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        東大煤礦底抽巷穿層定向長(zhǎng)鉆孔抽采效果驗(yàn)證方法

        2023-10-19 10:34:36晁志國(guó)
        山東煤炭科技 2023年9期
        關(guān)鍵詞:效果

        晁志國(guó)

        (晉能控股裝備制造集團(tuán),山西 晉城 048000)

        瓦斯抽采技術(shù)是消除瓦斯突出煤層危險(xiǎn)性的有效方法[1-2],包括地面鉆井瓦斯抽采和井下瓦斯抽采法[3]。井下瓦斯抽采法具有適用性強(qiáng)、成本低、鉆孔施工可靠性高等優(yōu)勢(shì)。因此,東大煤礦采取此方法對(duì)試驗(yàn)煤層瓦斯進(jìn)行治理。

        1 瓦斯抽采效果測(cè)試原理

        東大煤礦試驗(yàn)煤層的初始瓦斯壓力約為0.5 MPa,初始瓦斯含量約為12.82 m3/t,煤體堅(jiān)固性系數(shù)為0.41,絕對(duì)瓦斯涌出量為29.5 m3/min,煤層無(wú)自燃傾向性。根據(jù)煤礦瓦斯防治技術(shù)相關(guān)規(guī)定,當(dāng)煤層中的瓦斯含量低于8 m3/t 時(shí)可認(rèn)定為無(wú)突出危險(xiǎn)性的煤層。因此,為消除試驗(yàn)煤層的瓦斯災(zāi)害危險(xiǎn)性,抽采技術(shù)方案需要保證瓦斯由初始含量降低到安全界限以下,降低幅度約為38%。瓦斯抽采的過(guò)程中,通過(guò)分析瓦斯抽采的測(cè)試原理,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定底抽巷穿層長(zhǎng)鉆孔的瓦斯抽采流量,分析瓦斯抽采率的變化狀態(tài),對(duì)瓦斯抽采的實(shí)際效果進(jìn)行檢驗(yàn)。

        為判別瓦斯抽采效果,以瓦斯抽采率和瓦斯抽采流量作為理論基礎(chǔ),建立瓦斯抽采效果判別方法。如圖1 所示,鉆孔附近由于抽采負(fù)壓較高,塑性區(qū)破碎程度較大,可假設(shè)為抽采率為1,隨著煤層距離抽采鉆孔的距離逐漸增加,當(dāng)完全脫離鉆孔負(fù)壓的抽采范圍和彈塑性破壞區(qū)影響時(shí),此位置的瓦斯抽采量變?yōu)?,且假設(shè)瓦斯抽采率從1 到0 的變化規(guī)律遵循指數(shù)型函數(shù)分布形式。由此可建立鉆孔瓦斯流量公式(1)。

        圖1 底抽巷穿層定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采率分布規(guī)律示意圖

        式中:Q為鉆孔瓦斯流量,m3/min;C為煤層中瓦斯含量,m3/t;D為鉆孔長(zhǎng)度,m;ρc為煤體密度,kg/m3;β為瓦斯抽采率系數(shù)。

        將式(1)進(jìn)行積分并求極限,得到瓦斯流量系數(shù)β為:

        最終可得距鉆孔距離為x位置處的瓦斯抽采率為:

        2 穿層鉆孔布置方案

        2.1 鉆孔布置參數(shù)

        東大煤礦試驗(yàn)煤層的底抽巷穿層定向長(zhǎng)鉆孔共布置7 個(gè),用于抽采采煤工作面的瓦斯。如圖2(a)、2(b)所示,7 個(gè)鉆孔分為3 組,其中第一組鉆孔共包含3 個(gè)鉆孔,分別為1-1、1-2、1-3;第二組鉆孔共包含2 個(gè)鉆孔,分別為2-1、2-2;第三組鉆孔共包含2 個(gè)鉆孔,分別為3-1、3-2。組內(nèi)鉆孔的間隔距離為10 m,組間鉆孔的水平方向間隔距離為10 m,組間鉆孔的垂直方向間隔距離為0.8 m,鉆孔距離最近的上方和下方距離為1 m。瓦斯抽采鉆孔布置距離原始應(yīng)力區(qū)的間隔為15 m。瓦斯抽采鉆孔的施工數(shù)據(jù)見表1。

