3306工作面穿层孔瓦斯抽采半径测定方案设计.pdf

166.江西煤炭科技2023年第3 期3306工作面穿层孔瓦斯抽采半径测定方案设计徐兆华（江西乐矿能源集团鸣西矿，江西景德镇3 3 3 0 0 0）摘要：钻孔瓦斯抽采半径的考察主要是为高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井瓦斯抽采设计提供主要依据，韩城市盘龙煤矿通过前期大量现场工程实践验证，编制了切合煤矿实际的3#煤层3 3 0 6 底抽巷瓦斯钻孔抽采半径测定方案，对盘龙煤矿3#煤层瓦斯高效抽采，提升工作面开采瓦斯灾害治理效能，保障矿井安全生产具有重要意义。关键词：煤层瓦斯；抽采半径；测定方案中图分类号：TD712+.6Design of Measurement Scheme for the Gas Extraction Radius of 3306 Working Face through Layer HolesAbstract:The investigation of the drlling gas drainage radius is the main basis for the design of gas drainage in high gas andcoal and gas outburst mines.Based on a large number of on-site engineering practices in the early stage of Panlong Colliery inHancheng City,the author has prepared a proper measurement scheme of the drilling gas drainage radius of 3306 bottom drainageroadway in No.3 coal seam,which is of great significance for the efficient gas extraction of No.3 coal seam in Panlong Colliery,improving the efficiency of gas disaster management in the mining face,and ensuring the safe production of the mine.Key words:coal seam gas;drainage radium;measurement scheme1矿井概况盘龙煤矿位于陕西省韩城市3 56 方位，距韩城市15km处的盘河岸边，行政区划隶属韩城市西庄镇管辖。地理坐标为东经110 2 53 2 110 2829,北纬3 53 3 593 53 6 16。矿井南与盘龙普查区相邻，北与陕西西韩兴隆煤矿有限公司接壤，东南边浅部以F2断层为自然边界，深部以1、2 号拐点坐标连线为界，与盘龙普查区相连。盘龙煤矿井田长约4.1km，宽约2.1km，面积8.50 9 7 km，采矿许可证编号6 10 0 0 0 0 8 2 0 3 54，开采3#煤层，开采标高+450 m至0 m。盘龙煤矿2 0 2 1年与江西乐矿能源集团签订了煤矿整体托管协议，煤矿的安全生产工作由江西乐矿能源集团全部负责。2地层、地质构造与煤层赋存2.1地层韩城矿区是渭北煤田的一部分，矿区地层属华北型石炭二叠纪含煤建造，奥陶纪灰岩属煤系地层的沉积基底。2.2地质构造韩城矿区构造单元属中朝大陆板块，鄂尔多文献标识码：BXu Zhaohua(Mingxi Colliery,Jiangxi Lekuang Energy Group,Jingdezhen,Jiangxi 333000)斯断块,渭北断隆区之铜川韩城断褶带。由于基底是坚固的前震旦系结晶岩系，地质上历次构造运动对本区影响甚微，表现以垂向运动为主，仅形成一系列沉积间断假整合面。矿区浅部构造变动强烈，地层直立倒转、急倾斜,并以断层为主，中深部地层产状平缓,呈倾向西的单斜构造。