黃 勇
(中煤新集劉莊礦業(yè)有限公司東區(qū)抽排區(qū),安徽 阜陽 236232)
120502工作面位于劉莊煤礦一水平東二采區(qū),該工作面西部為東二5煤采區(qū)集中上山,東部為XL2陷落柱,南端為120503工作面采空區(qū),北端為120501工作面采空區(qū),上方為6-1煤及8煤采空區(qū),為多面孤島工作面。120502工作面總體為一單斜構(gòu)造,煤巖層走向?yàn)?0~100°,傾向?yàn)?70°~190°,傾角11°~17°,平均傾角 14°,平均煤厚 4 m。
根據(jù)中煤科工集團(tuán)重慶研究院編制的《安徽中煤新集劉莊礦業(yè)有限公司7、6、5、4煤層煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性鑒定報(bào)告》,1205采區(qū)F19斷層以東至F30斷層以西、-785m水平以淺5煤層為非突出煤層。
在無采掘活動(dòng)的情況下,某一區(qū)域內(nèi)煤層的瓦斯儲(chǔ)量是一定的,由于煤層透氣性系數(shù)是一個(gè)固定值,且煤層的瓦斯流動(dòng)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定流動(dòng)的,因此一段時(shí)間內(nèi)鉆孔內(nèi)瓦斯補(bǔ)給量是有限的,而隨著煤層瓦斯流動(dòng)時(shí)間的增加,鉆孔的瓦斯流量、瓦斯?jié)舛?、瓦斯流?dòng)純量、瓦斯壓力、瓦斯涌出強(qiáng)度等會(huì)逐漸減小。
根據(jù)以上煤層內(nèi)瓦斯流動(dòng)理論,煤層內(nèi)瓦斯流動(dòng)及鉆孔內(nèi)瓦斯流動(dòng)可用下列相關(guān)公式表達(dá):
式中:q0——鉆孔原始瓦斯涌出強(qiáng)度,m3/(min·m2);λ——煤層的透氣性系數(shù),m2/(MPa2·d);p0——煤層的原始瓦斯壓力,MPa2;pr0——鉆孔內(nèi)的瓦斯壓力,MPa2;r0——鉆孔孔徑,m;pstd——標(biāo)準(zhǔn)狀況下的大氣壓力,MPa2;R——鉆孔瓦斯流動(dòng)場(chǎng)的影響半徑,m;q′——鉆孔在t時(shí)刻的瓦斯涌出強(qiáng)度,m3/(min·m2);α——鉆孔內(nèi)瓦斯流量衰減系數(shù),d-1;t——鉆孔內(nèi)瓦斯流動(dòng)的時(shí)間,min;q——鉆孔在t時(shí)的瓦斯涌出量,m3/min;m——煤層厚度,m;Q——鉆孔在t時(shí)間內(nèi)的瓦斯抽采總量,m3。
根據(jù)上面公式(d)可知,鉆孔的抽采瓦斯能力和鉆孔的瓦斯流量衰減系數(shù)、煤層的透氣性系數(shù)、煤層厚度、鉆孔孔徑、鉆孔的抽采負(fù)壓、鉆孔的抽采時(shí)間等多個(gè)因素有關(guān),第一個(gè)因素越大,鉆孔抽采的瓦斯純量就越小,是呈反比關(guān)系的,后五個(gè)因素越大、鉆孔抽采的瓦斯純量就越大,是呈正比關(guān)系的。通常在考察抽采半徑選取地點(diǎn)所屬區(qū)域煤層,煤層的厚度、透氣性系數(shù)、鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)都是一個(gè)固定值,因此鉆孔的抽采瓦斯能力主要是和另外三個(gè)因變量因素掛鉤的,當(dāng)確定鉆孔孔徑、鉆孔抽采負(fù)壓后,鉆孔抽采瓦斯的能力和抽采時(shí)間成1-e-αt關(guān)系,因此上述六個(gè)條件在五個(gè)條件固定時(shí),就可以根據(jù)鉆孔抽采能力與抽采半徑的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算,從而得出鉆孔在不同抽采時(shí)間內(nèi)所對(duì)應(yīng)的抽采半徑。
為了順利地對(duì)抽采鉆孔有效抽采半徑進(jìn)行考察,抽采半徑考察選擇的地點(diǎn)應(yīng)滿足下列五點(diǎn)要求:考察地點(diǎn)所在的區(qū)域煤層賦存比較穩(wěn)定,沒有顯著地質(zhì)構(gòu)造;必須滿足考察所需的抽采時(shí)間;通風(fēng)、壓風(fēng)、水、電等應(yīng)滿足考察施工要求,且能保障考察人員安全;滿足《煤礦安全規(guī)程》《煤礦抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》和礦井各項(xiàng)管理及技術(shù)要求;考察前測(cè)定該煤層瓦斯含量。
鉆孔施工完畢開始抽采后,每天測(cè)定并記錄鉆孔的抽采參數(shù),包括抽采負(fù)壓、濃度、瞬時(shí)流量等數(shù)據(jù)。通過測(cè)定流量參數(shù),計(jì)算鉆孔每天的抽采純量并計(jì)算累計(jì)抽采純量Q抽總。
首先按以下五點(diǎn)要求來確定考察區(qū)域煤層瓦斯抽采率:
按將煤層殘余瓦斯含量抽采降低到8 m3/t時(shí)的抽采率η1,
按將煤層殘余瓦斯含量抽采降低到始突深度處煤層瓦斯含量時(shí)的抽采率
