李 奇,高中寧

(1.溫州理工學院，浙江溫州 325006； 2.煤科集團沈陽研究院有限公司，沈陽 110016)

1 高產(chǎn)高效工作面簡況

試驗區(qū)位于保德煤礦三盤區(qū)88501高產(chǎn)高效工作面，工作面范圍煤層平均傾角3.6°，煤層平均厚度5.64m，標高754.5～810.1m，工作面傾斜長度2 871.5m，走向長度302.53m，工作面面積868 714m2。88501高產(chǎn)高效工作面設(shè)計采高5.3m,采用走向長壁后退式一次采全高采煤方法，采空區(qū)采用全部垮落法處理頂板,工作面通風方式為“一進一回”[1]。

2 煤層瓦斯抽采工藝對比試驗

2.1 試驗區(qū)抽采鉆孔布置

為考察不同孔徑、不同工藝鉆孔的抽采效果，設(shè)計了小孔徑平行鉆孔瓦斯抽采試驗、大孔徑平行鉆孔瓦斯抽采試驗、交叉鉆孔瓦斯抽采試驗等三種煤層瓦斯抽采工藝對比試驗，以優(yōu)化瓦斯抽采工藝參數(shù)。

選擇在88501綜采工作面膠帶運輸順槽，布置瓦斯抽采試驗鉆孔。設(shè)計試驗抽采鉆孔組10組，1～8組為平行鉆孔，每組5孔；9～10組為交叉鉆孔，每組10孔，相鄰鉆孔組距離20m，共計施工60個試驗鉆孔。設(shè)計小孔徑鉆孔94mm、大孔徑鉆孔133mm；孔間距分別為4m、6m、8m、10m與12m。試驗區(qū)瓦斯抽采對比鉆孔布置見表1、圖1。

表1 試驗區(qū)瓦斯抽采對比鉆孔參數(shù)表

圖1 試驗區(qū)瓦斯抽采對比鉆孔布置圖Figure 1 Experiment area gas drainage comparative boreholes layout

2.2 小孔徑平行鉆孔瓦斯抽采試驗

2.2.1 鉆孔瓦斯抽采量與時間耦合規(guī)律

在開采層預(yù)先抽采煤層瓦斯時， 鉆孔瓦斯抽采量的高低取決于煤層本身的導氣性能與煤體中呈現(xiàn)的瓦斯壓力。而鉆孔瓦斯抽采量與時間的耦合關(guān)系反映煤層瓦斯抽采效率的重要指標。工程應(yīng)用中，一般通過考察初始瓦斯抽采量和鉆孔瓦斯衰減系數(shù)兩個參數(shù)。為此試驗主要從初始抽采量與衰減系數(shù)兩個指標考查研究平行鉆孔預(yù)抽瓦斯的效果(表2)。利用測試參數(shù)折算每百米鉆孔抽采純量(表3)，按照式(1)推算初始抽采量與衰減系數(shù)。

表2 小孔徑平行鉆孔瓦斯抽采規(guī)律回歸計算表

表3 小孔徑百米平行鉆孔不同時間內(nèi)抽采瓦斯總量計算表

qct=qc0e-βt

(1)

式中：qct為抽采時間t時每百米鉆孔平均瓦斯抽采量，m3/min·hm[2]；Qc0為百米鉆孔初始瓦斯抽采量，m3/min·hm；B為衰減系數(shù)，d-1；t為鉆孔組抽采瓦斯時間，d。

將上式進行積分運算后得出一定時間內(nèi)的鉆孔瓦斯抽采總量Qct，如式(2)所示。

Qct=Qcj(1-e-βt)

(2)

式中：Qct為抽采時間t內(nèi)抽采瓦斯總量，m3；Qcj為t→∞鉆孔極限抽采瓦斯量，Qcj=1 440q0/β，m3；圖2至圖5為試驗區(qū)不同距離的小孔徑平行鉆孔組折算百米鉆孔瓦斯抽采量同時間波動趨勢圖。

