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        趙莊二號(hào)井順層鉆孔抽采半徑測(cè)試分析

        2023-12-09 08:05:46劉亮亮任建平
        山東煤炭科技 2023年11期
        關(guān)鍵詞:影響

        劉亮亮 任建平

        (晉能控股裝備制造集團(tuán)趙莊二號(hào)井,山西 長(zhǎng)治 046600)

        趙莊二號(hào)井位于山西省長(zhǎng)治市長(zhǎng)子縣慈林鎮(zhèn),距太洛公路約200 m,距東田良火車(chē)站約2000 m,距趙莊礦井及附近坑口電廠約4000 m。趙莊二號(hào)井全井田3#煤層以位于井田中部的長(zhǎng)焦鐵路和長(zhǎng)晉高速煤柱為界,劃分為2 個(gè)盤(pán)區(qū),東翼為一盤(pán)區(qū)(東盤(pán)區(qū)),西翼為二盤(pán)區(qū)(西盤(pán)區(qū))。截至目前,3#煤一盤(pán)區(qū)內(nèi)的正規(guī)工作面已回采結(jié)束,現(xiàn)生產(chǎn)盤(pán)區(qū)為西翼二盤(pán)區(qū)。趙莊二號(hào)井為立井開(kāi)拓,其工業(yè)廣場(chǎng)布置有主、副立井,井田東、西兩翼盤(pán)區(qū)分別布置一個(gè)回風(fēng)立井。

        趙莊二號(hào)井為高瓦斯礦井,在綜采工作面回采過(guò)程中,容易發(fā)生煤壁片幫,導(dǎo)致瓦斯大量涌出,造成瓦斯超限事故。抽采影響半徑在抽采鉆孔設(shè)計(jì)過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用,通過(guò)測(cè)定抽采有效半徑可以更好地指導(dǎo)抽采鉆孔的設(shè)計(jì),以便科學(xué)合理地確定礦井瓦斯治理方案[1-3]。

        1 概況

        趙莊二號(hào)井3#煤層屬于山西組中下部,與底部K7 砂巖距離為10.29 m,煤層厚度在0.35~6.78 m區(qū)間內(nèi),平均煤層厚度為4.26 m。煤層厚度由東南逐漸向西北變薄,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,含0~1 層夾矸,層位、厚度均比較穩(wěn)定,為穩(wěn)定的大部可采煤層。頂板巖性為泥巖、粉砂巖,底板為泥巖、粉砂巖,且含有大量的植物莖葉化石。

        測(cè)試地點(diǎn)選在趙莊二號(hào)井西盤(pán)區(qū)2311 綜放工作面,所處水平為+471 m 水平。該工作面煤層底板最高標(biāo)高與最低標(biāo)高分別為+514 m、+498 m,走向長(zhǎng)456.7 m(幫-停采線)。該工作面傾斜長(zhǎng)度為166.4 m(幫-幫),煤層傾角為1°~5°,平均為2°,無(wú)突出危險(xiǎn)性,煤層平均厚度為4.5 m。具體瓦斯參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 瓦斯參數(shù)表

        2 煤層瓦斯賦存規(guī)律確定

        根據(jù)趙莊二號(hào)井三維地震探查斷層和采掘工程實(shí)際揭露斷層對(duì)比分析表明,礦井采掘過(guò)程中揭露斷層主要以落差小于5 m 的小型斷層為主,對(duì)礦井生產(chǎn)影響相對(duì)較小。雖存在落差大于5 m 的斷層,但走向展布均在50 m 以?xún)?nèi),對(duì)瓦斯賦存及運(yùn)移影響較小。且井田內(nèi)未見(jiàn)巖漿巖侵入,可視為井田內(nèi)3#煤層為同一瓦斯地質(zhì)單元。

        根據(jù)《礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法》(AQ 1018-2006)中第C.3 條,使用地勘鉆孔解吸法進(jìn)行煤層瓦斯含量測(cè)定時(shí),當(dāng)鉆孔的深度小于500 m 時(shí),應(yīng)按照《地勘時(shí)期煤層瓦斯含量測(cè)定方法》(AQ 1046-2007)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行瓦斯含量測(cè)定;當(dāng)鉆孔的深度為500~1000 m 或者煤的解吸性能非常強(qiáng)時(shí),測(cè)定值必須進(jìn)行校正[4]。趙莊二號(hào)井3#煤層主要區(qū)域埋深小于500 m,雖部分區(qū)域埋深大于500 m,但在井下解析過(guò)程中,3#煤的解吸性能弱,主要為粉碎過(guò)程中產(chǎn)生解析。另外,趙莊二號(hào)井井田面積較小,煤層埋深變化不明顯,經(jīng)對(duì)比篩選后的地勘期間瓦斯含量和井下實(shí)測(cè)瓦斯含量相差不明顯。綜合分析,確定篩選后的地勘期間測(cè)得的瓦斯含量較為可靠,不需再修正。

