艾燦標(biāo)，李社勛，荊 剛

(義煤集團 永興工程有限責(zé)任公司，河南 義馬 472300)

新春煤礦突出煤層合理預(yù)抽期研究

艾燦標(biāo)，李社勛，荊 剛

(義煤集團 永興工程有限責(zé)任公司，河南 義馬 472300)

煤礦瓦斯災(zāi)害治理是全世界共同面臨的難題，我國把瓦斯抽放，即 “先抽后采”作為預(yù)防措施，有效地降低了瓦斯事故，但抽放周期過長，影響了礦井的正常生產(chǎn)。通過對新春煤礦M3煤層試驗區(qū)鉆孔瓦斯抽出量研究，得出了鉆孔控制區(qū)域內(nèi)瓦斯累計抽出量與預(yù)抽時間的擬合關(guān)系，計算出M3煤層瓦斯合理預(yù)抽期。

突出煤層；瓦斯抽采；抽出量；預(yù)抽期

Study of Reasonable Pre-drainage Period of Outburst Coal Seam in Xinchun Coal Mine

礦井瓦斯是煤礦五大災(zāi)害之一，瓦斯災(zāi)害已經(jīng)成為威脅礦井安全生產(chǎn)、制約礦井正常發(fā)展的重要因素，嚴(yán)重地威脅煤礦安全生產(chǎn)。為了保證煤礦生產(chǎn)安全，要求所有的瓦斯礦井，在生產(chǎn)前都要進行瓦斯預(yù)抽，并保證抽放效果達到要求。研究表明，瓦斯抽放鉆孔每天預(yù)抽的瓦斯量隨著抽放時間呈衰減趨勢，這說明瓦斯預(yù)抽時間不會無限制地延長，應(yīng)該存在一個合理的預(yù)抽期，其是受多種因素影響的變量。

本文根據(jù)貴州省納雍縣新春煤礦地質(zhì)和瓦斯賦存情況，以M3突出煤層瓦斯抽采鉆孔合理抽出量為研究對象，通過煤層瓦斯鉆孔抽出量理論分析，測試并將單孔實際抽出量與計算抽出量進行對比，對數(shù)據(jù)相差較大的鉆孔進行分析，基于對試驗區(qū)累計瓦斯抽出量統(tǒng)計分析，得出瓦斯抽出量與抽采時間的擬合關(guān)系，推算出新春煤礦M3突出煤層合理預(yù)抽期。

1 試驗礦井煤層與瓦斯賦存概況

貴州省納雍縣新春煤礦為新建礦井，生產(chǎn)規(guī)模300kt/a，礦區(qū)面積為3.5487km2，采用平硐開拓方式。該礦可采煤層由上至下為M3，M4，M16，M31，M34煤層，煤層傾角平均18°，可采煤層總厚度7.69m。

根據(jù)實測的新春煤礦 M3煤層、M4煤層瓦斯含量在7.46～10.95m3/t之間，平均值為8.62m3/t。實測煤層瓦斯壓力在0.75～1.52MPa之間，平均值為1.02MPa。

由此可以判定貴州省納雍縣新春煤礦 M3煤層、M4煤層均具有突出危險性，新春煤礦為突出礦井，煤層為突出煤層。

2 瓦斯抽出量現(xiàn)場試驗

2.1 穿層鉆孔控制區(qū)域合理瓦斯抽出量試驗

本項目試驗選擇在新春煤礦1302運輸巷底板抽排巷進行，穿層鉆孔控制區(qū)域合理瓦斯抽出量研究試驗區(qū)域為1302運輸巷掘進巷下部底板抽采巷右?guī)豌@場，試驗區(qū)域內(nèi)共布置21個鉆孔，鉆孔間距為5m，控制走向長15m、寬35m的條帶。在試驗區(qū)域優(yōu)先施工3個鉆孔，取樣并進行了原始瓦斯含量測定，平均值為8.01m3/t，隨后又施工其余的18個鉆孔。鉆孔沖孔結(jié)束后，采用聚氨酯封孔技術(shù)進行封孔聯(lián)管抽采，然后每天對各試驗鉆孔瓦斯抽采參數(shù)進行測定。