圖2 ZKZ—Ⅰ組鉆孔平均抽采量與時間變化規(guī)律圖Figure 2 ZKZ-1 borehole group average drainage volumevariation with time regular pattern

圖3 ZKZ—Ⅱ組鉆孔平均抽采量與時間變化規(guī)律圖Figure 3 ZKZ-1I borehole group average drainage volumevariation with time regular pattern

圖4 ZKZ—Ⅲ組鉆孔平均抽采量與時間變化規(guī)律圖Figure 4 ZKZ-1II borehole group average drainage volumevariation with time regular pattern

圖5 ZKZ—Ⅳ組鉆孔平均抽采量與時間變化規(guī)律圖Figure 5 ZKZ-1V borehole group average drainage volumevariation with time regular pattern

由上述圖表，鉆孔初始瓦斯抽采強度大于鉆孔自然初始瓦斯涌出強度，極限抽采瓦斯量高于鉆孔極限自然瓦斯涌出量[3]。抽采鉆孔在負壓環(huán)境下，鉆孔周壁至四周煤體深處形成負壓梯度，受此影響深處煤體內(nèi)賦存的瓦斯向鉆孔周壁運移涌出，最終出現(xiàn)極限抽采量大于極限自然涌出量，抽采量的衰減系數(shù)小于自然涌出量的衰減系數(shù)。

對于4組小孔徑平行鉆孔一旦增大孔間距，百米鉆孔的平均初始抽采量與極限抽采量會對應(yīng)減少，而抽采量衰減系數(shù)β變化不大，表明對于間距4～8m的鉆孔，抽采范圍出現(xiàn)了重合。

2.2.2 一定孔間距下預(yù)抽率與時間耦合關(guān)系

瓦斯預(yù)抽率是衡量瓦斯預(yù)抽效果的一個重要參數(shù)，它的意義是在某一確定的范圍內(nèi)，預(yù)先抽采的瓦斯總量同該范圍賦存的實際瓦斯總量的比值[4],如式(3)所示。

(3)

式中：η為煤層瓦斯預(yù)抽率，%；Q抽為抽采瓦斯純量，m3；L為鉆孔控制區(qū)域走向距離，m；l為抽采鉆孔平均深度，m；m0為平均煤層厚度，7.0m；r為密度，t/m3；1.43 t/m3；W0為原煤瓦斯含量，1.91m3/t。

假若不能確定實際抽采的瓦斯純量，可按式(4)估算。

(4)

則式(3)可變?yōu)?/p>

(5)

(6)

式中：n為折算的百米鉆孔數(shù)目；k為抽采鉆孔間相互干擾參數(shù)；m鉆為鉆孔密度，m/t；d為鉆孔間距，m。

由圖6可以看出：1)如果有效的鉆孔抽采時間不變，孔距與預(yù)抽率成反比；如果孔距不一致，想具有的預(yù)抽率相同，那么孔距大的需要的時間較長。

2)鉆孔預(yù)抽率伴隨時間的持續(xù)大部分呈現(xiàn)提高的趨勢，不過提高的速率會慢慢變小直至接近于零。不一樣間距的鉆孔當預(yù)抽時間達到300d時，預(yù)抽率幾乎都不會增大。因此8號煤層內(nèi)布置小孔徑Φ94mm鉆孔開展抽采時，適宜的抽采時間不能多于300d。

圖6 小孔徑平行鉆孔不同間距下預(yù)抽率與時間關(guān)系圖Figure 6 Small diameter parallel layout pre-drainage ratevariations with time under different intervals

3)鉆孔組的抽采間距一定時那么會有一個確定的極限預(yù)抽率與其一一對應(yīng)，且兩者變化趨勢呈現(xiàn)反比，也就是如果想要獲得較大的預(yù)抽率，那么就需要減小孔間距。

2.3 大孔徑平行鉆孔瓦斯抽采試驗

大孔徑抽采技術(shù)屬于一種強化抽采煤體瓦斯的方法。通過擴大抽采鉆孔的孔徑，在煤體中人為的制造了更大的自由空間這對于改善煤體導氣性能，卸除集中的應(yīng)力大有裨益。為了考察大孔徑抽采技術(shù)的效果合理設(shè)計參數(shù)，本次試驗選擇了Φ133mm大直徑鉆孔開展研究，其抽采試驗結(jié)果及效果如下：

