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        楊柳礦穿層鉆孔抽采半徑測定

        2022-11-05 10:17:18
        山東煤炭科技 2022年10期
        關鍵詞:瓦斯半徑間距

        崔 魁

        (淮北礦業(yè)集團,安徽 淮北 233600)

        在礦井瓦斯抽采過程中,鉆孔抽采間距的設計與瓦斯抽采效果的好壞有直接關系。其中,抽采半徑在抽采鉆孔間距設計過程中可以起到指導性作用,鉆孔流場的控制范圍又會影響鉆孔最佳抽采間距[1-3]。鉆孔抽采間距和抽采半徑都與很多影響因素有關[4-6],故合理的鉆孔間距應該在測定抽采有效半徑的基礎上確定,以便科學確定鉆孔間距,確定抽采期[7-9]。

        1 測試地點概況

        測試地點選在淮北礦區(qū)楊柳礦1061 工作面,機抽巷位于10 煤底板,距10 煤法距21~30 m,巖性以粉砂巖和細砂巖為主。巖巷施工過程中揭露多條斷層,其中3 條正斷層。10 煤層賦存比較穩(wěn)定,平均煤厚3.05 m,傾角在0~5°之間,有突出危險性,瓦斯參數(shù)見表1。

        表1 部分瓦斯參數(shù)表

        2 鉆孔設計及施工參數(shù)

        在1061 機抽巷幫巖壁依次施工2~5 號測試孔,穿過煤層全厚且進入煤層頂板至少0.5 m,孔底間距分別控制為2 m、4 m、6 m、8 m。待其壓力穩(wěn)定后施工一個1 號抽采孔,鉆場斷面鉆孔布置方式如圖1,觀測孔封孔采用水泥砂漿封孔,抽采孔采用聚氨酯封孔,并記錄封孔開始和完成時間。每天按時測定各測試孔的壓力變化,待壓力穩(wěn)定后,對預抽孔聯(lián)網(wǎng)進行預抽,持續(xù)觀測2~5 號孔瓦斯壓力。

        圖1 1061 機抽巷鉆孔布置示意圖(m)

        2.1 測試結果及分析

        鉆孔壓力全部穩(wěn)定后,對預抽孔聯(lián)網(wǎng)24 h 實施不間斷抽放,對四個壓力考察孔進行了為期5 個月的瓦斯壓力數(shù)據(jù)實測,得到瓦斯流量實測數(shù)據(jù),繪得觀測孔瓦斯壓力變化曲線圖,如圖2。MPa,開始抽放后很長時間沒有明顯變化,直至1個月以后壓力才出現(xiàn)衰減,然后趨于穩(wěn)定,至考察結束壓力穩(wěn)定在0.55 MPa,降幅35.3%。因此判斷3#考察孔在1#孔的影響半徑內,未達到抽采有效半徑指標,故認定3#孔不在抽采有效半徑范圍內。

        圖2 觀測孔瓦斯壓力變化曲線圖

        綜上所述,本次對楊柳礦10 煤層穿層鉆孔抽采半徑鉆孔測試結果如下:4#和5#測試孔在1#抽采孔的有效抽采半徑范圍內;3#孔在1#孔的抽采影響半徑以內,不在有效抽采半徑以內;2#孔不在抽采影響半徑范圍內。因此,抽采120 d 的有效抽采半徑為4 m,抽采影響半徑為6 m。各壓力觀測孔雖然起始壓力值各不同,但是隨著抽放時間的延續(xù),瓦斯壓力衰減趨勢基本相同,也證明了測試前采用相對壓力指標作為抽放有效半徑指標的正確性。通過線性回歸得到各曲線的趨勢線,進而確定其壓力變化的幅度,具體數(shù)值見表2。

        表2 觀測孔壓力變化幅度

        由圖2 可知:

        (1)2#考察孔由于出現(xiàn)鉆孔涌水現(xiàn)象,大部分時間未測得壓力,只在開始負壓抽采后出現(xiàn)壓力小幅攀升趨勢,最后壓力穩(wěn)定在0.05 MPa。可以斷定2#孔不在抽采影響半徑范圍內。

        (2)4#考察孔在抽采前,瓦斯壓力經(jīng)過升高然后穩(wěn)定在1.02 MPa,抽采后,壓力開始不斷下降,穩(wěn)定一段時間后繼續(xù)下降穩(wěn)定。由初期穩(wěn)定時的1.02 MPa 至后期穩(wěn)定時的0.47 MPa,下降幅度達53.9%,由此判斷,4#考察孔(2 m)在1#抽采孔的抽采影響半徑內,也在1#孔的有效半徑范圍內。

