“三软”低透气性突出煤层有效排放半径测定方法的探讨

贾泉敏

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院，重庆 400037)

煤与瓦斯突出是煤矿企业的重大灾害之一。当煤层预测有突出危险性时，应采取防治突出措施。《防治煤与瓦斯突出规定》第八十九条明确规定[1]：“……预抽钻孔或超前排放钻孔的孔数、孔底间距等应当根据钻孔的有效抽放或排放半径确定……”。因此，确定超前排放钻孔的有效排放半径对正确合理的设计超前排放钻孔具有重要的现实意义。

1 有效排放半径的概念、原理及测定方法

有效排放半径是指超前排放钻孔排放一定的时间后能消除突出的范围。 这个范围用以超前排放钻孔为中心的半径来表示。超前排放钻孔在一定的排放条件下，其有效排放半径是由排放瓦斯有效性指标和排放时间决定的。

目前，超前排放钻孔有效排放半径常用的测定方法主要有：钻孔瓦斯流量法和钻屑指标法。其中，钻屑指标包括钻屑量指标S与钻屑解吸指标K1或△h2。

两种方法测定超前排放钻孔有效排放半径的原理是相同的，即用测量钻孔的指标检验超前排放钻孔消除突出的影响范围。超前排放钻孔排放一定的时间后在其周围一定范围内形成一个卸压圈，卸压圈内的地应力大大降低、煤层的透气性增大、瓦斯也得到了进一步的释放，从而使超前排放钻孔周围形成了一个影响圈。在影响圈内，测量钻孔的瓦斯流量会增大、钻屑指标则会减小。影响圈的最大范围即此超前排放钻孔的有效排放半径[2]。

1.1 钻孔瓦斯流量法操作步骤

1)在掘进工作面的软分层中沿掘进方向施工3～5个相互平行的测量钻孔，孔径42mm，孔长8～10m，测量钻孔与超前排放钻孔的间距应根据试验工作面煤层的具体情况来确定，一般在0.3～0.5m之间，试验钻孔的布孔位置可参考图1。

2)每施工完一个测量钻孔，立即对其封孔，封孔时应保证测量室长度为1m，封孔长度一般不小于2m。

3)测量钻孔封孔完毕后，立即测定该钻孔的瓦斯流量，并每隔2～10min测定1次，每一个测量钻孔的测定次数不得小于5次。

4)在测量钻孔中心，平行于测量钻孔施工一个待考察的超前排放钻孔，在施工超前排放钻孔的过程中，记录其长度、施工时间和各测量钻孔中的瓦斯流量变化。

5)超前排放钻孔施工完毕后，在2h内每隔2～10min测定一次各测量钻孔的瓦斯流量。

1-超前排放钻孔；2、3、4、5-测量钻孔

6)绘制出各测量孔的瓦斯流量变化趋势图。

7)在施工完超前排放钻孔后，如果在同一测量钻孔内，连续3次测定的瓦斯流量都比施工超前排放钻孔前增大10%，即表明该测量孔处于超前排放钻孔的有效排放半径之内，符合此条件的测量孔距超前排放钻孔的最远距离，即为该超前排放钻孔的有效排放半径。

1.2 钻屑指标法操作步骤

1)沿垂直掘进工作面方向的软分层中施工一个预测钻孔(1#孔)，孔径42mm，孔长8～10m，在预测钻孔施工过程中，测定其每米的钻屑指标，试验钻孔的布孔位置可参考图2。

1-预测孔；2-测试孔；3-超前排放孔

2)预测钻孔测定结束后，将其扩大到超前排放钻孔的直径(3#孔)，进行扩孔排放。

3)按照实际生产要求，确定一定的排放时间(一般为2h)。当到达排放时间后，在该钻孔附近的软分层中施工一个与1#孔有一定角度的测试孔(2#孔)，并在施工过程中测定其每米的钻屑指标。

4)将2个钻孔同一深度范围内所测到的钻屑指标和两点的间距进行分析，当2#孔在第Nm后所测定的钻屑指标均小于1#孔同一深度所测得的指标时，则可确定钻孔在Nm处所对应的钻孔间距为超前排放钻孔的有效排放半径[2]。

2 有效排放半径现场测定情况及问题

2.1 试验地点煤层概况

测定地点选择在河南某矿区，该矿区煤层属于典型的“三软”低透气性突出煤层。煤层透气性系数在0.028～0.053 m2/MPa2·d-1之间，衰减系数在0.4026～0.727 d-1之间，煤层平均厚4.7m，层位稳定，结构简单。直接顶板多为泥岩及砂质泥岩，偶为粉砂岩或炭质泥岩；基本顶一般为中粒长石石英砂岩。直接底板以泥岩为主，偶为粉砂岩；基本底多为粉砂岩，偶为砂质泥岩或细粒砂岩。