        大量科研成果證明煤層原始瓦斯含量受煤層埋深控制,符合線性統(tǒng)計(jì)規(guī)律[5-6]。通過(guò)篩選后的地勘期間及井下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量的瓦斯含量,進(jìn)行趨勢(shì)擬合綜合分析,得到參與線性統(tǒng)計(jì)規(guī)律生成的有效數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

        表2 參與線性統(tǒng)計(jì)規(guī)律鉆孔數(shù)據(jù)

        通過(guò)擬合分析,確定出3#煤層瓦斯賦存規(guī)律(圖1),在一定程度上反映了各煤層瓦斯的基本情況,得到瓦斯含量(W)隨著煤層埋深(H)的增加而呈現(xiàn)增加趨勢(shì),兩者之間遵循如下形式的線性統(tǒng)計(jì)規(guī)律:

        圖1 3#煤層瓦斯含量與埋深關(guān)系圖

        式中:W為煤層瓦斯含量,m3/t;H為煤層埋藏深度,m。

        3#煤層瓦斯含量增長(zhǎng)梯度為:3.21 m3/(t·100 m)。

        由3#煤層預(yù)測(cè)可知,確定井田內(nèi)3#煤層預(yù)測(cè)原始瓦斯含量為3.6~7.4 m3/t,其中二盤(pán)區(qū)預(yù)測(cè)原始瓦斯含量為5.6~7.4 m3/t。另外,趙莊二號(hào)井與趙莊礦三、五盤(pán)區(qū)距離較近,趙莊礦三盤(pán)區(qū)3#煤層原始瓦斯含量8.0~13.0 m3/t,五盤(pán)區(qū)3#煤層原始瓦斯含量4.0~7.0 m3/t,而五盤(pán)區(qū)(低瓦斯區(qū)域)距離趙莊二號(hào)井二盤(pán)區(qū)較為接近。根據(jù)趙莊二號(hào)井3#煤層瓦斯含量等值線圖可知,二盤(pán)區(qū)預(yù)測(cè)原始瓦斯含量為5.6~7.4 m3/t。結(jié)合趙莊礦五盤(pán)區(qū)3#煤層原始瓦斯含量4.0~7.0 m3/t 判斷,確定趙莊二號(hào)井3#煤層預(yù)測(cè)的原始瓦斯含量3.6~7.4 m3/t 較為準(zhǔn)確。

        3 鉆孔設(shè)計(jì)及施工參數(shù)

        由于預(yù)抽鉆孔測(cè)壓封孔難度較大,且成功率相對(duì)比較低,因此,預(yù)抽鉆孔的抽采影響半徑使用流量法測(cè)定。采用流量法測(cè)定抽采半徑的原理是[7]:在煤層瓦斯自然排放時(shí),鉆孔內(nèi)瓦斯流量的規(guī)律是隨時(shí)間的增加呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)形式減弱;而當(dāng)考察孔在抽采鉆孔抽采影響半徑的范圍內(nèi)時(shí),考察孔周?chē)耐咚咕蜁?huì)被抽采鉆孔抽走,考察孔的瓦斯流量就會(huì)在此區(qū)間段內(nèi)突然下降,根據(jù)考察孔在瓦斯抽放鉆孔聯(lián)網(wǎng)前后瓦斯流量的變化情況來(lái)確定預(yù)抽瓦斯鉆孔的抽采影響半徑。

