基于初始释放瓦斯膨胀能测定极限抽放半径技术研究

蒋承林冯晓波张松山王宁博冯超辉

（1.中国矿业大学安全工程学院，江苏省徐州市，221116；2.中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏省徐州市，221116；3.河南省新郑煤电有限责任公司，河南省郑州市，451184）

基于初始释放瓦斯膨胀能测定极限抽放半径技术研究

蒋承林1，2冯晓波1，2张松山1，2王宁博1，2冯超辉3

（1.中国矿业大学安全工程学院，江苏省徐州市，221116；2.中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏省徐州市，221116；3.河南省新郑煤电有限责任公司，河南省郑州市，451184）

为解决高瓦斯突出煤层预抽煤层瓦斯过程中存在抽放钻孔设计不合理易导致突出危险性未能消除的问题，通过对初始释放瓦斯膨胀能和瓦斯压力、瓦斯含量关系的分析，提出了基于初始释放瓦斯膨胀能测定钻孔极限抽放半径的新技术，并在高河煤矿进行了现场应用。结果表明基于初始释放瓦斯膨胀能测定钻孔极限抽放半径是一种简单有效的方法，高河煤矿3#煤层北翼西回风巷极限抽放时间为150 d，极限抽放半径为1.5 m。

初始释放瓦斯膨胀能 瓦斯含量 抽放时间 抽放半径

随着浅部煤炭资源的逐渐枯竭，煤炭开采逐渐进入深部开采阶段，煤与瓦斯突出灾害也愈加严重。预抽煤层瓦斯已成为突出矿井常用的消突措施，目前测定抽放半径主要采用相对压力法，它是以抽放效率大于或等于30%为检验指标，用压力与含量之间的抛物线关系得到抽放钻孔半径。而对于突出煤层或接近突出指标的高瓦斯煤层，由于其瓦斯含量高，当抽放效率大于30%时并不能保证煤层不存在突出危险性。

突出煤层或接近突出指标的高瓦斯煤层，预抽期比较长，若抽放间距过大，容易形成抽放盲区，若抽放间距过小，则造成人力和物力资源的巨大浪费，抽放钻孔间距的确定必须以极限抽放半径为基础，由此笔者提出以初始释放瓦斯膨胀能作为抽放效果检验指标，由初始释放瓦斯膨胀能与瓦斯压力和瓦斯含量的关系建立测定极限抽放半径的新方法。

1　测定原理

钻孔在预抽煤层瓦斯时，在煤层瓦斯压力和负压的共同作用下，钻孔周围煤体中的瓦斯不断进入钻孔被抽走，形成以钻孔中线为轴心的类似圆形的卸压圈，卸压圈的半径称之为抽放影响半径；随着抽放时间的延长，抽放影响半径会逐渐加大，直到煤层瓦斯压力与孔底负压之差不足以克服深部煤体瓦斯运移到钻孔的阻力时为止，至此达到极限抽放影响半径。在这个极限影响范围内有一部分区域消除了煤与瓦斯突出危险性，这部分区域为有效区域，其半径为极限抽放半径。

1.1极限抽放时间

抽放半径是关于抽放时间的函数，因此极限抽放半径的确定要以极限抽放时间为基础。根据煤层瓦斯流动理论，钻孔瓦斯流量随着时间的延长逐渐衰减，钻孔瓦斯流量的变化规律基本上符合负指数函数，即百米钻孔瓦斯流量函数为:

式中:q0——抽放钻孔初始瓦斯流量，m3/min；

a——抽放钻孔瓦斯流量衰减系数，d-1；

t——抽放钻孔抽放时间，d。

钻孔累计抽放瓦斯总量与时间的关系可表示为:

式中:Q0——抽放钻孔极限抽放瓦斯量，m3；

Q1——抽放钻孔累计抽放瓦斯量，m3。

随着抽放时间越来越接近极限抽放时间T，累计抽放量Q1也越来越接近极限抽放量Q0，为评价抽放的有效性，定义一个抽放有效性系数N:

式中:N——抽放有效性系数。

取N=95%，由式（3）可得极限抽放时间T:

式中:T——极限抽放时间，d。

1.2极限抽放半径

《防治煤与瓦斯突出规定》规定残余瓦斯压力小于0.74 MPa或残余瓦斯含量小于8 m3/t为无突出危险区。但是突出的发生不仅仅与瓦斯压力或瓦斯含量有关，还与地应力和煤的强度有关，因此采用单一指标不能准确确定煤层是否具有突出危险性。

蒋承林提出的煤与瓦斯突出的球壳失稳理论中，初始释放瓦斯膨胀能综合反映了地应力、瓦斯压力及煤体强度在突出中的作用，能够更加合理地表征突出危险性，可用其作为控制极限抽放半径的指标。