按將煤層殘余瓦斯壓力抽采降低到始突深度的瓦斯壓力時(shí)的抽采率
按《煤礦抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》規(guī)定的瓦斯抽采率η5。
通過以上五個(gè)要求來確定最終抽采率η= max(η1,η2,η3,η4,η5)。
上述公式中:W——考察范圍區(qū)域?qū)崪y(cè)的煤層原始瓦斯含量,m3/t;W初突——考察范圍區(qū)域內(nèi)煤層在始突深度時(shí)的瓦斯含量,m3/t;WP0.74——考察范圍區(qū)域內(nèi)煤層在0.74MPa的瓦斯壓力情況下對(duì)應(yīng)的瓦斯含量,m3/t;
然后考察區(qū)域內(nèi)鉆孔需要抽采的瓦斯總量按下列公式計(jì)算:
式中:L1、L2——考察范圍區(qū)域長(zhǎng)度、寬度,m;h——考察范圍區(qū)域煤層平均厚度,m;γ——考察范圍區(qū)域煤層視密度,t/m3;η——通過上述五點(diǎn)要求確定的最終抽采率。
再是按下式計(jì)算需要平均在考察范圍區(qū)域內(nèi)抽采的鉆孔數(shù)量:
式中:Q抽總——某一時(shí)間段內(nèi)統(tǒng)計(jì)的所有考察鉆孔抽采總量,m3
最后,將M個(gè)鉆孔平均分布在考察抽采鉆孔控制區(qū)域,再計(jì)算出某一時(shí)間段內(nèi)的鉆孔抽采半徑。
鉆孔瓦斯抽采有效影響半徑可采用下列公式計(jì)算:
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)考察確定在120502膠帶順槽沿煤層向工作面軌道順槽方向施工1組(10個(gè))垂直于巷道的順層抽采鉆孔。順層抽采鉆孔的施工參數(shù)為:鉆孔方位角355°,傾角12.4°,孔深35.9 m,開孔高度距底板1.5 m,直徑Φ113mm,鉆孔間距為10m,封孔長(zhǎng)度不小于15 m?,F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工平行順層鉆孔傾角12.5°,孔深36 m,其余均按照設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行施工,并保證鉆孔達(dá)到平直、不塌孔、全部布置在煤層中、孔口嚴(yán)密不漏氣等要求。
120502工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)瓦斯含量為2.9152 m3/t,通過分源法計(jì)算120502工作面在正?;夭善陂g絕對(duì)瓦斯涌出量最大為20.06 m3/min左右,根據(jù)《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》要求,抽采率必須滿足大于或等于30%。
120502膠帶順槽抽采半徑考察鉆孔控制區(qū)域需要抽采瓦斯量為:
Q抽總= L1×L2×h×γ×W×η= 100×36×4×1.39×2.915 2×30%=17505.19 m3
120502膠帶順槽考察抽采鉆孔日瓦斯抽采量統(tǒng)計(jì)見表1、通過考察數(shù)據(jù)計(jì)算的抽采半徑結(jié)果見表2,考察期間鉆孔抽采負(fù)壓在26.2-31.4KPa范圍內(nèi)。
表1 120502膠帶順槽抽采鉆孔日抽采瓦斯量統(tǒng)計(jì)
表2 120502膠帶順槽瓦斯抽采鉆孔有效影響半徑結(jié)果(統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算)
根據(jù)統(tǒng)計(jì)抽采量數(shù)據(jù)計(jì)算出120502膠帶順槽抽采衰減負(fù)指數(shù)曲線,與抽采衰減負(fù)指數(shù)曲線對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)R2=0.9478,通過統(tǒng)計(jì)15天、20天、25天及30天四個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算出的抽采衰減負(fù)指數(shù)曲線能有效減小誤差,可以代表120502膠帶順槽鉆孔抽采瓦斯規(guī)律,因此能用該抽采衰減負(fù)指數(shù)曲線公式解算120502膠帶順槽鉆孔抽采半徑,見表3。
表3 120502膠帶順槽瓦斯抽采鉆孔有效影響半徑結(jié)果(擬合抽采負(fù)指數(shù)曲線計(jì)算)
將統(tǒng)計(jì)量計(jì)算得到的15天及30天抽采半徑數(shù)據(jù)與通過抽采衰減負(fù)指數(shù)曲線積分計(jì)算得到的15天及30天抽采半徑數(shù)據(jù)對(duì)比,相同時(shí)間內(nèi)鉆孔抽采半徑數(shù)據(jù)偏差不大,基本相符,證明數(shù)據(jù)真實(shí)有效。
劉莊礦120502膠帶順槽抽采鉆孔在抽采負(fù)壓為26.2-31.4KPa時(shí),直徑Φ113mm鉆孔抽采15天、30天、60天和極限瓦斯抽采有效影響半徑分別為:3.10 m、4.71 m、5.97 m、6.43 m。