        表1 底抽巷穿層定向長(zhǎng)鉆孔布置參數(shù)表

        圖2 底抽巷穿層定向長(zhǎng)鉆孔布置位置示意圖(m)

        井下瓦斯抽采的封孔方式與封孔效果直接影響了瓦斯抽采效果。為保證試驗(yàn)煤層底抽巷穿層定向長(zhǎng)鉆孔的瓦斯抽采效果,采用速凝發(fā)泡水泥漿對(duì)鉆孔進(jìn)行封孔處理。封孔采用“一堵一注”的方式,作用機(jī)理是利用含有膨脹劑的水泥砂漿充斥鉆孔周圍的塑性破碎巖體,膨脹后的水泥砂漿可以很好地對(duì)鉆孔以及鉆孔周圍的裂隙巖體進(jìn)行封堵,保證鉆孔內(nèi)的抽采負(fù)壓維持穩(wěn)定,管道內(nèi)的瓦斯不產(chǎn)生泄漏,以此保障瓦斯的抽采效果。采用膨脹劑的水泥砂漿避免了純水泥砂漿凝固后的體積縮減效應(yīng),對(duì)于鉆孔的封孔效果更好。封孔示意圖如圖3。

        圖3 底抽巷穿層定向長(zhǎng)鉆孔封孔示意圖

        2.2 瓦斯抽采流量測(cè)試方法

        工程鉆孔測(cè)試法、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法、氣體分子示蹤法是測(cè)定瓦斯抽采效果主要方法。工程鉆孔測(cè)試法當(dāng)中包括“瓦斯壓力測(cè)試法”和“瓦斯流量測(cè)試法”。根據(jù)東大煤礦煤層瓦斯賦存狀態(tài)實(shí)際,運(yùn)用瓦斯流量測(cè)試法對(duì)底抽巷穿層長(zhǎng)鉆孔的瓦斯抽采效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)與驗(yàn)證。

        1)根據(jù)表1 所示的鉆孔施工參數(shù),包括鉆孔傾角、方位角、鉆孔深度、封孔深度,在工作面底抽巷內(nèi)一共施工7 個(gè)穿層鉆孔。

        2)所有的瓦斯抽采鉆孔均需要進(jìn)行封孔處理,封孔的主要技術(shù)如圖3。

        3)對(duì)鉆孔進(jìn)行封孔后,每10 min 對(duì)3 組鉆孔進(jìn)行瓦斯流量監(jiān)測(cè),各組鉆孔流量需監(jiān)測(cè)5 次以上。

        4)以進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)抽采的時(shí)間作為第0 天,連續(xù)監(jiān)測(cè)記錄瓦斯流量演化情況。

        5)將數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)儀統(tǒng)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,并對(duì)瓦斯抽采流量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

        3 瓦斯抽采測(cè)試效果驗(yàn)證

        3.1 瓦斯抽采流量測(cè)試結(jié)果

        為檢驗(yàn)底抽巷穿層定向長(zhǎng)鉆孔的瓦斯抽采效果,匯總了3 組鉆孔在30 d 以內(nèi)的瓦斯流量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采用多參量的瓦斯流量測(cè)定儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,布置多組鉆孔進(jìn)行瓦斯流量的抽采檢測(cè)可以避免抽采鉆孔的瓦斯流量誤差影響,將誤差控制在允許范圍之內(nèi)。將每組鉆孔的瓦斯流量進(jìn)行平均值處理,最終就得到每組鉆孔的瓦斯流量數(shù)據(jù)。試驗(yàn)煤層的瓦斯流量數(shù)據(jù)見表2。

