 0 ．4 7 25 m 3 ／ r n i n ，衰减系数口 0 ．0 1 65d ～，百米钻孔极限抽采 量 Q 一半警卅2 3 7 m 3 2 3 号煤层实测瓦斯压力为1 ．0 2 6M P a ，瓦斯含量 7 ．0 3m 3 ／t ，瓦斯含量系数9 ．7 1 6m 3 ／ m ，M p a o J ， 0 ．0 9 0 ．0 8 O ．0 7 鼍0 ．0 6 口 ’星0 ．0 5 飞0 ．0 4 告0 ．0 3 0 ．0 2 0 ．0 1 0 ．0 0 7 图13 3 1 0 工作面本煤层抽放钻孔瓦斯涌出规律 则根据钻孔观测流量、时间以及文献 1 2 ] 煤层透 气性系数计算公式，计算得3 号煤层透气性系数为 0 ．3 8 1 5 ．4 5m 2 ／ M p a 2 d ，最大和最小值平均7 ． 9 2r l t l 2 ／ M P a 2 d ，所有测点平均2 ．4 9m 2 ／ M P a 2 d 。 按上述相同的数据处理方法得到3 4 0 3 运输巷 抽采钻孔百米钻孔纯瓦斯流量随时问的变化规律如 图2 所示，由此知4 号煤层钻孔斯涌出初速度为q 。 0 ．3 1 62m 3 m i n 一，衰减系数理 O ．0 6 7 4d ～，百 米钻孔极限抽采量 Q 一坐业6 7 5 6m ， 3 图23 4 0 3 工作面本煤层抽放钻孔瓦斯涌出规律 4 号煤层瓦斯压力0 ．7 6 1M P a ，瓦斯含量6 ．0 5 m 3 ／t ，含量系数为9 ．7 0 9m 3 ／ m 3 M P a o ‘5 ，由此计 算得4 号煤层透气性系数变化范围为4 ．4 9 3 7 ．2 l m 2 ／ M P a 2 d ，最大和最小值平均2 0 ．8 5m 2 ／ M P a 2 d ，所有测值平均值1 0 ．6 2m 2 ／ M P a 2 d 。 4 抽采效果分析 1 根据对本煤层抽采钻孔纯瓦斯流量、抽采 煤矿安全 2 0 L O 一0 9 3 5 钻孔瓦斯浓度与抽采负压观测数据的分析发现，负 压为2 0k P a 左右时，纯瓦斯流量和浓度出现最大 值，但也有较小值；负压1 2 0k P a 时流量和浓度都比 较小。产生该现象的主要原因与封孔施工质量好坏 有关。对现有封孔工艺，当封孔施工质量较好，负压 在0 2 0k P a 范围内时，纯瓦斯流量和浓度随负压 增大而增加；达到2 0k P a 左右时纯瓦斯流量和浓度 最大；超过2 0k P a 再增加负压，漏气增大，纯瓦斯流 量和浓度反而减小。当封孔施工质量差时，即使负 压等于2 0k P a 时，钻孔纯瓦斯流量也比较小。因 此，对现有抽采工艺，要提高瓦斯抽采量和浓度，提 高封孑L 施工质量是关键。 2 3 4 0 3 运输巷抽采钻孔初始流量和极限瓦斯 抽采量小于3 3 1 0 运输巷钻孔，而衰减系数和透气性 系数却较大。3 3 1 0 运输巷和3 4 0 3 运输巷抽采钻孔 分属于同一区域 采区 上部3 号煤层和下部4 号 煤层中，由于3 4 0 3 工作面上部3 号煤层3 3 0 3 工作 面先期半年开采的卸压作用，4 号煤层中部分瓦斯 已在上部煤层开采过程中涌出，所以钻孔初始流量 和极限抽采量较小，衰减系数较大；3 3 1 0 工作面为 未卸压抽采，在抽采过程中瓦斯来源除本煤层外，还 有邻近层瓦斯，所以钻孔初始流量和极限抽采量较 上接第3 2 页 下的岩巷揭煤。只有根据煤矿井下的实际情况，修 改定义系统的评价预警参数，才能实现系统的及时 准确预警，为安全生产服务。 5 结语 通过推行瓦斯防治导航系统数据信息板块管 理、优化系统的远程监测功能、及时修订系统的评价 预警参数等，使该系统在郑煤集团公司1 2 对矿井的 应用更加成功，从其运行情况看，构建生产矿井瓦斯 防治导航“人一机”应用系统，不但在技术上可行， 而且是煤矿现场管理的迫切需要。郑煤集团公司瓦 斯防治导航系统的建设是实现煤矿安全生产的一种 长效机制，该系统成功可靠运行，对于强化煤矿的多 层监管，保障矿井的安全生产具有积极的意义。 大，衰减系数较小。 3 3 号煤层先行开采后，引起4 号煤层卸压变 形，裂隙增大，从而使3 4 0 3 工面面煤层透气性系数 明显大于3 31 0 工作面煤层透气性系数。 5 结论 通过本煤层抽采钻孑L 流量现场观测，计算出了 贺西煤矿3 号和4 号煤层的钻孔瓦斯初始流量、衰 减系数、百米钻孔极限抽采量、煤层透气性系数，这 些参数可作为本煤层瓦斯抽采设计的依据。对贺西 煤矿目前抽采工艺而言，要进一步提高钻孔纯瓦斯 抽采流量和浓度，提高封孔施工质量是关键。 由于3 号煤层卸压保护作用，4 号煤层钻孔瓦 斯初始流量和极限抽采量小于3 号煤层，而衰减系 数和煤层透气性系数却大于4 号煤层，所以适当延 长3 号煤层抽采时间，加大4 号煤层孔问距可以综 合提高各煤层瓦斯的抽采效果，降低工程费用。 作者简介王永文 1 9 6 8 一 。男，山西平遥人，山西焦煤 公司通风部经理，主要从事煤矿技术管理工作。 收稿日期2 0 1 0 一0 3 2 2 ；责任编辑王福厚 参考文献 [ 1 】宋建成，毛善君，李中州，等．煤矿瓦斯防治导航系统 研究与应用【M ．北京煤炭工业出版社，2 0 0 7 ． [ 2 梅启智，廖炯生，孙惠中．系统可靠性工程基础[ M ． 北京科学出版社，1 9 9 2 ． [ 3 】张友生．系统分析与设计[ M ．北京清华大学出版 社，2 0 0 5 ． 作者简介翟华 1 9 6 6 一 ，男，河南杞县人，高级工程 师，学士，1 9 8 8 年毕业于焦作矿业学院，现在郑州煤炭工业 集团 有限责任公司从事煤矿通风和瓦斯防治工作。 收稿日期2 0 1 0 0 2 2 5 ；责任编辑王福厚