李村煤矿顺层钻孔有效抽采半径的测定

2015-01-13王永升

山西焦煤科技 2015年7期

王永升

(河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作 454003)

开采保护层与预抽煤层瓦斯是《防治煤与瓦斯突出规定》中最主要的区域防突措施［1］，但是随着大多数矿井开采深度增加，有些矿井的保护层开采难度增大或转变为不具有开采保护层条件的煤层，预抽煤层瓦斯现已成为许多矿井治理煤层瓦斯的主要技术措施。抽采钻孔间距是布置预抽钻孔的主要参数，钻孔间距过大会使预抽段留有抽采空白带，对煤矿安全生产造成威胁;钻孔间距过小施工时容易发生串孔并且增加抽采钻孔施工数量及煤炭开采成本，加剧工作面接替紧张的局面。为了实现抽采钻孔设计和施工的合理性，提高抽采钻孔的利用率，准确地测定抽采钻孔有效抽采半径对煤矿瓦斯治理与利用具有十分重要的意义。

1 钻孔有效抽采半径测定方法

1.1 钻孔有效抽采半径定义

煤层内瓦斯主要以吸附态和游离态存在，游离态瓦斯仅占5% ～12%，煤层不受采动影响时两种状态瓦斯处于动态平衡，当煤层受采动影响或者抽采时吸附态可以转化为游离态瓦斯［2］. 抽采钻孔在抽放煤层瓦斯时，在抽采钻孔负压和煤层原始瓦斯压力的作用下，钻孔影响半径范围内游离态瓦斯在压力差的作用下沿煤体的裂隙通道运移至抽采钻孔，并经抽采管路排出;煤体内吸附态瓦斯开始解吸，一部分吸附态瓦斯转变为游离态瓦斯，也通过抽采管路排出。抽采钻孔一定影响范围内煤层的瓦斯解吸与排放使煤体瓦斯含量降低、瓦斯压力下降，从而形成一个以抽采钻孔为中心的类似圆形的抽放影响圈，随着钻孔抽采时间的延长，抽采影响圈也在增大，直到当煤层瓦斯压力与抽放负压的动力不能克服煤层瓦斯运移到抽采钻孔阻力时为止。钻孔有效抽采半径就是指在规定抽采时间内以抽采钻孔为圆心，该半径范围内的瓦斯压力与瓦斯含量降低到安全容许值的半径值［3］.

1.2 钻孔有效抽采半径的测定方法

现场钻孔测定法与计算机模拟法是目前应用最多的钻孔瓦斯抽采半径的测定方法。

现场钻孔测定法:在测定区域煤层施工一定数量的测定钻孔，通过考察距离抽采钻孔不同范围的特定参数的数值变化来确定有效抽采半径。可根据不同的地质条件选择不同的测定参数，常用的测定参数有煤层瓦斯压力、钻孔瓦斯流量、惰性气体SF6浓度等。赵楠，季淮君等采用了压降法对芦岭煤矿8 号煤层瓦斯抽采半径进行试验研究［4］.辛明利用SF6示踪气体测定技术对朱集煤矿瓦斯抽采半径进行了现场测定，并得出该矿井钻孔瓦斯抽采半径可达5 m［5］.

计算机模拟法:以达西定律为基础，建立钻孔内瓦斯流动模型来模拟抽采钻孔周围瓦斯流动情况，并编制解算程序，可计算出一定抽采时间时对应的有效抽采半径。王兆丰，周少华等提出了利用变系数非线性瓦斯渗流方程测定瓦斯抽采半径的方法，结果表明此方法可计算出不同抽采方式和不同抽采时间情况下的抽采半径［6］.

1.3 测定方法的选择

现场钻孔测定法能准确反映测定区域钻孔有效抽采半径，但是现场施工难度较大，测定结果容易受施工人员的操作失误影响;现场实测的结论仅适用于测定区域煤层，不能用于不同条件的瓦斯地质区域，成本较高。

计算机模拟法能模拟瓦斯抽采过程中不同抽采时间、煤层渗透率、抽采负压、原始煤层瓦斯压力及钻孔直径的抽采半径的变化，可根据不同煤层地质条件更改模型参数，适用性强。但是模拟时将模型理想化，未考虑含瓦斯煤的流变特性，边界条件和参数的设置不够精确，可能没有考虑其他外界因素的影响，模拟出的抽采半径与实际情况有偏差［7］.