2.3.1 鉆孔瓦斯抽采量與時間耦合規(guī)律

同樣的方法將Φ133mm鉆孔瓦斯抽采參數(shù)回歸分析處理，并求得8號煤大孔徑平行鉆孔在規(guī)定時間范圍內(nèi)的總的瓦斯抽采量(表4、表5)。

表4 大孔徑平行鉆孔不同間距情況下瓦斯抽采規(guī)律計算表

表5 百米大孔徑平行鉆孔不同時間內(nèi)瓦斯抽采總量計算表

由圖7至圖10可以看出，同小孔徑鉆孔組一樣，大孔徑不同間距鉆孔組，鉆孔初始瓦斯抽采強度大于鉆孔自然初始瓦斯涌出強度，極限自然涌出量小于極限抽采量[5]。4組大孔徑鉆孔折算百米鉆孔的平均初始抽采量大小相當，可距離為8～10m時極限抽采量為距離12 m時的約2倍，表明距離為8～10m的抽采鉆孔相互間已出現(xiàn)了抽采效應(yīng)重合的情況，由此認為平行大孔徑鉆孔的最佳孔距為 8～10m。出當孔徑由Φ94增加到Φ133時對抽采量變化不大，表明在低瓦斯區(qū)通過擴孔提高抽采效果不是很明顯，如此同時由于鉆孔直徑的加大影響到封孔質(zhì)量。

圖7 ZKZ—Ⅴ組鉆孔平均抽采量與時間變化曲線Figure 7 ZKZ-V borehole group average drainage volumevariation with time curve

圖8 ZKZ—Ⅵ組鉆孔平均抽采量與時間變化曲線Figure 8 ZKZ-VI borehole group average drainage volumevariation with time curve

圖9 ZKZ—Ⅶ組鉆孔平均抽采量與時間變化曲線Figure 9 ZKZ-VII borehole group average drainage volumevariation with time curve

圖10 ZKZ—Ⅷ組鉆孔平均抽采量與時間變化曲線Figure 10 ZKZ-VIII borehole group average drainage volumevariation with time curve

2.3.2 不同鉆孔間距下預(yù)抽率與時間耦合關(guān)系

同前述方法得到Φ133大直徑鉆孔在對應(yīng)孔間距內(nèi)的瓦斯預(yù)抽率如圖11。

圖11 大孔徑不同間距平行鉆孔預(yù)抽率與時間關(guān)系曲線Figure 11 Large diameter parallel layout boreholespre-drainage rate variation with time curve

圖11中從曲線的變化趨勢可知，從全局來看看預(yù)抽率與抽采時間正相關(guān)，不過增速慢慢變小且接近于零。當抽采時間達到240d以上時，預(yù)抽率幾乎不在增加，由此可知大孔徑平行鉆孔合理抽采時間不應(yīng)大于240d。

2.4 小徑交叉鉆孔瓦斯抽采試驗

為了研究交叉鉆孔抽采工藝瓦斯預(yù)抽效果，在試驗區(qū)設(shè)計了ZKZ—Ⅸ鉆孔組、ZKZ—Ⅹ鉆孔組，鉆孔組工藝參數(shù)如表1。

2.4.1 交叉鉆孔瓦斯抽采量與時間耦合規(guī)律

交叉布置鉆孔抽采瓦斯量與時間的波動特征考查方法與前述相同。

圖12 ZKZ—Ⅸ組鉆孔平均抽采量與時間變化曲線Figure 12 ZKZ-IX borehole group average drainage volumevariation with time curve

圖13 ZKZ—Ⅹ組鉆孔平均抽采量與時間變化曲線Figure 13 ZKZ-IX borehole group average drainage volumevariation with time curve