2.3煤层赋存盘龙煤矿含煤10 层，自上而下编号为1#、2、3#、5#、6#、7#、8#、10#、11#、12#煤层，其中3#、11#煤层为可采煤层，8#煤层为局部可采煤层，其余煤层均为不可采煤层。可采煤层特征如表1所示。2.4瓦斯根据盘龙煤矿2 0 19年矿井瓦斯涌出量测定结果：矿井相对瓦斯涌出量2 1.1m/t,绝对瓦斯涌出量10.2 6 m/min，属煤与瓦斯突出矿井。矿井开采3#煤层的煤尘有爆炸性，煤自燃倾向性属于类不易自燃。根据重庆研究院对盘龙矿3#煤层瓦斯基本参数测定结果为：煤层原始透气性系数0.52 m/(MPad)，渗透性较低；钻孔瓦斯流量衰减系数为0.2 0.2 2 dl,煤的坚固性系数-0.17 0.19,为松软煤层；煤层瓦斯压力p=0.91.8 M Pa,3#煤层范围内煤层瓦文章编号：10 0 6-2 57 2(2 0 2 3)0 3-0 16 6-0 42023年第3 期煤层厚度煤层夹研煤层编号最小一最大结构层数平均/m平均/m0.7517.05山西组3#煤层8.90.30 1.328#煤层0.64太原组1.35 22.4311#煤层8.90斯含量X=5.612.7m/t。2.5瓦斯抽放系统矿井回风立井工业场地建有地面永久瓦斯抽采泵站，安装2 台2 BES72型水循环式真空泵（一备一用），配套电机型号YB2-5001-6，电机功率为450 kW，电压10 kV,抽气量40 0 m/min，极限真空度为16 0 mbar,转速9 9 4r/min。用于井下本煤层抽放钻孔和底抽巷穿层抽放钻孔进行抽放。地面永久瓦斯抽采泵站、回风立井采用DN800mm抽放管路，总回风大巷、回风下山采用一趟DN500mm抽放管路，各施工地点抽采均采用DN200抽放支管。在抽放管路变节处安装过渡管和阀门，在巷道口安装有除渣器、放水器，在巷道的低注处安装有放水器。分单元安装孔板流量计和瓦斯自动抽采计量装置，一氧化碳传感器，每个单元不得小于2 0 0 m，实时监测瓦斯抽采浓度、流量、压力、一氧化碳。3瓦斯抽采技术方案编写背景与意义韩城矿区开采煤层埋深大，地应力高且集中分布、煤层瓦斯含量、瓦斯压力普遍较高，松软、低渗透性煤层居多，抽采参数不明，抽采难以达标，煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸隐患威胁较大。盘龙煤矿随着煤层采深、开采强度的增加，非突出煤层向突出煤层转变，煤层进行超前高效预抽瓦斯很重要，且预抽煤层瓦斯是突出矿井最有效的消突措施之一。盘龙煤矿前期大量现场工程实践研究已验证，考察煤层钻孔瓦斯抽采半径的方法归纳起来可以分为3 大类：（1）现场测试法；（2）理论计算法；(3)数值模拟法。其中,最具说服力、也最具可靠性的指标主要有钻孔瓦斯压力下降法、钻孔瓦斯流量法、钻屑指标法、钻孔负压法和示踪气体法；应用比较广泛的有瓦斯压力下降法、钻孔瓦斯流量法和钻屑指标法。本文主要介绍盘龙煤矿3#煤层瓦斯抽采半径的测定，选定地点在3 3 0 6 工作面底抽巷新掘、为抽采煤层区域，布置钻孔为穿层布置法。3#煤层江西煤炭科技表1可采煤层特征煤层层间距最小一最大老顶为中粒砂岩，直接顶为简单0257.85-73.25简单0复杂24167.顶板底板粉砂岩或砂质泥岩全区较稳定砂质泥岩、泥岩或粉砂岩石灰岩、砂质泥岩、粉砂岩泥岩、砂质泥岩、粉砂岩66.007.15-40.4016.23可采性稳定性局部不稳定老顶为石灰岩，直接顶为砂泥岩或铝土泥岩质泥岩、泥岩或粉砂岩2022年6 8 月份施工的底抽巷区域，煤层平均厚度为1.7 m，底抽巷顶板到煤层为12.5m的砂岩掩护层，钻屑法和钻孔流量法测定均不够精准。因此，本方案选用压力下降法（压降法）测定3#煤层穿层钻孔瓦斯抽采最优半径。准确测定瓦斯抽采半径可以提供本煤层瓦斯预抽达标时间，提升瓦斯灾害治理效率,同时为矿井瓦斯防治和瓦斯抽采提供基础参数；可以指导瓦斯管理，针对性地采取有效的瓦斯管控技术措施，保障矿井的安全生产。因此，江西乐矿能源集团陕西公司2 0 2 2 年7 月与太原理工大学联合开展韩城盘龙煤业有限公司盘龙煤矿3#煤层3 3 0 6工作面底抽巷穿层钻孔瓦斯抽采半径测定技术项目，旨在精准测量煤层穿层瓦斯抽放最优半径，对盘龙煤矿3#煤层瓦斯高效抽采，提升工作面开采瓦斯灾害治理效能，保障矿井安全生产具有重要意义。