        (3)5#考察孔與4#孔的衰減趨勢基本相同,由初期表壓穩(wěn)定時的1.05 MPa 至最終穩(wěn)定時的0.51 MPa,下降幅度達51.4%,達到抽采影響半徑指標規(guī)定的相對瓦斯壓力在原基礎上下降19%的要求,也達到了抽采有效半徑指標規(guī)定的瓦斯壓力下降51%的要求,故認定5#孔(4 m)在1#抽采孔的影響半徑內,也在1#孔的有效半徑范圍內。

        (4)3#考察孔抽放前瓦斯壓力穩(wěn)定在0.85

        圖3 為單孔瓦斯抽放參數(shù)變化曲線圖。從中可以看出,抽放前鉆孔混合流量與純流量呈加速上升趨勢,抽放初期,純流量值達到最大,之后瓦斯?jié)舛扰c純流量開始緩慢下降,而后加速下降;在連續(xù)抽放43 d 后瓦斯抽放濃度低于20%,再次趨于穩(wěn)定后不久開始緩慢下降;瓦斯抽放混合流量在抽采負壓一定時,流量值逐漸升高而后變化不大。

        圖3 單孔瓦斯抽放參數(shù)變化曲線圖

        2.2 極限抽采時間

        鉆孔抽采過程中瓦斯流量的衰減規(guī)律呈負指數(shù)變化,將單孔瓦斯抽采量的實測結果換算為百米鉆孔抽采量,并采用以下公式進行回歸分析[10]:

        式中:q0表示百米鉆孔瓦斯初始抽采量,m3/(hm·min);β表示抽采鉆孔瓦斯涌出衰減系數(shù);η表示預抽率,%;ρ表示煤體密度,t/m3。

        預抽率、殘余瓦斯壓力與殘余瓦斯含量的關系:

        式中:η為瓦斯預抽率,%;Wc為殘余瓦斯含量,m3/t;W為原始瓦斯含量,m3/t;α為煤層瓦斯含量系數(shù),m3/(t·MPa1/2);Pc為殘余瓦斯壓力,MPa;P為原始瓦斯壓力,MPa。

        隨著時間的延續(xù),抽采影響范圍是逐漸擴大的,但存在一個極限,達到這個范圍所用的時間即為極限抽采時間,計算公式如式(3)。鉆孔抽采時間一般不大于極限抽采時間。

        鉆孔見煤長度為2.7 m,用百米鉆孔瓦斯抽采量表示為:)

        最大原始瓦斯壓力P=1.5 MPa 代入公式(1),得出預抽率η=58.19%,再由公式(3)算得極限抽采時間為375 d。在試驗地點測得煤體瓦斯含量W=8.7 m3/t,密度ρ=1.33 t/m3,按公式(1)分析預抽時間分別為50 d、100 d、150 d、200 d、250 d、300 d 和350 d 時,有效抽采半徑見表3。

        表3 不同抽采時間下的有效抽采半徑

        從圖4 看出,抽采150 d 之前,抽采半徑變化率較大,隨著時間延長開始減緩,350 d 之后基本不再變化。根據(jù)現(xiàn)場考察結果,當抽采120 d 時,有效抽采半徑為4 m,這與數(shù)值計算當抽采時間為150 d、有效抽采半徑為3.96 m 的結果基本吻合,所以設計抽采200 d 時,抽采半徑為4.32 m,即鉆孔合理布置間距為8.64 m,可取間距8 m 布置鉆孔。

        圖4 不同抽采時間下抽采半徑示意圖

        3 結論

        (1)穿層鉆孔的抽采半徑常用測定方法較多,根據(jù)測試地點實際情況,對測定方法進行優(yōu)化,采用相對壓力指標法測定抽采半徑。

        (2)經(jīng)現(xiàn)場實測,楊柳礦10 煤層抽采半徑:當抽采120 d 時,有效抽采半徑為4 m,數(shù)值計算當抽采時間為150 d 時,有效抽采半徑為3.96 m,兩種測試方法結果吻合,并求得極限抽采時間為375 d,得出抽采半徑變化趨勢為先增大后趨于穩(wěn)定。

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