麦地掌煤矿2#煤层顺层瓦斯抽采钻孔合理封孔深度确定

陈 明，温玉珠，周长山

(太原梗阳实业集团公司, 山西 太原 030021)

目前，我国煤矿井下瓦斯治理的重要手段为煤层瓦斯抽采，其中顺层钻孔抽采是瓦斯抽采的主要措施，而封孔质量是影响顺层瓦斯抽采效果的重要环节[1]. 封孔质量既取决于封孔工艺又取决于封孔深度，在现有无机膨胀水泥“两堵一注”封孔工艺条件下，对合理封孔深度的研究就非常有必要。合理的封孔深度既要保证技术上的可行，又要兼顾经济上的节约[2]. 本文以麦地掌煤矿2#煤层为背景，在相同封孔工艺参数条件下，通过对不同封孔深度钻孔瓦斯抽采浓度对比分析，确定2#煤层本煤层瓦斯抽采合理封孔深度。

1 麦地掌煤矿2#煤层及瓦斯概况

麦地掌煤矿位于山西省清徐县马峪乡陈家坪村、麦地掌村及古交市邢家社乡陈家社村一带，为吕梁山脉中段东翼西山含煤盆地东南角，现采2#煤层。2#煤位于山西组中部，上距K4砂岩25.87～37.65 m，平均30.00 m，上距02#可采煤层11.50～25.10 m，平均18.75 m；下距6#可采煤层30.89～52.50 m，平均42.72 m. 煤层厚1.55～3.25 m，平均2.42 m，煤层厚度最小为井田东南部9号孔1.55 m，最厚点为井田中部3号孔3.25 m. 结构简单，一般不含夹矸，局部含1层夹矸，属全井田稳定的可采煤层。顶板岩性为砂质泥岩、泥岩、粉砂岩，局部为细粒砂岩；底板岩性为细粒砂岩、砂质泥岩。

根据2018 年7月沈阳煤科院测定，井田2#煤层瓦斯含量 7.01～9.12 m3/t，瓦斯压力为0.37～0.47 MPa，煤的坚固性系数为0.65～0.80，瓦斯放散初速度为4.8～6.3，孔隙率为4.54%～4.57%，吸附常数a值为28.102～29.153 m3/t·r，b值为0.490～0.582 MPa-1，属可以抽采煤层。

2 封孔工艺参数及封孔效果考察

1) 封孔工艺参数。

采用囊袋式两堵一注封孔器进行本煤层瓦斯抽采钻孔封孔，封孔器囊袋为耐压不少于2.0 MPa 高密度囊袋、爆破阀爆破压力为1.5 MPa. 封孔过程中水泥注浆液先注入两侧囊袋，再向两囊袋中间区域注浆。具体过程：注浆泵的注浆动力将水泥浆注入注浆管，水泥浆液通过出浆口进入封孔器的套管中，套管中的泥浆积聚后打开两侧囊袋单向阀，向两侧囊袋注浆，当水泥浆液压强达到 1.5 MPa 时，爆破阀爆破，开始向两囊袋中间区域注浆，达到 1.0 MPa 时，停止注浆，拔出注浆管，封孔完成。

2) 封孔试验地点。

试验地点选择在麦地掌煤矿21213工作面，该工作面采用走向长壁方式布置，工作面走向长度1 650 mm，切眼长234.7 m，采取一次采全高综采方法开采。21213工作面四周均为未掘工作面，根据钻孔、三维地震勘探资料及井巷资料分析，21213工作面 2#煤层总体为一东西高中间低的向斜形态，煤层有波状起伏，煤岩层倾角3°～13°，平均8°,煤层平均厚度2.6 m. 为了减少因瓦斯赋存对封孔数据分析的影响，封孔试验地点选取在21213回风顺槽400～1 000 m，区段煤层赋存稳定、地质构造简单，可以作为一个瓦斯地质单元。

3) 钻孔布置及封孔情况分析。

本煤层合理封孔深度与本煤层回采巷道周围应力分布有关，回采巷道开挖成型后，巷道周围煤岩体应力场重新分布，导致巷道周围煤岩体出现变形，此时应对巷道两帮及顶板进行支护。支护后地应力与支护力相互作用，巷道围岩应力再次重新分布，经过一段时间变形后，巷道周围煤岩体将再次稳定，此时将巷道两帮围岩应力变化分为3个区：塑性区(应力降低区)、应力升高区、原始应力区。一般来说，应力降低区煤体裂隙较多，是主要的封孔漏气带[3]. 因此，应避免将钻孔封孔段位于应力降低区内。巷道塑性区封孔漏气示意图见图1.