采用初始释放瓦斯膨胀能作为控制指标并不方便，要根据煤层内的残余瓦斯压力多次做试验才能确定其初始释放瓦斯膨胀能，如果获得了煤样的初始释放瓦斯膨胀能与瓦斯压力之间的变化规律，根据发生突出的初始释放瓦斯膨胀能临界值反推抽放半径边界的安全残余瓦斯压力值，从而为极限抽放半径的确定提供了基础。研究表明，初始释放瓦斯膨胀能与瓦斯压力呈正比关系:

式中:WP——单位质量煤样初始释放瓦斯膨胀能，mJ/g；

P——煤层瓦斯压力，MPa；

K——与煤的破坏程度有关系数，mJ/（g·MPa）。

煤层瓦斯压力的测定对封孔质量要求高，并且各孔之间还能相互影响，因此其测定是比较困难的。在保证工业应用误差允许前提下，采用周世宁院士提出的抛物线方程来近似取代煤层瓦斯压力曲线，即:

式中:X——煤层瓦斯含量，m3/t；

α——煤层瓦斯含量系数，m3/（t· MPa0.5）。

为得到初始释放瓦斯膨胀能与瓦斯含量的关系，将式（5）代入式（6）得:

根据蒋承林对突出危险性的划分，初始释放瓦斯膨胀能达到42.98 mJ/g是发生弱突出的临界值，将其代入式（7）即可得到控制极限抽放半径的安全临界瓦斯含量。

在抽放时间达到极限抽放时间T时，在抽放钻孔周围施工多个与抽放钻孔参数相同的取样钻孔，测定煤样的瓦斯含量。如果取样钻孔的瓦斯含量小于安全临界瓦斯含量，则说明该取样孔在抽放钻孔的抽放半径内，直到找出离抽放钻孔最远的瓦斯含量小于安全临界值的取样钻孔，该钻孔到抽放钻孔的距离即为极限抽放半径。

2　现场实测

2.1安全临界瓦斯含量确定

高河煤矿为近水平煤层，平均煤层厚度6.71 m，属于厚煤层，局部地区为特厚煤层，该煤层全区可采，厚度变化不大，属稳定型煤层，瓦斯抽放主要以顺层钻孔为主。高河煤矿3#煤层突出危险性区域划分结果表明，3#煤层的北西部瓦斯含量和初始释放瓦斯膨胀能接近临界值，为非突出向突出的过渡区，因此选定3#煤层的北翼西回风巷进行抽放半径的试验。

首先在巷道壁上施工一个测压兼取样钻孔1，方位角90°，倾角5°，钻孔长度20 m，开孔位置距底板1 m。钻孔打完之后立即取煤样，在取样过程中，取样器内管中的圆柱状煤样将保留地应力作用的痕迹，将取得的煤样装入不透气的煤样袋中保存，注意在运送的过程中不被破坏。到达实验室后，即可进行瓦斯参数的测定。

取煤样完成之后，可采用中国矿业大学研制的胶囊黏液封孔器封孔进行测压。测得煤样瓦斯放散初速度为10.8 m L/s，坚固性系数0.43，瓦斯压力0.77 MPa，瓦斯含量系数7.55 m3/（t· MPa0.5），破坏类型Ⅲ。

为测定煤样在不同瓦斯压力下的初始释放瓦斯膨胀能，在0～2 MPa范围内选取9个不同压力点对煤样进行充气吸附平衡和测定。单位煤样初始释放瓦斯膨胀能与煤层瓦斯压力关系式为:

即K=67.082 mJ/（g·MPa），R2=0.9921，相关系数为0.9921表明高河煤矿3#煤层北翼西回风巷煤样的初始释放瓦斯膨胀能与瓦斯压力是密切相关的，K值是合理的。对测定的数据进行拟合得到图1。

图1　高河煤矿3#煤层煤层瓦斯压力与瓦斯膨胀能关系曲线

现场测得3#煤层瓦斯压力为0.77 MPa，由式（8）得到其对应的膨胀能为51.65 mJ/g，因其大于临界值42.98 mJ/g，有突出危险性。为避免生产过程中发生突出，在开采前应预抽瓦斯，将瓦斯含量降到安全临界瓦斯含量以下。

将K=67.082 mJ/（g·MPa），α=7.55 m3/（t·MPa0.5），Wp=42.98 mJ/g代入式（7）得到安全临界瓦斯含量X=6.04 m3/t。

2.2极限抽放时间的确定

在1号孔测压完成后按照抽放钻孔的封孔方式进行封孔，封孔方式采用合成树脂与水泥浆加压注浆联合封孔，封孔完毕后立即与抽放管路连接进行抽放，1 h后测定瓦斯纯流量。由于单孔瓦斯抽采流量衰减缓慢且波动较大，每隔5 d测定一次单孔瓦斯流量，取当天3班所测瓦斯流量的平均值为当天瓦斯纯流量。瓦斯流量的观察时间一般为2～3个月，本次观测80 d，测定结果按负指数关系拟合曲线如图2。

