胡金濤，吉丹妮

(1.安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽淮南 232001;2.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京東燕郊 101601)

0 引言

目前，我國(guó)瓦斯抽采存在抽采率較低等問(wèn)題［1］，而確定煤層瓦斯合理抽采半徑是實(shí)現(xiàn)礦井抽采達(dá)標(biāo)最重要的技術(shù)工作之一。合理的抽采半徑或抽采鉆孔間距，是通過(guò)在一定條件下充分利用允許的預(yù)抽時(shí)間，減少鉆孔工程量，提高抽采效率的優(yōu)化參數(shù)［2］。但在實(shí)際應(yīng)用中，瓦斯抽采半徑的確定還沒(méi)有形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，并帶有一定的主觀經(jīng)驗(yàn)性［3］。鉆孔間距過(guò)大，會(huì)出現(xiàn)抽采盲區(qū)，達(dá)不到瓦斯抽采的效果;鉆孔間距過(guò)小，則會(huì)出現(xiàn)串孔現(xiàn)象，并且增加瓦斯抽采的成本。因此，確定合理的抽采半徑至關(guān)重要。目前常用的鉆孔有效抽采半徑測(cè)定方法是煤層瓦斯壓力降低法［4－7］，本文采用的是運(yùn)用 SF6作為示蹤氣體確定抽采半徑的一種新型方法。

1 礦井概況

顧北煤礦位于安徽省淮南煤田潘謝礦區(qū)顧橋井田的西部，總體形態(tài)為一走向近南北～北東東、傾向東～南南東、傾角多為5°～15°的單斜構(gòu)造。其中中部由 F92、F93、F94、Fl00和 F104等斷層圍成的三角形塊段構(gòu)造較復(fù)雜，北側(cè)塊段構(gòu)造簡(jiǎn)單，南側(cè)塊段構(gòu)造較簡(jiǎn)單。

井田內(nèi)二疊系含煤層段厚約734m，有7層可采煤層，平均總厚22.39m。其中13 －l、11 －2、8、6－2和1煤為主要可采煤層，平均總厚20.33 m;7－2和4－l煤為局部可采煤層，平均總厚2.06 m。該礦井采用立井、主要石門和分組集中大巷開(kāi)拓方式。通風(fēng)系統(tǒng)為中央并列式，抽出式通風(fēng)。該井田主要可采煤層的煤塵均具有強(qiáng)爆炸性。煤塵爆炸指數(shù)一般為35.31% ～41.85%，平均36.41%～40.87%。

礦井瓦斯涌出量預(yù)計(jì)為31.73～55.79 m3/min，為煤與瓦斯突出礦井。大部分可采煤層為極易自燃煤層，發(fā)火期一般為3～6個(gè)月。

2 測(cè)試方法

2.1 示蹤氣體的性質(zhì)

示蹤氣體現(xiàn)已成為煤礦井下檢測(cè)漏風(fēng)通道、判斷漏風(fēng)方向、確定漏風(fēng)風(fēng)量的可靠手段。示蹤氣體SF6是一種靈敏性極強(qiáng)的氣體，其最小檢測(cè)濃度甚至可以達(dá)到10－10，而且純凈的SF6是無(wú)色無(wú)嗅無(wú)毒的氣體;雖然煤層中存在著很多種氣體，但SF6氣體是煤層中絕對(duì)不含有的。根據(jù)以上因素，因此此氣體適合用來(lái)測(cè)量煤層瓦斯抽采半徑。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

選擇4號(hào)煤層作為實(shí)驗(yàn)煤層，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選定北一回風(fēng)上山底抽巷38#鉆場(chǎng)。首先在所測(cè)定區(qū)域打好抽排孔，見(jiàn)圖1，并且保留一個(gè)抽排孔不進(jìn)行封閉，該孔用來(lái)釋放SF6氣體。在釋放SF6氣體時(shí)，要事先準(zhǔn)備一定量的黃泥將孔口直接封住(防止SF6氣體從孔內(nèi)溢出)。當(dāng)瞬間釋放10 mL SF6氣體之后，大約20～30分鐘就可以通過(guò)地面抽排系統(tǒng)進(jìn)行抽氣。由于抽排孔能抽出游離的瓦斯，而SF6具有優(yōu)越的靈敏性，將會(huì)同游離瓦斯一起被抽出。此時(shí)就可以利用事先準(zhǔn)備好的取樣器、真空袋等一系列的設(shè)備進(jìn)行取樣然后到實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用氣相色譜儀進(jìn)行化驗(yàn)分析。

