基于抽采瓦斯量测定地面钻孔有效半径研究

张树川, 张文清, 李重情

(1.安徽理工大学能源与安全学院，安徽　淮南　232001；2.安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽　淮南　232001)



基于抽采瓦斯量测定地面钻孔有效半径研究

张树川, 张文清, 李重情

(1.安徽理工大学能源与安全学院，安徽淮南232001；2.安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽淮南232001)

摘要：为了准确考察保护层开采条件下被保护层地面钻孔有效抽采半径，从而为合理布置地面钻孔提供依据，对现有测定地面钻孔有效半径存在的问题进行了分析。基于瓦斯流动理论和煤层瓦斯抽采量、抽采率等在防治煤与瓦斯突出等瓦斯灾害以及煤层气开发和利用的要求，在保证煤层瓦斯预抽率大于等于30%和煤层瓦斯含量小于等于8 m3/t条件下，提出了基于考察地面钻孔抽采瓦斯量测定地面钻孔有效半径的新方法，接下来应用该方法对地面钻孔有效抽采半径进行了计算。研究结果表明：基于钻孔瓦斯抽采量测试新集一矿北中央采区131105工作面地面1#、2#、3#和4#钻孔有效抽采半径分别为85 m、55 m、75 m和115 m，并验证了示踪技术法测定的地面钻孔有效抽采范围内抽采指标不达标。

关键词：抽采瓦斯量；地面钻孔；有效半径；保护层开采

基金资助：国家自然科学基金资助项目(51474009)

瓦斯抽采是为了降低煤层瓦斯压力和含量，继而防治煤与瓦斯突出等瓦斯灾害事故的发生和开发利用煤层气[1]。钻孔预抽是抽采瓦斯的主要方式，按照空间位置可分为地面钻孔抽放和井下布孔抽放2种[2]。地面钻孔抽放方式是由地面向开采煤层本煤层或采空区或邻近煤层即采动区打钻抽放瓦斯。我国大部分矿区煤层受构造挤压和剪切应力的作用，煤层原生结构遭到破坏而形成构造，煤质松软，煤层透气性系数低，多为10-3～10 m2/(MPa2.d)，利用地面钻孔抽采原始煤体瓦斯较困难。提高钻孔抽采瓦斯量的关键在于如何提高煤层的透气性系数[3]。保护层开采具有“卸压增透增流”效应[4]。进入本世纪以来，淮南、淮北、平顶山、宁煤等矿区都已开展了地面钻孔结合保护层开采抽采采动区瓦斯技术的应用，取得了较好的效果。当地面钻孔间距过大，容易存在未预抽区域或抽采指标不达标区域；地面钻孔间距过小，造成抽采费用的提高。准确测定地面钻孔有效半径是地面钻孔抽采瓦斯关键技术之一[5]。本文以新集一矿北中央采区131105工作面地面钻孔结合保护层开采为例，基于地面钻孔抽采瓦斯量测定瓦斯抽采有效半径的新方法，测算了地面钻孔有效抽采半径，研究结果为在相同或相近地质条件、开采条件和抽采条件下合理确定布孔方案提供参考。

1测试技术

地面钻孔瓦斯有效抽采半径测定方法主要分为瓦斯压力降低法[6-7]、示踪气体法[8]和数值模拟计算[9-11]等。利用瓦斯压力降低法或示踪气体法测试地面钻孔抽采采动区卸压瓦斯半径如图1和图2所示。

瓦斯压力降低法的关键，在于测试考察孔压力变化情况是否能准确的反应煤体瓦斯在钻孔抽采下的变化情况。由于该方法需施工一定量的钻孔，工程量较大，而考察孔瓦斯压力受采动、钻孔孔径、封孔长度和质量、围岩煤体力学特性、水文地质条件等诸多因素影响，要准确的测定煤体瓦斯在钻孔抽采下压力的变化存在一定的测试难度。示踪气体法的关键，在于准确分析在一定时间内采集到采样点气样是否具有相应释放的示踪气体。该方法受示踪气体理化特性，钻孔施工质量，释放、采样过程，分析仪器检验精度和人为主观因素等方面影响较大。同时以“在采集气样中发现相应释放示踪气体，则认为采样孔的范围为钻孔抽采有效半径以内”作为抽采有效半径的测定缺乏理论依据。相对于上述两种方法而言，数值模拟计算法可以方便、快速地确定有效抽采半径，但其计算模型的建立和边界条件的设定在一定假设前提下具有经验性，未能或不能全面的考虑煤体本质特征、煤的软化变形和扩容特征、钻孔煤的蠕变变形钻孔和周围煤体与瓦斯气固耦合作用等[12]。由于上述研究方法存在一定的问题，需要研究新方法来准确可靠可行测定地面钻孔有效抽采半径。