表6 不同間距小孔徑交叉鉆孔瓦斯抽采規(guī)律

表7 百米小孔徑交叉鉆孔不同時間內(nèi)瓦斯抽采總量計算表

根據(jù)圖12、圖13通過對比分析可得：

1)在交叉鉆孔設(shè)計中間距為5m的鉆孔組ZKZ—Ⅸ與間距為7.5m的鉆孔組ZKZ—Ⅹ抽采指標參數(shù)初始瓦斯抽采量、鉆孔衰減系數(shù)和折算百米鉆孔的極限抽采瓦斯量的變化不很明顯，其對應(yīng)的數(shù)據(jù)相差不大。

2)對比ZKZ—Ⅹ組鉆孔(與交叉鉆孔的地質(zhì)條件相近，具有可比性)，可知在鉆孔孔徑相同，間距相近的情況時，交叉鉆孔平均初始瓦斯抽采量是平行鉆孔的1.23倍，量衰減系數(shù)也大于平行鉆孔為其2.69倍。極限抽采量小于平行鉆孔。與大孔徑鉆孔(ZKZ—Ⅴ組與ZKZ—Ⅵ組)相比，在間距相近的情況下，交叉孔平均初始瓦斯抽采量是平行鉆孔的1.5倍，衰減系數(shù)同樣高于平行鉆孔，前者是后者的1.7倍左右。這表明盡管交叉鉆孔增大了布置密度提高了煤層的卸壓效果,同時初始瓦斯抽采量也相應(yīng)增大,可是在這部分范圍內(nèi)瓦斯含量卻很小,不能提供豐富的源頭補給,衰減很大。所以在以后的抽采施工過程中沒有必要施工大孔徑鉆孔(Φ133mm)或交叉鉆孔，施工小孔徑Φ94 mm的鉆孔即可(表6、表7)。

2.4.2 交叉鉆孔預(yù)抽率與時間耦合關(guān)系

由式3計算出在一定時間內(nèi)的預(yù)抽率,將各個離散點繪制成圖14。

圖14 不同間距交叉鉆孔預(yù)抽率與時間變化曲線Figure 14 Different intervals crossed layout boreholespre-drainage rate variation with time curve

1)提高鉆孔布置密集程度，那么鉆孔的瓦斯預(yù)抽率也會提高。

2)對不一樣的密集程度的交叉式鉆孔來說，如果想取得同等的預(yù)抽效率，增加鉆孔布置密度所耗用的時間比較少，同樣對于鉆孔密度小的情況其所用的時間比較多。

3)從圖中可以看出，在孔距5m情況下抽采到180d時，抽采率至20.06%后就基本上不再增加了；當孔距在7.5m抽采到180d后抽采率為14.46%以后就基本上不再增加了。為了增加預(yù)抽率，只有減小孔距以調(diào)高孔密度才能實現(xiàn)。

3 結(jié)論

抽采工藝優(yōu)化試驗研究了小孔徑與大孔徑抽采工藝，平行鉆孔與交叉鉆孔抽采工藝，通過幾種抽采工藝技術(shù)的對比試驗得出，抽采孔距與預(yù)抽率呈負相關(guān)，若保證預(yù)抽率相同，孔距大的耗時較長。鉆孔預(yù)抽率伴隨時間的持續(xù)大部分呈現(xiàn)提高的趨勢，不過提高的速率會慢慢變小直至接近于零。小孔徑抽采工藝當預(yù)抽時間達到300d時，預(yù)抽率變化不明顯；大孔徑抽采工藝預(yù)抽率在抽采時間達到240d時，增長微弱。由此得出試驗區(qū)8號煤層內(nèi)布置小孔徑Φ94mm鉆孔開展抽采時，抽采最優(yōu)時間為300d，大孔徑Φ133mm鉆孔抽采最優(yōu)時間為240d。

在交叉鉆孔抽采工藝方面研究得出，孔距5m情況下，η值穩(wěn)定在20.06%，對應(yīng)的抽采最優(yōu)時間為180d；孔距7.5m情況下，η值穩(wěn)定在14.46%，抽采最優(yōu)時間也為180d。說明交叉鉆孔抽采工藝最優(yōu)抽采時間與間距無關(guān)，但會影響預(yù)抽率。