在该矿区受采动影响较小的掘进工作面采用钻孔瓦斯流量法及钻屑指标法分别测定直径为75mm的超前排放钻孔的有效排放半径，测量钻孔直径为42mm，深度均为10m。

2.2 钻孔瓦斯流量法现场测定情况及问题

结合试验工作面煤层具体条件和实际生产经验，确定试验钻孔布置参数。具体钻孔布置参数见表1，钻孔布置图如图1所示。

表1 钻孔流量法测定有效排放半径钻孔布置参数表

为了保证测定精度，使用两台煤电钻同时施工。施工过程保证两台钻机不受影响，施工测量钻孔时间确保在30min内完成。测量钻孔施工完毕之后，应立即封孔并对其钻孔瓦斯流量进行测定。测定30min后施工超前排放钻孔(1#孔)，同时继续考察各测量钻孔瓦斯流量变化，超前排放钻孔施工完毕后，在2h内每隔2～10min测定一次各测量钻孔的瓦斯流量并绘制出各测量钻孔的瓦斯流量变化趋势图。具体操作步骤见上文。

现场发现的主要问题：

1)塌孔问题。试验地点煤质较软，极易出现塌孔现象，如果试验钻孔间距过小，会导致试验钻孔之间发生联通影响试验结果。

2)封孔问题。在“三软”煤层中采用胶囊封孔器封孔，因胶囊长度较短，钻孔卸压圈裂隙很容易泄露一部分瓦斯，从而影响试验钻孔瓦斯流量测定的准确性[3]。

3)测量仪器精度问题。该煤层透气性较低，瓦斯流量较小，要求瓦斯流量计有较高的测量精度。如果流量计测量精度太低，则测定结果会受很大的影响。

4)现场操作问题。试验所需设备和人员较多，测量钻孔施工完毕后，需同时观察其流量变化，现场操作较繁琐，用时较长。

2.3 钻屑指标法现场测定情况及问题

结合试验工作面煤层具体条件和实际生产经验，确定试验钻孔布置参数。具体钻孔布置参数见表2，钻孔布置图如图2所示。

表2 钻屑指标法测定排放半径钻孔参数表

为保证测定精度，施工钻孔时必须保证钻孔的倾角和夹角与设计保持一致。1#钻孔钻屑指标测定完毕后，将其扩至直径为75mm的排放钻孔，待排放一定时间(一般为2h)之后，开始测定2#钻孔的钻屑指标。具体操作步骤见上文。

现场发现的主要问题：

1)钻屑取样深度难以保证。钻屑是在钻孔施工过程中取得的，在孔口取得的煤样无法避免的会混入一些已经暴露的煤屑，而且钻孔越深，钻屑取样深度越难保证[4]。

2)钻孔的施工角度较难准确掌握。

3 对比分析

针对“三软”低透气性突出煤层，利用上述两种方法对直径为75mm的超前排放钻孔的有效排放半径分别进行了测定。从试验过程及试验准确度等方面分析，可以得出两种测定方法在该煤层中运用的优缺点。这两种方法的对比情况见表3。

表3 两种方法对比情况

由表3可知：在“三软”低透气性突出煤层中测定有效排放半径，这两种方法各有优缺点。但相对而言，钻屑指标法则更胜一筹。

4 结论及建议

1)有效排放半径是指超前排放钻孔排放一定的时间后能消除突出的范围，超前排放钻孔在一定的排放条件下，有效排放半径是由排放瓦斯有效性指标和排放时间决定的。

2)有效排放半径测定常用的方法有：钻孔瓦斯流量法和钻屑指标法。

3)在“三软”低透气性突出煤层中测定有效排放半径可优先选用钻屑指标法。

4)测定有效排放半径时，建议多做几组试验，以提高钻屑指标法的准确性。

[1] 国家安全生产监督管理总局,国家煤矿安全监察局.防治煤与瓦斯突出规定 [M].北京:煤炭工业出版社,2009.

[2] 周厚权，汪东，陈宾.钻屑指标法K1值测定煤层钻孔排放半径浅析[J].煤矿安全，2010(12)：82-83.

[3] 陈金玉，孔一繁.钻屑指标法测定瓦斯有效排放半径[J]煤，1995,4(6):46-48.

[4] 赵旭生，刘胜.钻屑瓦斯解吸指标K1值测定误差的影响因素[J].矿业安全与环保,2002,29(2)：3-5.