2.1.1 試驗區(qū)實際瓦斯抽出量計算

(1)試驗區(qū)瓦斯抽出量統(tǒng)計

經(jīng)30d抽采后1～21號鉆孔累計瓦斯抽出量為1259.08m3，經(jīng)60d抽采后累計瓦斯抽出量為1994.87m3，經(jīng)90d抽采后累計瓦斯抽出量為2926.82m3。

(2)試驗區(qū)瓦斯儲量計算

試驗區(qū)煤的密度為1.60t/m3，煤厚2.86m，則試驗區(qū)域原煤儲量為

35×15×2.86×1.60=2402.4(t)

試驗區(qū)域瓦斯儲量為

2402.4×8.01=19243.22(m3)

(3)鉆孔控制區(qū)域殘余瓦斯含量計算

累計抽采30d時鉆孔控制區(qū)域殘余瓦斯含量為

(19243.22-1259.08)/2402.4=7.48(m3/t)

瓦斯抽出率為

(1259.08/19243.22)×100% = 6.6%

累計抽采60d時鉆孔控制區(qū)域殘余瓦斯含量為

(19243.22-1994.87)/2402.4=7.17(m3/t)

瓦斯抽出率為

(1994.87/19243.22)×100% = 10.4%

累計抽采90d時鉆孔控制區(qū)域殘余瓦斯含量為

(19243.22-2926.82)/2402.4=6.79(m3/t)

瓦斯抽出率為

(2926.82/19243.22)×100% = 15.2%

2.1.2 試驗區(qū)殘余瓦斯含量測定

(1)抽采30d后試驗區(qū)殘余瓦斯含量測定：

測試結(jié)果平均值為7.44m3/t。

(2)抽采60d后試驗區(qū)殘余瓦斯含量測定：

測試結(jié)果平均值為7.12m3/t。

(3)抽采90d后試驗區(qū)殘余瓦斯含量測定：

測試結(jié)果平均值為6.75m3/t。

2.1.3 試驗區(qū)應(yīng)抽出瓦斯量計算

由試驗區(qū)實測原始瓦斯含量及實測殘余瓦斯含量，可得試驗區(qū)分別抽采30，60，90d時的應(yīng)抽出瓦斯總量。

(1)抽采30d時應(yīng)抽出瓦斯量為(8.01-7.44)× 2404.2 =1369.37(m3)

則試驗區(qū)各試驗鉆孔累計應(yīng)抽出瓦斯量為1369.37/21=65.21(m3)

(2)抽采60d時應(yīng)抽出瓦斯量為(8.01-7.12 )× 24024.2 = 2138.14(m3)

則試驗區(qū)各試驗鉆孔累計應(yīng)抽出瓦斯量為2138.14/21=101.82(m3)

(3)抽采90d時應(yīng)抽出瓦斯量為(8.01-6.75)× 2404.2 = 3027.02(m3)

則試驗區(qū)各試驗鉆孔累計應(yīng)抽出瓦斯量為3027.02/21=144.14(m3)

2.1.4 單孔應(yīng)抽出瓦斯量及實際抽出量對比分析

由于試驗區(qū)內(nèi)瓦斯賦存的不均衡性及透氣性的差異，各鉆孔實際累計瓦斯抽出量與應(yīng)抽出量存在一定的差異，封孔抽采30d時，平均應(yīng)抽出瓦斯量為65.21m3，除19號抽采鉆孔外(累計抽出量255.15m3)，其余鉆孔實際抽出量值均在應(yīng)抽出量值附近波動；經(jīng)90d抽采后，有11個孔(比例52.38%)的抽采鉆孔實際累計抽出量值與應(yīng)抽出量值基本相同。