2基于抽采瓦斯量测试技术

2.1　有效抽采半径判定指标

钻孔有效抽采半径判定指标，即瓦斯抽采达标的相关指标有煤层残余瓦斯含量降到8 m3/t和残余瓦斯压力降到0.74 MPa以下，瓦斯预抽率大于等于30%[13-15]。工程应用中，通常选取上述3个指标中的一个或多个。

由于煤层瓦斯含量和瓦斯压力基本呈抛物线关系，工程实践中，常用抛物线方程来取代煤层瓦斯含量曲线，即煤层瓦斯含量按下式计算：

(1)

式中：X为煤层瓦斯含量，m3/t；α为煤层瓦斯含量系数，m3/(t·MPa1/2)；P为煤层绝对瓦斯压力，MPa。

预抽率和瓦斯瓦斯含量、 残余瓦斯压力关系如下：

(2)

式中：η为瓦斯预抽率，%；Xc为残余瓦斯含量，m3/t；Pc为残余瓦斯压力，MPa。

取残余瓦斯含量为8 m3/t、残余瓦斯压力为0.74 MPa时，由式(2)推出煤层瓦斯预抽率和原始瓦斯含量、原始瓦斯压力耦合关系(见图3)。预抽率为30%时，煤层原始瓦斯含量为11.3 m3/t，煤层原始瓦斯压力为1.5 MPa。为满足防突指标要求，当煤层原始瓦斯含量、原始瓦斯压力分别大于11.3 m3/t、1.5 MPa时，煤层瓦斯预抽率须相应提高。

2.2　基于抽采量测定方法

煤层瓦斯预抽率满足：

(3)

式中：η为煤层瓦斯预抽率；Qc为钻孔抽采瓦斯量，m3；Q为钻孔有效抽采范围内煤体瓦斯储量，m3。

预抽煤层瓦斯后残余瓦斯含量：

Xc=X-Qc/Z≤8m3/t

(4)

式中：Z为钻孔有效抽采范围内煤量，t；

被保护层在倾斜和走向方向保护范围受保护层开采范围、层间距离、保护层开采厚度、层间岩性等影响而不同。在被保护范围内煤体充分泄压，煤层透气性系数大大增大，可达上千倍。而煤层透气性系数是影响钻孔抽采瓦斯量的关键，假设地面钻孔抽采瓦斯全部来源于保护层开采后被保护范围内的煤层瓦斯，建立地面钻孔抽采瓦斯模型(见图4)。

钻孔有效半径范围内煤体瓦斯储量可按下式计算：

Q=

(5)

式中：r为有效抽采半径，m；l为钻孔见煤厚度，m；γ为煤容重， t/m3；X为煤层原始瓦斯含量， m3/t；w为被保护层倾向方向保护范围，m；。

3技术现场应用

3.1　试验区概况

新集一矿131105工作面作为保护层，保护上方平均垂距70 m的131305工作面，布置4个地面钻孔抽采煤层卸压瓦斯。走向方向1#钻孔位于131105工作面开切眼以东125 m，2#、3#、4#钻孔分别依次向东布置，钻孔间距200 m，倾斜方向上布置在工作面倾向的中心线上，钻孔穿13煤。煤层平均厚度6.0 m，煤层瓦斯压力为3.1 MPa，煤层瓦斯含量为13.37 m3/t，煤的容重为1.27 t/m3。

3.2　地面钻孔抽采量测定

工程实践中测试地面钻孔抽采瓦斯量是在地面抽采管路安装流量计测试(见图5)。通过地面钻孔抽采管理流量计、瓦斯浓度测试装置等可以测试出不同抽采时间范围内抽采瓦斯混合流量、瓦斯浓度、抽采负压等，继而求出抽采瓦斯纯量。

地面钻孔抽采瓦斯量受到地段地质构造、煤层赋存情况、被保护层采动卸压情况、抽采泵工作负压等影响。经地面钻孔地面抽采管路孔板流量计测试1#、2#、3#和4#地面钻孔，分别抽采1 307 km3、375 km3、 681 km3和2 039 km3瓦斯，共抽采瓦斯4 403 km3。地面钻孔抽采瓦斯量和抽采时间关系如图6所示。由测定数据知，4个地面钻孔抽采瓦斯量不同，4#地面钻孔最大，2#地面钻孔最小，4个地面钻孔平均抽采瓦斯量为1 101 km3。地面钻孔月平均抽采瓦斯量是一个初起期、发展期、最大期和衰减稳定期等山峰型过程，近似形如 “Λ”。主要由于地面钻孔抽采瓦斯是在保护层开采的条件下进行的，随着保护层工作面推进，被保护层任一点煤层的透气性系数经历原始值→低于原始值→最大值→卸压稳定值(大于原始值)的过程[16](见图7)。在抽采条件不变的情况下，煤层透气性系数变化反应了钻孔瓦斯抽采量的变化。