4穿层钻孔瓦斯抽采半径测定方案4.1试验观测地点选择煤层瓦斯抽采半径考察的试验地点应达到以下条件：(1)避开地质构造，煤层赋存稳定；(2)附近50 m距离内未受采动因素影响；(3)没有采取抽采等区域性瓦斯治理措施。3306工作面为盘龙煤矿接续面，目前正在掘进贯通阶段，3 3 0 6 工作面底抽巷2 0 2 2 年6 8 月份已经掘进3 57 m以上，区域存在SF7逆断层穿过。考察试验段设在标记的3 3 0 6 底抽巷2 0 0 300m区域（即标记的47 号55号风筒10 0 m左右区域），该区域并未布置瓦斯抽放系统，瓦斯未抽放，观测期间不受地质构造带影响，适合煤层布置穿层钻孔观测瓦斯抽采半径。因此，本设计方案选择在3 3 0 6 面底抽巷47 55号风筒标记的区域中选取10 0 m的位置作为3#煤层穿层钻孔瓦斯抽采半径测定区域。其中，穿层钻孔瓦斯抽采半径重点考察钻孔施工区域位于第47 48 号风筒之间，全区较稳定168.对比验证测量可靠性钻孔实施区域位于第5455号风筒之间，区域顶板完整未见离层和过渡破碎区域，具备现场施工条件。4.23306底抽巷试验区域基本情况盘龙煤矿目前正在开采的为3#煤层，煤层厚度平均为1.7 m，全部可采。该煤层瓦斯含量高，顶板为砂质泥岩或粉砂岩，相对稳定。其中3 3 0 6底抽巷顶板距离3#煤层的砂岩层厚度12 13 m（平均为12.5m，故本次按照穿岩厚度为12.5m设计）,砂岩层相对稳定，未发现顶板离层与冒落空洞等破碎集中区；区域煤层含水量很低，不会出现观测过程中煤层“水锁效应”影响瓦斯抽采与动压变化的问题；穿层孔钻测试瓦斯抽采半径的区域煤层厚度为14m，相对瓦斯含量经井上、井下解吸法测定为12.0 14.0 m/t,区域未安设瓦斯抽放系统，煤层整体性良好，未发现地质构造带存在。因此，本次测试试验在3#煤层10 0 m测试范围内，设计穿层观测钻孔共计两组，如图1所示，分为重点观测考察孔和对比验证孔。根据“压降法”分别观测两组钻孔的瓦斯抽采半径，对实测数据进行统计并分析出最佳抽采半径，即为3#煤层穿层钻孔瓦斯抽采半径合理值。4.3钻孔布置(1)穿层钻孔设计常规采用穿层钻孔测试瓦斯抽采半径的方法主要有两种，分别为平行钻孔布置法和终孔圆周布置法。这两种测试法共同点在于都以相对瓦斯压力压降法作为衡量指标。本次测试试验观测孔选定以“穿层平行钻孔”布置法作为最终布孔方式，定向钻机打钻过程中以3 3 0 6 底抽巷岩巷走向实施，穿岩厚度为12.5m，煤层钻进（见煤深度）为1m。其中,试验观测钻孔布置如图1所示。3#煤层岩层(2)钻孔参数钻孔施工参数如表2 所示，孔径为矿井瓦斯抽采钻孔直径9 4mm,测试钻孔施工完毕，安装压力表且当压力标值稳定后，沿巷道走向顶板垂直江西煤炭科技90施工抽采钻孔，抽采钻孔深度按照见煤钻进煤层1m位置，平均钻进深度约为13.5m，其余钻孔按照图1所示拟定抽采半径（2.0 m、2.5m、3.0m、4.0 m、5.0 m、6.0 m）平移定向打孔，抽采半径R。按照1m、1.2 5m、1.5m、2 m、2.5m、3 m设计考察。钻孔封孔深度10 m,用“两堵一注”式囊袋封孔即可，测压孔经过计算每个钻孔封孔水泥用量不能低于7 5kg（3 袋水泥左右），施工钻孔周边0.5m范围采用聚氨酯材料对围岩松动圈部分破碎裂隙带进行封堵，确保密封性。表2 钻孔布置结构参数水平倾角孔径孔深编号孔号抽-1#90.0I-1#90.054551-2#节风筒I-3#（为重点考察组）I-4#I-5#1-6#抽-2#90.0II-1#90.04748II-2#节风筒II-3#（为对比验证组）II-4#II-5#II-6#4.4测定方法(1)钻孔施工顺序选择10 0 m范围，分别间隔3 0 m施工两组侧压钻孔，每组要求按照表2 设置6 个测压孔（特别注意，抽采孔先只需定好点位，待测压孔施工完毕压力稳定后再施工），每个测压孔施工完毕后，立即封孔测定煤层原始瓦斯压力（每个孔都测）。测压孔施工完毕后，且当所有测压孔压力值稳定后，确定钻孔原始瓦斯压力值（Poi,i=1,2,3,4,5,6),做好记录。