2.1.5 累計瓦斯抽出量與抽采時間擬合方程及合理預(yù)抽期計算

(1)試驗區(qū)累計瓦斯抽出量與抽采時間擬合方程

將試驗區(qū)1～21號鉆孔日累計瓦斯抽出量進行統(tǒng)計，可得試驗區(qū)累計瓦斯抽出量與抽采時間的擬合方程，圖1為擬合曲線。

y=28.911x+369.74，R2=0.993

其中，y為試驗區(qū)累計瓦斯抽出量，m3;x為試驗區(qū)累計抽采時間，d。

圖1 穿層鉆孔試驗區(qū)累計瓦斯抽出量與抽采時間擬合方程

(2)擬合方程累計瓦斯抽出量計算值與實測值對比分析

由擬合方程可得抽采30，60，90d時試驗區(qū)累計瓦斯抽出量計算值，見表1所示。

表1 穿層鉆孔試驗區(qū)累計瓦斯抽出量

由表1可知，擬合方程計算值與實測值誤差率為1.5%～5.5%，且隨著抽采時間的延長誤差率保持在10%以內(nèi)，計算值與實測值相比有較高的精確度。

(3)試驗區(qū)殘余瓦斯含量對比分析

由擬合方程可得試驗區(qū)在不同預(yù)抽時間內(nèi)的殘余瓦斯含量值，殘余瓦斯含量經(jīng)擬合方程計算值、經(jīng)實測抽出量計算值、現(xiàn)場實測值及誤差見表2。

表2 穿層鉆孔試驗區(qū)殘余瓦斯含量值對比分析

經(jīng)擬合方程計算的試驗區(qū)殘余瓦斯含量與實測值相比誤差率保持在5%以內(nèi)，計算值與實測值相比精確度較高，可對試驗區(qū)殘余瓦斯含量進行預(yù)測。

(4)試驗區(qū)合理預(yù)抽期計算

由試驗區(qū)累計瓦斯抽出量擬合方程可計算試驗區(qū)殘余瓦斯含量降至6m3/t時需預(yù)抽時間，如表3所示。

表3 穿層鉆孔試驗區(qū)合理預(yù)抽期計算

由圖1可知，在預(yù)抽的90d內(nèi)，試驗區(qū)累計瓦斯抽出量近似線性增加趨勢，經(jīng)計算，抽采71d時可由8.01m3/t降至7m3/t，抽采154d時試驗區(qū)瓦斯含量即可由8.01m3/t降至6m3/t。

2.2 順層鉆孔控制區(qū)域合理瓦斯抽出量試驗

順層鉆孔選擇在新春煤礦1301采煤工作面進行，從運輸巷往回風(fēng)巷方向布置16個鉆孔，鉆孔間距2.5m，鉆孔長度70m，控制60m×37.5m的試驗區(qū)域。在試驗區(qū)域先施工3個鉆孔，取樣進行了原始瓦斯含量測定，平均值為8.04m3/t；隨后又施工了其余的12個鉆孔，并全部用聚氨酯進行了封孔抽采。

2.2.1 累計瓦斯抽出量與抽采時間擬合方程

試驗中，通過對試驗區(qū)實際瓦斯抽出量計算、試驗區(qū)殘余瓦斯含量測定、應(yīng)抽出瓦斯量計算、單孔應(yīng)抽出瓦斯量與實際抽出量對比分析等步驟(與穿層鉆孔實驗步驟相同)，得出累計瓦斯抽出量與抽采時間擬合方程，圖2為擬合曲線。

y=5518.7ln(x)-7321.5，R2=0.9442

式中，y為試驗區(qū)累計瓦斯抽出量，m3；x為試驗區(qū)累計抽采時間，d。

圖2 順層鉆孔試驗區(qū)累計瓦斯抽出量與抽采時間擬合方程

2.2.2 累計瓦斯抽出量計算值與實測值對比分析

由擬合方程可得抽采30，60，90d時試驗區(qū)累計瓦斯抽出量計算值，見表4所示。

表4 試驗區(qū)累計瓦斯抽出量計算值與實測值對比分析

由表4可知，擬合方程計算值與實測值誤差率為0.6%～9.8%，且隨著抽采時間的延長誤差率保持在10%以內(nèi)，計算值與實測值相比有較高的精確度。

2.2.3 試驗區(qū)殘余瓦斯含量對比分析

由擬合方程可得試驗區(qū)在不同預(yù)抽時間內(nèi)的殘余瓦斯含量值，殘余瓦斯含量經(jīng)擬合方程計算值、經(jīng)實測抽出量計算值、現(xiàn)場實測值及誤差見表5。

表5 試驗區(qū)殘余瓦斯含量值對比分析

由表5可知，經(jīng)擬合方程計算的試驗區(qū)殘余瓦斯含量與實測值相比誤差率保持在5%以內(nèi)，計算值與實測值相比精確度較高，可對試驗區(qū)殘余瓦斯含量進行預(yù)測，并對抽采達標(biāo)時預(yù)抽期進行計算。