图1 巷道塑性区封孔漏气示意图

钻孔间距为5 m，钻孔设计深度为110 m，钻头d94 mm. 井下囊袋式试验钻孔112个，由于封孔时的封孔深度、封孔情况及钻孔施工深度不同，为了便于比较，取封孔情况完好，即囊袋式封孔两次均达到饱压的钻孔,并将其分为：13 m、14 m、15 m、16 m、18 m封孔深度等5 种类型，封孔情况统计见表1. 根据表1可知，封孔深度较浅完好率高于封孔深度较深，封孔深度15 m、16 m封孔完好率差不多，封孔深度18 m与16 m的封孔完好率差别达到8%.

4) 钻孔浓度数据分析。

规定“打一个、封一个、联一个”的举措，保证了钻孔的及时联抽，每天测试一次钻孔单孔浓度，由于数据较多，对相同封孔深度封孔部分完好钻孔进行分析。不同封孔深度浓度曲线图见图2—6.

表1 试验钻孔封孔情况统计表

图2 封孔13 m抽采浓度变化图

图3 封孔14 m抽采浓度变化图

图4 封孔15 m抽采浓度变化图

由图2可知，封孔深度13 m初期(前3天)抽采浓度比较高为60%左右，10天左右浓度衰减到30%以下，衰减很快，45天以后浓度衰减到20%并趋于稳定。由图3可知，封孔深度14 m初期(前3天)抽采浓度比较高为60%左右，20天左右浓度衰减到30%以下，衰减很快，45天以后浓度衰减到25%并趋于稳定。由图4可知，封孔深度15 m初期(前2天)抽采浓度比较高为60%左右，6天左右浓度衰减到40%以下，衰减很快，45天以后浓度衰减到30%并趋于稳定。由图5可知，封孔深度16 m初期(前7天)抽采浓度比较高为70%左右，16天左右浓度衰减到60%左右，衰减较慢，46天以后才出现浓度低于40%，后期并稳定在40%左右。由图6可知，封孔深度15 m初期(前11天)抽采浓度比较高为70%左右，26天左右浓度衰减到60%左右，衰减较慢，41天以后才出现浓度接近40%，后期并稳定在40%左右。

图5 封孔16 m抽采浓度变化图

图6 封孔18 m抽采浓度变化图

对所有封孔完好钻孔进行分析，由于数据较多，只对相同封孔深度钻孔按照抽采时间进行浓度数据平均，见图7.

图7 不同封孔深度浓度变化图

由图7可知，随着时间的推移，各封孔深度的钻孔平均浓度都是逐渐降低的，但是封孔深度较浅的13 m、14 m、15 m钻孔比封孔较深的16 m、18 m钻孔浓度衰减快，尤其封孔深度15 m与封孔深度16 m浓度衰减速度差别非常明显；且从记录开始封孔较浅的钻孔平均浓度就比封孔较深的钻孔平均浓度低。13 m、14 m、15 m封孔深度的钻孔，抽采初期前6天瓦斯浓度较开始降低近30%，之后钻孔浓度衰减速度减慢，并逐步趋于稳定，前期钻孔浓度衰减受巷道漏气影响较大，后期达到抽采平衡稳定后巷道漏气圈对其浓度衰减影响较小。16 m、18 m封孔深度钻孔抽采浓度下降较慢，此封孔深度钻孔居于巷道漏气圈外，对其影响较小。虽然初期封孔深度18 m比封孔深度16 m抽采浓度稍高，但在抽采45天以后浓度基本相同。在试验期间由于封孔18 m深度加深，存在因囊袋下设不到位引起钻孔浓度较低的钻孔数比封孔16 m的多，同时18 m封孔操作及成本也比封孔16 m高的多。16 m封孔深度平均钻孔浓度较高，两个月后平均浓度依然在40%左右，且此类钻孔分析数据较多，具有稳定性、可比性。

3 结 论

1) 封孔深度13 m、14 m、15 m与封孔深度16 m、18 m瓦斯抽采浓度衰减速度差别明显，在保证封孔质量完好的情况下，封孔深度较深的钻孔抽采效果明显高于封孔深度较浅的钻孔，且钻孔浓度衰减速度差别明显，尤其是封孔深度在煤层松动圈附近更加明显。

2) 根据16 m、18 m封孔深度钻孔封孔完好率、抽采浓度对比，虽然初期封孔深度18 m比封孔深度16 m抽采浓度稍高，但在抽采45天以后浓度基本相同。同时由于封孔较深操作难度增加，封孔深度18 m封孔完好率在80%以下，与封孔深度16 m差别达到8%.

3) 综合封孔完好率、封孔效果、钻孔衰减速度及稳定长时间抽采等，在既要保证技术上的可行，又要兼顾经济上节约，麦地掌煤矿2#煤层顺层钻孔合理封孔深度为16 m.