        表2 瓦斯抽采流量30 d 數(shù)據(jù)表

        試驗(yàn)煤層30 d 的瓦斯抽采流量數(shù)據(jù)繪制成曲線圖如圖4。3 組鉆孔的瓦斯抽采流量在30 d 內(nèi)的變化趨勢(shì)擬合曲線均為指數(shù)型衰減形式,其中1#組鉆孔的衰減幅度最大,由初始0.318 0 衰減至0.157 3,瓦斯的抽采效果最好;2#組鉆孔的瓦斯抽采衰減幅度居中,由初始0.298 0 降低至0.185 8,鉆孔抽采效果較好;3#鉆孔的瓦斯抽采衰減幅度最低,由初始0.201 0 衰減至0.173 2。在抽采的初始幾天內(nèi),瓦斯的流量數(shù)據(jù)有明顯波動(dòng),代表在抽采的初期,煤層內(nèi)部瓦斯壓力狀態(tài)及抽采鉆孔流量和瓦斯流動(dòng)狀態(tài)具有不穩(wěn)定性。

        圖4 瓦斯抽采流量30 d 統(tǒng)計(jì)圖

        3.2 瓦斯抽采率測(cè)試結(jié)果

        為測(cè)試底抽巷穿層定向長(zhǎng)鉆孔的瓦斯抽采率,根據(jù)上文推導(dǎo)的公式(3)與表2 中的瓦斯流量數(shù)據(jù),可計(jì)算得到距離鉆孔不同位置處的瓦斯抽采率的演化趨勢(shì)曲線。主要計(jì)算距離鉆孔3~4 m 處的瓦斯抽采率,其中計(jì)算了1#組鉆孔3.2 m、3.48 m、3.7 m距離處的瓦斯抽采率,計(jì)算了2#組鉆孔3.3 m、3.45 m、3.6 m 處的瓦斯抽采率,計(jì)算了3#組鉆孔3.1 m、3.31 m、3.5 m 處的瓦斯抽采率。3 組鉆孔在30 d 內(nèi)的瓦斯抽采率統(tǒng)計(jì)如圖5。靠近抽采鉆孔時(shí),抽采率越高。瓦斯抽采率隨抽采時(shí)間增加呈指數(shù)性變化。1#組鉆孔的瓦斯抽采率大于2#組鉆孔的瓦斯抽采率,3#組鉆孔的瓦斯抽采率最低。3 組鉆孔的瓦斯抽采率在30 d 內(nèi)均達(dá)到了40%左右,滿足前文所述試驗(yàn)煤層的瓦斯防突技術(shù)要求中規(guī)定的瓦斯抽采率為38%的要求,隨著抽采繼續(xù),極大降低瓦斯的突出危險(xiǎn)性。根據(jù)瓦斯抽采流量的演化趨勢(shì)和瓦斯抽采率的降低幅度可知底抽巷穿層定向長(zhǎng)鉆孔抽采瓦斯技術(shù)有效地防治了試驗(yàn)煤層的突出危險(xiǎn)性。

        圖5 東大煤礦瓦斯抽采率30 d 統(tǒng)計(jì)圖

        4 結(jié)語(yǔ)

        1)以瓦斯抽采率和瓦斯抽采流量作為理論基礎(chǔ),建立瓦斯抽采效果判別方法。假設(shè)瓦斯抽采率從1 到0 的變化規(guī)律遵循指數(shù)型函數(shù)分布形式,推導(dǎo)出鉆孔瓦斯流量公式。

        2)布置7 個(gè)底抽巷穿層定向長(zhǎng)鉆孔,分為3組進(jìn)行瓦斯流量監(jiān)測(cè),給出了鉆孔施工參數(shù)。

        3)匯總了3 組鉆孔在30 d 以內(nèi)的瓦斯流量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),3 組鉆孔瓦斯流量均呈指數(shù)衰減形式。計(jì)算得出,此期間內(nèi)瓦斯抽采率達(dá)到了瓦斯防治標(biāo)準(zhǔn)。

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