如图1所示，待所有测压孔施工安装压力表测压稳定后，施工抽采孔并立即封孔，封孔管建议采用内径2 5mm或者50 mm的末端车有丝扣3306底抽巷项板岩层的镀锌铁管；待抽采孔封孔达标不漏气的情况下，将54-55号风简之间47-48号风简之间重点考察组对比证组图1穿层平行钻孔布置2023年第3 期封孔距离长度/mm/m/m0.02.090.02.590.03.090.04.090.05.090.06.00.02.090.02.590.03.090.04.090.05.090.06.0抽采孔（抽1#和抽2#)并入抽采系统进行瓦斯抽采，记录钻孔瓦斯抽采过程中各测压孔压力变化情况。(2)现场观测及穿层钻孔瓦斯抽采半径确定方法以负压抽采第一天作为观测第一天，每天观察记录各个考察孔的瓦斯压力值。根据煤矿安全/m9413.59413.59413.59413.59413.59413.59413.59413.59413.59413.59413.59413.59413.59413.510101010101010101010101010102023年第3 期规程防治煤与瓦斯突出规定等法律、法规、规范的要求，确定瓦斯抽采半径采用煤层瓦斯压力法进行考察，通过设计施工压力测试孔，待测试孔压力稳定后，将抽采钻孔连接系统进行抽放，在规定的时间内连续观测测试孔压力读数的变化情况，确定该孔径的抽采钻孔在规定时间内抽采的有效抽采半径，本次测定第一阶段考察周期为7天，确定瓦斯抽采半径。抽采期间观测两组钻孔中1#6#压力测试孔的压降情况，记录并绘制抽采期间的钻孔瓦斯压力变化情况；原则上，若n（n=1#、2#、3#、4#、5#6#）压力观测孔以及n号压力观测孔之前的测压钻孔的压力值均小于预抽钻孔瓦斯稳定有效值（Poi），而n号钻孔之后的测压孔的压力等于或者大于Poi（以往测试出现过这种情况）,则规定R=ri+r2+r+.+n，即R为本煤层穿层钻孔的有效瓦斯抽采半径。本次穿层钻孔瓦斯抽采半径观测数据记录样如表3 所示。表3 有效抽采半径瓦斯压力观测数据记录设计表1#2#抽采日期2.0 m 2.5 m原始压力第1天第2 天第3 天第4天第5天第6 天第7 天4.5测定工艺及要求本次测定采取以下工艺流程：施工设计的穿层抽采钻孔点位预设值（先不打钻）测压钻孔施工进行测压压力稳定后抽采孔实施联孔进行抽采观察测试孔压力表读数的变化现场观测并确定最佳抽采半径。为确保测压准确，加强封孔工艺，为防止钻孔孔壁漏气，要求在钻孔下封孔套管区域采用聚氨酯在以钻孔周围0.5m为半径的区域进行充填封堵，压力表安装采用焊接头。重要的是，为确保压力表安装过程中不出现漏气，要求压力表与封孔管路采用“座头式”螺母连接，螺母连接处采用生胶带封严密，如图2 所示。5测试试验所需材料明细本次3#煤层穿层钻孔瓦斯抽采半径主要涉及江西煤炭科技钻孔施工，封孔以及钻孔压力、瓦斯抽采量（浓度、流量)等指标参数的考察，现将本阶段试验测试过程中所用的材料明细罗列如下：镀锌铁管压力表螺母链接，保持气密性图2 封孔及压力表安装表4工业试验所需材料明细序号名称数量1矿用封孔器14套机械压力表，量程3.02压力表15个MPa,精度0.0 0 1 MPa3光瓦3#4#3.0 m4.0 m5.0 m6.0 m169.or-50mm型号用途矿井常用即可钻孔封堵压降测试1套量程0%10 0%5#6#浓度测试4煤气表1套5生胶带若干6镀锌管120m内径2 5mm或50 mm7球形阀15个用于管路末端截止8标签纸20个9聚氨酯若干6结语盘龙煤矿3#煤层瓦斯抽采半径的测定，选定在3 3 0 6 工作面底抽巷内。拟选用压力下降法（压降法测定3#煤层穿层钻孔瓦斯抽采最优半径。根据“压降法”分别观测两组钻孔的瓦斯抽采半径，对实测数据进行统计并分析出最佳抽采半径，即为3#煤层穿层钻孔瓦斯抽采半径合理值。3#煤层3306工作面底抽巷穿层钻孔瓦斯抽采半径精准测定，对盘龙煤矿3#煤层瓦斯高效抽采，提升工作面开采瓦斯灾害治理效能，保障矿井安全生产具有重要意义。作者简介：徐兆华（198 5一），男，江西景德镇人，2 0 11年毕业于江西应用工程技术学院，助理工程师，现就职于乐矿能源集团鸣西矿。收稿日期：2 0 2 3-2-14050 mL/min流量测试气密性封孔用孔关停钻孔编号裂隙封堵编辑：彭呈喜