        3.1 封孔工藝

        各鉆孔施工結(jié)束后,鉆機(jī)空轉(zhuǎn)3~5 min,將孔內(nèi)的積水和煤屑排出,保證封孔管能夠順利送入鉆孔內(nèi)。每個(gè)鉆孔在施工結(jié)束后,將兩個(gè)囊袋用扎帶固定在封孔管上。根據(jù)封孔長(zhǎng)度要求,提前截取好相應(yīng)長(zhǎng)度的注漿管,把封孔管上固定好的囊袋,使用快速接頭連接在一起。截取一段注漿管,一端固定在第一根(外端口)封孔管上,另一頭固定在第二根(里端口)封孔管上,注漿管長(zhǎng)度略短,保證注漿管里端頭位于里段封孔囊袋向外0.5~1.0 m 位置,將注漿管同時(shí)固定在封孔管上。封孔時(shí),將提前固定好的封孔管和囊袋迅速穿入鉆孔,然后將注漿管固定在封孔管上一起穿入鉆孔,最后將第二根固定有封孔囊袋的封孔管送入鉆孔,并保證外段囊袋距孔口距離為2~3 m,保證封孔長(zhǎng)度不少于15 m??卓谕舛斯潭?~2 袋封孔,對(duì)鉆孔孔口段進(jìn)行初封。注漿管外露長(zhǎng)度0.5 m 左右。鉆孔初封好后,安排專(zhuān)人進(jìn)行注漿。鉆孔注漿使用的是KFQFK-IV 型氣動(dòng)自動(dòng)瓦斯封孔泵,注漿壓力保持在0.8 MPa 以上并穩(wěn)定1~2 min 即可達(dá)到要求。封孔要保證嚴(yán)密,不漏氣[8-9]。

        3.2 測(cè)試步驟

        1)按照鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù),在煤層中依次布置7個(gè)考察孔,分別標(biāo)號(hào)1~7,此外增設(shè)8 號(hào)抽采孔,鉆孔直徑為0.094 m,打鉆設(shè)計(jì)孔深為50 m。

        2)1 號(hào)~7 號(hào)考察孔施工完畢后,清除鉆孔內(nèi)煤屑和積水,并退出全部鉆桿。

        3)施工完每個(gè)鉆孔后馬上按照“兩堵一注”的封孔工藝進(jìn)行封孔,封孔深度不少于15 m。

        4)待1 號(hào)~7 號(hào)考察孔施工完畢后,鉆取8 號(hào)抽采孔。抽采孔的封孔工藝嚴(yán)格執(zhí)行“兩堵一注”,進(jìn)行接抽,抽采孔設(shè)計(jì)負(fù)壓抽采(抽采負(fù)壓不小于20 kPa)。

        5)每天測(cè)定1 號(hào)~7 號(hào)鉆孔單孔瓦斯流量(L/min),記錄1~7 號(hào)考察孔的瓦斯流量,并繪制出隨時(shí)間的變化曲線。

        6)根據(jù)上述瓦斯流量隨時(shí)間的變化曲線進(jìn)行分析,在某段抽采時(shí)間內(nèi),當(dāng)1 號(hào)~7 號(hào)某個(gè)考察孔流量突然減小,進(jìn)而偏離抽采鉆孔瓦斯流量自然衰減曲線,即可確定該孔正處于抽采孔的影響半徑內(nèi),同時(shí)處于該條件下、距抽采孔距離最遠(yuǎn)的考察孔,該孔與抽采孔的距離就是該預(yù)抽時(shí)間下抽采孔的影響半徑。

        3.3 鉆孔施工參數(shù)

        煤層賦存比較穩(wěn)定,頂、底板條件較好,無(wú)裂隙發(fā)育的未采區(qū)域選作布孔地點(diǎn)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)考察,在趙莊二號(hào)井2311 軌道回風(fēng)槽距工作面100 m 處,煤層賦存穩(wěn)定,可以滿足瓦斯抽采影響半徑的地質(zhì)條件。在2311 軌道回風(fēng)槽距工作面100 m 處共布置有8 個(gè)孔,其中7 個(gè)考察孔和1 個(gè)抽采孔,具體標(biāo)號(hào)是1 號(hào)~7 號(hào)鉆孔為設(shè)計(jì)中的考察孔,8 號(hào)鉆孔為設(shè)計(jì)中的抽采孔??疾炜缀统椴煽拙唧w的布置位置及各個(gè)孔的間距如圖2。8 個(gè)鉆孔垂直煤壁進(jìn)行打鉆??疾旒俺椴煽追饪追绞郊跋嚓P(guān)具體要求同3.2,具體參數(shù)見(jiàn)表3。

        圖2 預(yù)抽鉆孔抽采半徑測(cè)定鉆孔布置圖(m)

        表3 考察孔和抽采孔實(shí)際布置參數(shù)

        4 測(cè)試結(jié)果及分析

        對(duì)各考察孔的瓦斯流量測(cè)定結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,各考察孔在8 號(hào)孔開(kāi)始抽采后的瓦斯流量變化曲線如圖3。

