肖 健,陳學(xué)習(xí),單文選

(1. 西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710054;2.華北科技學(xué)院 礦山安全學(xué)院,北京 東燕郊 065201;3.晉能控股集團(tuán)挖金灣煤業(yè)公司,山西 大同 037003)

0 引言

隨著煤礦開采深度的不斷增加,煤層瓦斯壓力和含量也呈現(xiàn)上升趨勢,煤與瓦斯突出煤層比例逐漸上升,瓦斯災(zāi)害愈發(fā)嚴(yán)重[1]。消除煤與瓦斯突出危險性的方法主要有保護(hù)層開采和預(yù)抽煤層瓦斯[2],但是針對單一突出煤層開采和全突煤層群開采時,無法采用保護(hù)層開采作為消突手段,優(yōu)先選用穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯[3-4]。

有效抽采半徑既有利于提高礦井的安全高效生產(chǎn),降低突出煤層巷道掘進(jìn)過程中的潛在風(fēng)險,同時有利于提高鉆孔的利用率。抽采半徑過大,容易形成抽采盲區(qū);抽采半徑過小,則會造成資源的浪費(fèi),增加瓦斯治理成本[5]。有效抽采半徑經(jīng)過多年的研究,出現(xiàn)了瓦斯壓力降低法、瓦斯含量降低法、瓦斯抽采流量法、標(biāo)志性氣體(SF6)示蹤法、數(shù)值模擬法、瓦斯儲量法及理論計算等[6-10]。預(yù)抽鉆孔有效抽采半徑受周圍煤體骨架的卸壓變形效應(yīng)和煤體透氣性影響,離鉆孔越遠(yuǎn)的瓦斯運(yùn)移到鉆孔中所受阻力越大,需要的時間越長,因而抽采量是與抽采時間和距離相關(guān)的函數(shù)[11]。針對同一地質(zhì)條件下、同一煤層不同直徑穿層鉆孔的有效抽采半徑的研究相對較少,需要進(jìn)行深入研究。

在平頂山礦區(qū)某礦戊8煤層按照鉆孔Φ75mm的有效抽采半徑設(shè)計所有戊8煤層穿層抽采鉆孔的鉆孔間距,在實(shí)際抽采過程中容易發(fā)生串孔現(xiàn)象,嚴(yán)重影響抽采效果。所以急需根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件研究得出不同孔徑條件下的有效抽采半徑,為該礦抽采設(shè)計提供合理依據(jù)。

1 測試區(qū)域概況

平頂山礦區(qū)某礦主采丁5-6、戊8和戊9-10煤層,丁5-6煤層平均厚度3.43m,戊8煤層平均厚度2.2m, 戊9-10煤層平均厚度2.7m。戊8煤層瓦斯含量為3.12 ～5.68m3/t;原始瓦斯壓力為0.19～0.56MPa;透氣性系數(shù)為0.1628～0.928m2/(MPa2·d)。

測試工作面為戊8-32010工作面設(shè)計走向長2400m,傾斜長度220m,埋深880～920m。工作面布置按照“一面四巷”設(shè)計,自上而下依次布置風(fēng)巷、風(fēng)巷高抽巷、機(jī)巷、機(jī)巷高抽巷,其中風(fēng)、機(jī)巷沿戊8煤層布置,風(fēng)巷高抽巷、機(jī)巷高抽巷布置在頂板18m巖層中,機(jī)巷高抽巷外錯布置,機(jī)巷高抽巷與機(jī)巷垂直中對中30m。

2 有效影響半徑測試

2.1 測試方法選擇

瓦斯在煤層中流動時分為在孔隙內(nèi)流動和在裂隙內(nèi)流動,孔隙內(nèi)流動時符合菲克定律,在裂隙內(nèi)流動時符合達(dá)西定律[12-13]。目前有效抽采半徑的現(xiàn)場測定根據(jù)測試指標(biāo)的不同主要分為瓦斯壓力降低法、瓦斯流量法、氣體示蹤法、抽采純量法及瓦斯儲量法等。瓦斯壓力降低法測定成本較高,需要在抽采半徑測試的較長時間內(nèi)保持瓦斯壓力鉆孔完全不漏氣極其困難。瓦斯流量法受煤體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、采掘活動等多種因素影響,煤體各向的透氣性差異明顯,瓦斯流量衰減影響因素分析較為復(fù)雜,得到準(zhǔn)確的有效抽采半徑難度較大。氣體示蹤法用于確定影響半徑是極為方便準(zhǔn)確的,但存在無法量化的問題。抽采純量法結(jié)合瓦斯儲量法使用條件廣泛、測試簡單和成本低等優(yōu)點(diǎn),能夠得出更接近實(shí)際的有效抽采半徑,因此選用抽采純量法結(jié)合瓦斯儲量法綜合測定有效抽采半徑。

2.2 測試原理

通過瓦斯抽出率連接抽采純量法和瓦斯儲量法,即單孔抽出瓦斯量與鉆孔單孔控制范圍內(nèi)煤體瓦斯儲量之比,一般以瓦斯儲量的30%為參考指標(biāo)[14]。單孔瓦斯抽出量可通過統(tǒng)計鉆孔內(nèi)瓦斯流量和濃度得出,單孔控制范圍內(nèi)煤體瓦斯儲量可由煤層厚度、煤孔長度、單孔控制范圍、原始煤層瓦斯含量和煤的密度的關(guān)系得到。