2.2.4 試驗區(qū)合理預(yù)抽期計算

由試驗區(qū)累計瓦斯抽出量擬合方程可計算試驗區(qū)殘余瓦斯含量降至7，6m3/t時需預(yù)抽時間，如表6所示。

表6 區(qū)殘余瓦斯含量值對比分析

由圖2可知，鉆孔封孔抽采前30d內(nèi)，由于瓦斯賦存量高，瓦斯補給來源充足，且前期鉆孔封孔效果好，試驗區(qū)每天瓦斯抽出量較大，累計瓦斯抽出量近似線性關(guān)系，因此，抽采27d時試驗區(qū)瓦斯含量即可由8.04m3/t降至7m3/t；抽采30d后，隨著抽采的延續(xù)，試驗區(qū)大量瓦斯被抽出，煤體及鉆孔開始變形，鉆孔周邊開始出現(xiàn)裂隙，抽采濃度降低，且瓦斯補給來源被削弱，每天瓦斯抽出量逐漸減小，累計瓦斯抽出量緩慢增加，此時，累計瓦斯抽出量與預(yù)抽時間符合對數(shù)關(guān)系，經(jīng)計算，需抽采169d試驗區(qū)瓦斯含量才能由8.04m3/t降至6m3/t。

3 結(jié) 論

(1)通過對試驗區(qū)實測抽出瓦斯量進行分析，得出了穿層鉆孔試驗區(qū)域累計瓦斯抽出量與預(yù)抽時間的擬合方程(y=28.911x+369.74，R2=0.993)。經(jīng)計算，抽采154d時試驗區(qū)瓦斯含量即可由8.01m3/t降至6m3/t，考慮實際抽采量與計算抽采量的差異性，新春煤礦1302運輸巷掘進工作面穿層鉆孔試驗區(qū)預(yù)抽期應(yīng)不低于160d。

(2)通過對試驗區(qū)實測抽出瓦斯量進行分析，得出了順層鉆孔試驗區(qū)累計瓦斯抽出量與預(yù)抽時間的擬合方程(y=5518.7ln(x)-7321.5，R2=0.9442)。經(jīng)計算，需抽采169d試驗區(qū)瓦斯含量才能由8.04m3/t降至6m3/t，考慮實際抽采量與計算抽采量的差異性，新春煤礦1301工作面順層鉆孔試驗區(qū)預(yù)抽期應(yīng)不低于170d。

(3)通過對已測定的試驗區(qū)瓦斯抽采參數(shù)進行數(shù)據(jù)分析，得出試驗區(qū)累計瓦斯抽出量與預(yù)抽時間的擬合方程。根據(jù)擬合方程可以預(yù)測試驗區(qū)后期的瓦斯抽采情況，以及計算試驗區(qū)瓦斯抽采達標(biāo)時的預(yù)抽期。

通過對該項目的研究，找出了一種殘余瓦斯含量預(yù)測及抽采達標(biāo)時預(yù)抽期計算的參考方法，對于實際提高區(qū)域瓦斯預(yù)抽效果、保證煤礦安全生產(chǎn)，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。

[1]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦安全規(guī)程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2015.

[2]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國家煤礦安全監(jiān)察局.防治煤與瓦斯突出規(guī)定[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2009.

[3]劉少博.新義礦順層抽采鉆孔瓦斯運移規(guī)律及封孔技術(shù)研究[D].焦作：河南理工大學(xué)，2014.

[4]呂保民.煤層瓦斯預(yù)抽期評價及預(yù)抽效果分析[J].能源技術(shù)與管理，2011(3)：16-18.

[5]張海祥.“先抽后采”瓦斯治理技術(shù)在南山煤礦的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2009，28(5)：94-96.

[6]王繼仁，郝晉偉，武德全，等.本煤層固液耦合流體壁式密封技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2015，11(4)：33-39.

[責(zé)任編輯：鄒正立]

2016-12-06

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.03.027

艾燦標(biāo)(1974-)，男，水族，貴州三都水族自治縣人，國家注冊一級建造師，礦建工程師，工程碩士，現(xiàn)從事煤炭礦山建設(shè)技術(shù)管理工作。

艾燦標(biāo)，李社勛，荊 剛.新春煤礦突出煤層合理預(yù)抽期研究[J].煤礦開采，2017，22(3)：93-95，99.

TD712.6

B

1006-6225(2017)03-0093-03