图2　抽放钻孔抽放时间与瓦斯纯流量关系曲线

由拟合结果可知a=0.02 d-1，由式（4）得到极限抽放时间T=150 d。

2.3极限抽放半径的确定

在1号孔抽放150 d之后，在1号钻孔两侧施工7个取样钻孔，如图3所示，2，3，…，8都为取样孔，除1号和2号取样孔间距为0.5 m外，其余取样孔间距都为1 m，设计参数同1号钻孔。

图3　测量钻孔与抽放钻孔之间的位置关系

测定2～8号取样钻孔的新鲜煤样的瓦斯含量，分别为4.4274 m3/t、5.3631 m3/t、5.9028 m3/t、6.3730 m3/t、6.6952 m3/t、6.7607 m3/t、6.9536 m3/t。由以上瓦斯含量数值可以看出，2～4号取样孔煤样瓦斯含量小于安全临界瓦斯含量6.04 m3/t，而5～8号取样孔煤样瓦斯含量则大于6.04 m3/t，因此高河煤矿3#煤层北翼西回风巷抽放钻孔的极限抽放半径确定为1.5 m。

3　结论

（1）通过基于初始释放瓦斯膨胀能测定极限抽放半径的技术，测定高河煤矿3#煤层北翼西回风巷抽放钻孔的极限抽放半径确定为1.5 m，极限抽放时间为150 d，为高河煤矿瓦斯抽放的设计提供指导性参数。

（2）基于初始释放瓦斯膨胀能测定极限抽放半径的技术，避免了以抽放效率为指标测定抽放半径的弊端，能够更好地达到预抽煤层瓦斯的目的，即消除突出危险性。

（3）与相对压力法测定抽放半径相比，该方法更容易操作，结果更加准确，钻孔之间不存在相互影响，避免了相对压力法中封孔不严导致压力下降对测定结果的影响。

［1］ 曹召丹，林柏泉，赵世伟等.基于钻孔影响半径的保护层卸压效果考察［J］.中国煤炭，2012（5）

［2］ 袁亮.瓦斯治理理念和煤与瓦斯共采技术 ［J］.中国煤炭，2010（6）

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［6］ 蒋承林，王智立，李晓伟.穿层钻孔有效排放半径测定新方法［J］.矿业安全与环保，2014（3）

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（责任编辑 张艳华）

2014年全国煤炭产量超公告能力6.1亿t

日前，国家发改委经济运行调节局副局长鲁俊岭在国家发改委召开的媒体通气会上表示，煤矿违法违规建设和生产的问题比较突出。据有关部门统计，2014年全国煤炭产量超公告能力6.1亿t，此外，违法违规建设煤矿总规模还有约7亿t/a，部分煤矿不安全生产等行为尚未完全得到制止。

鲁俊岭指出，这些问题既扰乱了正常的市场秩序，也加剧了市场供需失衡矛盾，成为制约煤炭行业走出困境和实现健康持续发展的一个重要原因。鲁俊岭表示，2014年下半年，我国围绕制止煤矿违法违规建设生产和超能力生产、限制劣质煤流通使用等方面，采取了一系列措施，取得一定成效。2015年上半年，全国煤炭产量减少1.1亿t。

他强调，在当前煤炭市场供大于求矛盾突出的情况下，仍有部分煤矿严重超能力生产，以量补价，恶性竞争，加剧了市场供需失衡，损害了行业整体利益。为了从源头上遏制部分企业产量逆势扩张、依法调控供应总量，迫切需要采取措施，通过规范治理建设生产秩序，把违法违规的产量降下来。

Study on the technique for determination of the ultimate drainage radius based on the initial releasing gas expansion energy

Jiang Chenglin1，2，Fen Xiaobo1，2，Zhang Songshan1，2，Wang Ningbo1，2，Fen Chaohui3
（1.School of Safety Engineering of China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2.The Ministry of Education Key Laboratory of Gas and Fire Control for Coal Mines，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；3.Henan Xinzheng Coal and Power Co.，Ltd.，Zhengzhou，Henan 451184，China）

To solve the problem that the unreasonable design of the gas drainage hole is prone to causing the gas outburst in the process of gas pre-drainage in the high and outburst coal seam.The relations between the initially releasing gas expansion energy，gas pressure and gas content were analyzed.A new technique for the determination of the ultimate gas drainage radius was put forward based on the initially releasing gas expansion energy and carried out in Gaohe Coal Mine.The results show that this technique is simple and effective，and the ultimate gas drainage time is 150 d and the maximum drainage radius is 1.5 m for west air return roadway of north wing of No.3 coal seam in Gaohe Coal Mine.

initially releasing gas expansion energy，gas content，gas drainage time，gas drainage radius

D712.6

A

蒋承林（1956-），男，安徽黄山人，教授，博士生导师，主要从事煤与瓦斯突出机理及防治技术方面的研究工作。