        圖3 各考察孔瓦斯抽采流量變化曲線圖

        由圖3 可以看出:

        1)1 號(hào)和2 號(hào)考察鉆孔在測(cè)定過(guò)程中,瓦斯抽采流量雖然有起伏,但是考察期內(nèi)沒(méi)有大幅度的下降變化,無(wú)明顯的衰減擬合曲線偏離,總體上符合正常衰減的趨勢(shì)情況;3 號(hào)考察孔在測(cè)定過(guò)程中,瓦斯流量在抽采后第34 天發(fā)生了大幅下降,之后逐漸衰減至0;4 號(hào)考察孔瓦斯流量在抽采后第10天發(fā)生了大幅度的下降,之后逐漸衰減至0;5 號(hào)考察孔瓦斯流量在抽采后第7 天發(fā)生了大幅度的下降,之后逐漸衰減至0;6 號(hào)考察孔瓦斯流量在抽采后第17 天發(fā)生了大幅度的下降,之后逐漸衰減至0;7 號(hào)考察孔瓦斯流量在抽采后第56 天發(fā)生了大幅度的下降,之后逐漸衰減至0。

        2)從圖3 還可發(fā)現(xiàn),除1 號(hào)和2 號(hào)考察孔外,其他考察孔瓦斯流量發(fā)生大幅下降后,其流量測(cè)值均偏離了原有鉆孔自然排放擬合曲線。

        通過(guò)分析可知,趙莊二號(hào)井3 號(hào)煤層在Φ94 mm 順層抽采鉆孔、抽采負(fù)壓為36 kPa 條件下,抽采7 d 時(shí)其抽采影響半徑為1.0 m,抽采10 d 時(shí)其抽采影響半徑為1.5 m,抽采17 d 時(shí)其抽采影響半徑為2.0 m,抽采34 d 時(shí)其抽采影響半徑為2.5 m,抽采56 d 時(shí)其抽采影響半徑為3.5 m。抽采鉆孔影響半徑與抽采時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)表4。隨著抽采時(shí)間的延長(zhǎng),抽采影響半徑將會(huì)增加。

        表4 抽采鉆孔影響半徑與抽采時(shí)間的關(guān)系

        現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的抽采孔抽采影響半徑和抽采時(shí)間的一一對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)如表4 所示。對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,擬合抽采鉆孔抽采影響半徑r與抽采時(shí)間t數(shù)據(jù),得出二者關(guān)系如圖4,其相關(guān)系數(shù)R2=0.989 9。

        圖4 抽采影響半徑與時(shí)間的擬合曲線圖

        式中:r為抽采影響半徑,m;t為抽采時(shí)間,d。

        根據(jù)上述預(yù)抽鉆孔的影響半徑和時(shí)間之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,能夠計(jì)算出不同預(yù)抽時(shí)間下抽采孔的抽采影響半徑,具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。其中可以看出,在抽采90 d 后,抽采影響半徑增加趨勢(shì)逐漸減弱,抽采影響半徑變化趨于穩(wěn)定。按照預(yù)抽時(shí)間不少于90 d,抽采影響半徑3.45 m左右,考慮工程施工便利,確定趙莊二號(hào)井本煤層預(yù)抽鉆孔抽采影響半徑3.00 m,可做為鉆孔布置設(shè)計(jì)依據(jù)。

        表5 順層預(yù)抽鉆孔抽采影響半徑計(jì)算表

        5 結(jié)論

        1)順層鉆孔的抽采半徑測(cè)定方法有很多,本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況布置考察孔與抽采孔,采用流量法對(duì)趙莊二號(hào)井預(yù)抽瓦斯的瓦斯抽采影響半徑進(jìn)行測(cè)試,并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究,得出了瓦斯抽采時(shí)預(yù)抽時(shí)間不少于90 d,確定了趙莊二號(hào)井本煤層預(yù)抽鉆孔的抽采影響半徑為3.00 m,為礦井瓦斯治理及抽采鉆孔設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

        2)本文現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)地點(diǎn)為趙莊二號(hào)井2311 軌道回風(fēng)順槽距離工作面100 m 處,建議當(dāng)在煤層或瓦斯賦存條件有較大變化時(shí)、地質(zhì)構(gòu)造較大時(shí),及時(shí)測(cè)定瓦斯抽采半徑、煤層的原始瓦斯含量、煤的堅(jiān)固性與透氣性系數(shù)等相關(guān)參數(shù),以此來(lái)保障礦井的安全生產(chǎn)。

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