3.3　技术应用

文献[17]通过释放SF6示踪气体测定了该试验区地面钻孔倾斜方向抽采半径为160 m以上，文献[18]计算了该试验区被保护层倾斜方向的保护范围为130 m。地面钻孔抽采半径取为160 m，被保护层倾斜卸压保护范围130 m，利用式(3)～式(5)计算地面钻孔抽采有效保护范围内煤层瓦斯抽采率和残余瓦斯含量如表1所示。

表1　抽采半径160 m范围内地面钻孔抽采指标

由表1可知，在上述计算范围内煤层瓦斯的抽采率小于30%和残余瓦斯含量大于8 m3/t，瓦斯抽采不达标。示踪法测定抽采半径认为“在采集气样中发现相应释放示踪气体，则认为释放孔和采样孔距离为钻孔抽采有效半径以内”，该方法缺乏系统的理论依据。

表2　满足抽采指标地面钻孔抽采半径计算

由表2知，地面钻孔有效抽采半径不同，其中4#地面钻孔有效抽采半径最大为115 m，2#地面钻孔有效抽采半径最小为55 m。导致有效抽采半径不同的原因有：① 煤是各向异性非均匀介质，同一煤层不同工作面，同一工作面不同位置，煤体原始瓦斯压力、透气性系数和煤层瓦斯含量系数等均存在一定的差异；② 地面钻孔的有效作用时间不同；③ 保护层开采导致被保护层卸压效果不同；④ 地面钻孔施工质量、成孔效果；⑤ 地面钻孔抽采管路阻力大小、抽采泵负压及作用时间；⑥ 煤矿井下其他瓦斯治理工程；⑦ 瓦斯流量计量装置精度。

4结论

1) 提出基于地面钻孔抽采瓦斯量测定地面钻孔有效抽采半径的方法，即通过地面安装管路安装瓦斯流量计，用测定地面抽采钻孔抽采瓦斯量来确定地面钻孔的有效抽采半径。

3) 利用提出的地面钻孔有效抽采半径技术，验证了示踪技术法测定的地面钻孔抽采有效半径范围内煤层瓦斯预抽率和煤层瓦斯含量不达标，示踪技术法测定钻孔有效抽采半径理论研究上需进一步完善。

参考文献：

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[17]张树川，朱丹.远距离被保护层被保护区域预抽瓦斯效果研究[J].中国安全生产科学技术，2014(7)：32-37.

[18]张树川，刘泽功，戴广龙，等.基于示踪技术的地面钻孔抽采卸压瓦斯影响范围研究[J].煤矿安全，2014(9)：1-3.

(责任编辑：何学华，吴晓红)

Study on Effective Drainage Radius of Surface Borehole Based on Gas Drainage Quantity

ZHANG Shu-chuan, ZHANG Wen-qing, LI Zhong-qing

(1.School of Energy and Safety, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China；2. Key Laboratory of Safe and Effective Coal Mining (Anhui University of Science and Technology)，Ministry of Education, Huainan Anhui 232001,China)

Abstract:In order to accurately investigate the effective drainage radius of surface boreholes in the protected coal seam under the condition of protective layer mining and provide a basis for rational arrangement of surface boreholes, the existing problem of effective radius measurement of surface borehole was analyzed. Based on gas flow theory and requirements of coal and gas outburst and other gas disasters prevention and coalbed gas exploitation and utilization, such as drainage quantity, drainage rate, a new method is proposed to measure the effective radius of surface borehole, under the conditions of assurance of coal gas pre-drainage rate of more than 30% and coal seam gas content less than or equal to 8 m3/t. The effective drainage radius of the surface borehole was calculated by using the method. The results showed that the effective drainage radius of 1#, 2#, 3# and 4# surface boreholes in No.131105 working face in the Northern Central District of Xiji No.1 Coal Mine based on the test of gas quantity drained from surface boreholes respectively is 85 m, 55 m, 75 m and 115 m. It was verified that the drainage parameters of the surface boreholes in the effective drainage range measured by tracing technique method are not up to the standard.

Key words:gas drainage quantity; surface borehole; effective drainage radius; protective layer mining

作者简介：张树川(1979-)，男，辽宁辽阳人，讲师，在读博士，研究方向：安全科学与工程。

收稿日期：2015-03-18

中图分类号：TD713.3

文献标志码：A

文章编号：1672-1098(2015)04-0001-05