经比较分析，此次有效抽采半径测定选择现场测定法并选取压力降低指标作为考察参数，该方法能够把抽放负压、抽放半径、抽放时间等参数紧密结合起来，实用性强，不易受外界因素影响。

1.4 压力降低指标的选取

2 现场测定有效抽采半径

2.1 测定工作面概况

测定地点位于潞安集团李村煤矿1303 进风巷，测点煤层顶板为深灰色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，底板为黑色泥岩、砂质泥岩，深灰色粉砂岩，煤层平均厚4.76 m.煤层层位稳定，结构简单，厚度变异系数为0.24，可采系数为100%，属稳定的可采煤层，煤层呈一单斜构造，倾角一般3° ～8°，为近水平煤层。测点区域实测煤层瓦斯压力为0.62 MPa，实测最大煤层瓦斯含量最大值为10.96 m3/t，煤体普氏系数f 值为0.74，瓦斯放散初速度ΔP 为14. 煤尘有爆炸危险性，煤层属于不易自燃煤层，该区域为地温正常区。

2.2 测定钻孔布置

测定钻孔的布置方法分为平行钻孔布置和圆周钻孔布置法，依据测定地点地质条件本次测定选择平行钻孔的测定方法。共设计施工7 个测定钻孔，一个抽采瓦斯钻孔B0，6 个压力观测钻孔B1 ～B6，6 个测压钻孔距离抽采钻孔分别为1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m.钻孔均位于同一水平面上，距煤层底板高度均为1.4 m，钻孔方位为垂直煤壁。有效抽采半径测定钻孔施工参数见表1，钻孔布置方式见图1.

表1 钻孔施工参数表

图1 测定钻孔布置示意图

2.3 测定钻孔施工顺序

1)首先施工压力观测钻孔B1 ～B6，严格按照钻孔设计参数施工，并保证各个钻孔平直、孔形完整、方位角相同、钻孔深度达到要求。

2)施工完1 个压力观测钻孔后，立即进行封孔，此次测定采用膨胀水泥和聚氨酯综合封孔工艺，封孔深度30 m，封孔24 h 后安装量程为1.0 MPa 抗震压力表并每天观测压力表读数，封孔1 个后再施工下一个钻孔，要保证每一个钻孔的封孔质量。

3)每天观测6 个压力观测钻孔压力表读数并记录直到压力表读数均稳定，并将每个压力表读数稳定时的压力值作为其钻孔的原始瓦斯压力值，压力值稳定一般需要15 ～20 天。

4)施工瓦斯抽采钻孔B0，施工完毕立即进行封孔并接入抽采管路进行24 h 不间断抽采，抽采期间每天相同时间观测各个压力表数值并记录，连续观测60 天，并绘制每个钻孔瓦斯压力变化曲线图。

3 测定结果与分析

在抽采负压为17 kPa 的抽采参数下，连续观测并记录每个压力观测钻孔每天压力值数据，现将观测钻孔压力值变化情况绘制成曲线并分析，压力值变化曲线见图2，钻孔压力下降幅度见表2.

图2 压力观测钻孔压力值变化曲线图

表2 压力观测钻孔压力下降幅度表

由图2、表2 可以看出:

1)B1 观测钻孔距离抽采钻孔B0 孔1 m，瓦斯压力在抽采第33 天由0.58 MPa 下降至0.28 MPa，下降了52%，说明在抽采33 天的情况下，钻孔的有效抽采半径达到1 m.

2)B2 观测钻孔距离抽采孔B0 孔1.5 m，抽采58 天后瓦斯压力由0.34 MPa 下降至0.16 MPa，下降了52%.说明在抽采58 天的情况下，钻孔的有效抽采半径未达到1.5 m;B3、B4、B5、B6 观测钻孔距离抽采孔B0 孔分别为2 m、2.5 m、3 m、3.5 m，瓦斯压力值在抽采第60 天分别下降了37%、36%、13%、12%，均未达到51%，说明在抽采60 天的情况下，钻孔的有效抽采半径未达到2 m.

3)观测钻孔压力值呈整体下降趋势，距离抽采孔较近的钻孔下降幅度明显比距离较远钻孔大;随着抽采时间的延长抽采钻孔影响范围越大，但是随着抽采时间的延长压力下降的幅度变小。

4)由图2 可观察出抽采40 d 后各曲线下降幅度均明显变小，瓦斯抽采效果已不理想，此时可考虑实施煤层增透措施，增加煤层透气性，强化瓦斯抽采效果。