鉆孔瓦斯流量的變化規(guī)律基本上符合負(fù)指數(shù)方程,見公式(1):

q(t)=q0e-αt

(1)

式中,q(t)為鉆孔經(jīng)t日抽采時的瓦斯流量,m3/d;q0為鉆孔的初始瓦斯流量,m3/d;α為鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù),d-1。

則t天時間內(nèi)單孔抽采的瓦斯總量按公式2計算:

(2)

式中,Qc為鉆孔經(jīng)t日抽采時的累計抽采瓦斯量,m3。

鉆孔單孔控制范圍內(nèi)煤體瓦斯儲量QH按公式(3)計算:

QH=ρmHlW

(3)

式中,ρ為煤的密度,t/m3;m為煤層平均厚度,m;l為鉆孔有效抽采長度,m;H為鉆孔間距,m;W為煤層原始瓦斯含量,m3/t。

單孔抽出瓦斯量為Qc,則抽出率η按公式(4)計算:

(4)

以抽出率作為指標(biāo)確定的鉆孔間距按公式(5)計算:

(5)

煤層厚度、鉆孔抽采半徑和鉆孔布置間距在巷道內(nèi)的空間關(guān)系如下圖1所示。

圖1 有效抽采半徑空間關(guān)系圖

圖1中,抽采半徑用R表示,煤層厚度用m表示,鉆孔布置間距用H表示。假設(shè)鉆孔在距離巷道底板m/2處,則抽采半徑R可表示按公式(6)計算:

(6)

3 現(xiàn)場測試

3.1 測試方案

在戊8-32010機(jī)巷高位抽巷施工3組測試鉆孔,每組4個鉆孔,同組鉆孔的鉆孔直徑保持一致,鉆孔直徑分別為75mm、94mm和113mm。為避免鉆孔間相互影響,組內(nèi)開孔間距為10m,組間開孔間距為15m鉆孔平面布置如圖2(a)所示,鉆孔剖面如圖2(b)所示。

圖2 有效抽采半徑試驗鉆孔設(shè)計圖

鉆孔封孔采用囊袋式“兩堵一注”進(jìn)行,封孔長度10m,里端囊袋置于見煤點(diǎn)處。每個鉆孔安裝一個流量計,抽采期間測試抽采的流量、濃度。

3.2 測試結(jié)果

利用記錄的流量數(shù)據(jù)通過Origin軟件繪制擬合曲線,如圖3所示。

圖3 瓦斯流量擬合曲線

由圖3可知,Φ75mm、Φ94mm和Φ113mm抽采鉆孔的瓦斯流量衰減指數(shù)方程分別為:y=2.167 90e-0.01895x、y= 2.38536e-0.01967x、y= 2.89049e-0.02034x,決定性系數(shù)R2分別為:0.99678、0.99797和0.99675,說明抽采時間和抽采瓦斯量變化符合指數(shù)方程,具有相關(guān)性。抽采鉆孔直徑越大初始流量越大,隨著抽采持續(xù)時間的增加不同鉆孔直徑在90d時的抽采量差異不大。

4 有效半徑影響因素分析

通過將3.2節(jié)得到的瓦斯流量衰減方程進(jìn)行積分,計算持續(xù)抽采180d預(yù)抽鉆孔抽采量,分析不同抽采時間下的有效抽采半徑,如圖4所示。

圖4 不同孔徑鉆孔在不同抽采時間下累計抽采量

由圖4可知,同一鉆孔累計抽采量隨抽采時間的增加不斷增加,抽采初期抽采量增加速率較快,持續(xù)抽采時間增加抽采量增速不斷降低。相同抽采時間下,累計抽采量隨鉆孔直徑的增加不斷增加。通過2.2節(jié)的有效半徑計算方法,計算得到不用直徑鉆孔的有效抽采半徑如圖5所示。

圖5 鉆孔有效抽采半徑

由圖5可知,鉆孔有效抽采半徑隨時間增加而增加,開始抽采的前30d有效半徑增加最快,30d時Φ75mm、Φ94mm和Φ113mm有效半徑分別為1.67m、1.77m和2.00m;抽采60d時Φ75mm、Φ94mm和Φ113mm有效半徑分別為2.30m、2.44m和2.83m;抽采60d以后有效半徑增量變化較小,抽采至180d,抽采半徑分別為3.09m、3.27m和3.79m,30d至180d的抽采有效半徑增量小于前30d內(nèi)的有效半徑增量。說明鉆孔直徑越大,孔周卸壓范圍越大,更有利于煤層瓦斯抽采,在相同抽采時間內(nèi)能抽出更多的瓦斯,更好地保障抽采效果。

5 結(jié)論

(1) Φ75mm、Φ94mm和Φ113mm的抽采鉆孔的瓦斯流量衰減指數(shù)方程分別為:y=2.167 90e-0.01895x、y= 2.38536e-0.01967x、y= 2.89049e-0.02034x,決定性系數(shù)R2分別為:0.99678、0.99797和0.99675,抽采時間和抽采瓦斯量變化關(guān)系符合指數(shù)方程。

(2) 有效抽采半徑隨抽采時間和抽采鉆孔的直徑增大而增大,抽采初期增幅最大,抽采30d時,Φ75mm、Φ94mm和Φ113mm有效半徑分別為1.67m、1.77m和2.00m,抽采至180d,抽采半徑分別為3.09m、3.27m和3.79m,30d至180d的抽采有效半徑增量小于0d至30d內(nèi)的有效半徑增量。