北一回風(fēng)上山底抽巷38#鉆場(chǎng)5個(gè)測(cè)量鉆孔測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖1 抽排孔、測(cè)量孔布置示意圖

通過(guò)測(cè)定結(jié)果可以看到，5個(gè)抽采孔里面都存SF6氣體，但這并不能說(shuō)明只要是存在SF6的地方與釋放孔之間的距離就是抽采半徑，因?yàn)镾F6氣體是靈敏性極強(qiáng)的一種氣體，其靈敏性可達(dá)10－10，并且SF6氣體達(dá)到一個(gè)抽采孔后將會(huì)影響到相臨的抽采孔，同時(shí)當(dāng)釋放SF6氣體時(shí)，會(huì)使周圍的空氣中也存在該氣體(113 ppb)。由于當(dāng)SF6的濃度小于100 ppb時(shí)，則可以忽略不計(jì)。因此通過(guò)觀測(cè)并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算與分析可知，由此可以判斷出4煤層的瓦斯抽采半徑D為2 m。

為了進(jìn)一步掌握抽采半徑隨抽采時(shí)間的關(guān)系，尤其要了解抽采7天和一個(gè)月后的抽采半徑，將6#和7#鉆孔連上抽采系統(tǒng)，并每天每個(gè)抽樣孔取一次樣進(jìn)行測(cè)定，共測(cè)試37天，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3所示。

從圖3知，4煤抽采7天后抽采半徑為3m，抽采一個(gè)月為4m，抽采半徑隨抽采時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖2 北一回風(fēng)上山底抽巷38#鉆場(chǎng)1#～5#孔SF6濃度變化曲線圖

圖3 抽采鉆孔濃度隨抽采時(shí)間的關(guān)系

圖4 4煤抽采半徑隨抽采時(shí)間的關(guān)系

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)后，通過(guò)對(duì)比礦方提供的原始資料，按照傳統(tǒng)的煤層瓦斯壓力測(cè)定法(即壓降法)測(cè)得的抽采有效影響半徑范圍在2.0～2.5 m之間，與示蹤氣體法測(cè)得的抽采半徑相比，誤差在20%以下，符合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試要求。

3 與傳統(tǒng)壓降法比較優(yōu)點(diǎn)

1)傳統(tǒng)的壓降法需要測(cè)定煤層巷道的瓦斯壓力，而在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中，瓦斯壓力的測(cè)試難度較大，由于在測(cè)試過(guò)程中需要準(zhǔn)確觀測(cè)壓力變化，開(kāi)采煤層的動(dòng)態(tài)變化致使測(cè)壓孔漏氣或因水壓等因素導(dǎo)致測(cè)定效果不理想，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)定有效抽采半徑［8］。示蹤氣體法只需要測(cè)試抽采氣體的成分，測(cè)試更容易，結(jié)果更準(zhǔn)確。

2)隨著埋藏深度的增加，煤層的瓦斯壓力也逐漸升高，因此基于瓦斯壓力參數(shù)的抽采半徑也會(huì)隨之縮短，而示蹤氣體法是基于氣體的成分，它受埋藏深度等因素的影響相對(duì)較小。

3)壓降法周期長(zhǎng)，成本高［9］，測(cè)量存在誤差的可能性大，因此，示蹤氣體法在實(shí)際操作中優(yōu)勢(shì)更明顯。

4 結(jié)論

1)主要利用示蹤氣體法測(cè)定瓦斯抽采半徑，并運(yùn)用傳統(tǒng)的壓降法輔助測(cè)量，最終得到顧北煤礦4煤層瓦斯一個(gè)月抽采半徑為4 m。

2)將示蹤氣體法與傳統(tǒng)的壓降法進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)比較，得到該方法有準(zhǔn)確性高、成本低、周期短、更容易操作等優(yōu)點(diǎn)。

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