突出危险性煤层瓦斯抽采长钻孔合理间距的确定

王雪芹，郑 雷

(乌海职业技术学院，内蒙古 乌海 016000)

突出危险性煤层瓦斯抽采长钻孔合理间距的确定

王雪芹，郑 雷

(乌海职业技术学院，内蒙古 乌海 016000)

为了确定具有突出危险性煤层瓦斯抽采走向长钻孔的合理间距，选择试验场地后利用六氟化硫气体示踪法测定抽放影响范围，通过对现场施工示踪气体注气钻孔进行连续对比观测和分析，确定了瓦斯抽采走向长钻孔在具有突出危险性煤层中布置的合理间距，为科学布孔提供了依据，避免了瓦斯抽放空白带的出现，防突效果明显。

瓦斯抽采； 突出危险性； 长钻孔； 合理间距

1 前言

在具有突出危险性煤层进行开采之前，需要先进行煤层瓦斯的预抽工作，降低其瓦斯涌出量，以便在煤炭开采时能够有效地避免或消除各种瓦斯事故，进而保证矿井的安全生产[1]。根据煤层内瓦斯流动的特性，钻孔瓦斯径向流动可用式(1)来表示：

(1)

在前人的理论研究当中，钻孔瓦斯流量Q与煤层厚度M、煤层透气性系数λ、煤层原始瓦斯压力p0、钻孔内瓦斯压力pr0、标准大气压力pb、钻孔半径r0、抽放半径R等因素有关。在式(1)中，若增大钻孔孔径，能够起到增加瓦斯抽放量的效果，但它们之间的增加关系非常缓慢[2]，而实际现场施工中又不可能无限扩大钻孔孔径，这样做费工费时且难以实现。还有一种方法是利用提高抽放负压来增加抽采率[3]，则根据式(1)，由于煤层原始瓦斯压力和钻孔内瓦斯压力都与钻孔瓦斯流量成正比，而煤层原始瓦斯压力要比钻孔瓦斯压力大很多，所以就算抽到真空状态也不会对抽采率的增加产生多大的影响[4]。通常在限定的预抽期间内，煤层内瓦斯抽采率往往决定于抽采钻孔的设计参数[5]。

2 矿井煤层概况

内蒙古乌海市平沟煤矿主采煤层为太原组16#煤层，地层构造为向西单斜构造，走向176°，平均倾角8.6°。煤层顶板岩性为碳页岩、泥页岩，底板岩性为沙质页岩、页岩、碳页岩，煤层赋存相对稳定，无大的地质构造带。该煤层透气性系数为0.129～0.611m2/(MPa2·d)，绝对瓦斯涌出量为44.3m3/min，相对瓦斯涌出量为14.1m3/t，瓦斯含量为11.67m3/t，属于透气性低瓦斯含量高的煤层，实测16#煤层瓦斯压力3.89MPa，大大高于《防治煤与瓦斯突出规定》中煤层瓦斯压力临界值0.74MPa的要求，该煤层有煤与瓦斯突出的危险。

3 布孔间距理论分析

3.1 钻孔瓦斯流量的衰减规律

依据煤层瓦斯流动理论，当流动性质是非稳定状态时，钻孔内的瓦斯流量会随着时间t的增加呈现出衰减的变化规律，这个规律可以用式(2)来表示：

q(t)=q0e-at

(2)

式中：q(t)——钻孔瓦斯流量，m3/(min·hm)；

q0——钻孔的初始瓦斯流量，m3/min；

a——钻孔瓦斯流量衰减系数，d-1。

3.2 布孔间距方程式的推导

利用式(2)可推算出经t(d)时间单个钻孔瓦斯抽放总量为：

(3)

式中：Qc——经t(d)时间单个钻孔瓦斯抽放的总量，m3；

L——钻孔长度，m；

q(t)——钻孔经t时间排放的瓦斯流量，m3/(min·hm)。

钻孔抽采范围内控制的瓦斯储量QH可用式(4)表示：

QH=ρMHW

(4)

式中：ρ——煤的密度，t/m3；

M——煤层平均厚度，m；

H——钻孔间距，m；

W——煤层原始瓦斯含量，m3/t。

利用式(3)和式(4)经t(d)时间瓦斯抽采率η可表示为：

(5)

进而可推导出由抽采率η为主要考虑因素的布孔间距为：

(6)

钻孔间距与抽采率存在一定范围内的比例关系，而钻孔间距又与钻孔的有效抽放半径直接相关，随着抽放时间t的增长，钻孔的有效抽放半径会渐渐增大(即扩大了抽放区域)，但当抽放时间t增长到临界值时，钻孔的有效抽放半径就会达到极值[6](即极限抽放半径)。如果两个钻孔的间距大于这个极限抽放半径两倍以上，则尽管抽放时间不断增长，但两个钻孔之间煤层中的瓦斯总是存在抽不出的空白部分。相反，如果两个钻孔间距太小，即布孔过密，就会导致钻孔在抽放瓦斯过程中容易出现串孔现象，并且使钻孔成本升高[7]。由此可见，钻孔间距选择的合理与否是非常关键的。

4 走向长钻孔布置间距确定

测定具有突出危险性煤层瓦斯抽采走向长钻孔合理间距时包括如下步骤。

(1)在具有瓦斯突出危险性煤层走向长钻孔间距设置的较大区域内，选一围岩稳定、空间大、巷道坡度小、地势比较平坦的地方布置试验场地，设置这一区域相邻的且间距较大的走向长钻孔作为六氟化硫示踪气体抽放测试钻孔。

(2)在对示踪气体抽放测试钻孔封孔时先插入一根注气管，然后再将一根蛇皮管捆绑铁丝后作为注浆管下入示踪气体抽放测试钻孔中，用手动注浆泵灌入水泥砂浆及水玻璃的混合物进行封孔。其中，水和水泥质量比为0.6∶1.0，水泥砂浆与水玻璃的体积比为1.0∶0.7。注浆时，需要一边注一边缓慢退蛇皮管，直至封孔完成，注浆凝固时间不低8h。然后在示踪气体抽放测试钻孔外装配相应编号的阀门、压力表和气体浓度鉴定管。

(3)封好示踪气体抽放测试钻孔后，需要在其两侧分别打六氟化硫示踪气体注气钻孔QK1与QK2。在打测试钻孔时，采用ZDY2400液压钻机施工，为防止出现钻孔坍塌和穿层现象，施工时要严格进行直壁施工，确保成孔，同时不要反复进钻退钻，要压力适中，轻压慢转，连接钻杆时注意对准丝扣，避免歪斜，钻杆要上紧卡牢，要人工撤接钻杆，必须在安完第一根后再安下一根，施工过程中需要随时监测排粉量。成孔后，注气钻孔QK1距抽放测试钻孔的距离设为KJ1，注气钻孔QK2距抽放测试钻孔的距离设为KJ2，并令KJ2>KJ1，用步骤(2)所示过程留好注气管和气体浓度鉴定管，并按照AQ1027- 2006《煤矿瓦斯抽放规范》将六氟化硫示踪气体注气钻孔进行封孔，封孔长度为6m，封孔材料为聚氨酯。

(4)打开示踪气体注气装置，并打开两个示踪气体注气钻孔的注气阀门，注入六氟化硫示踪气体，当两个注气钻孔内的压力稳定后，关闭注气阀门。

(5)将六氟化硫气体抽放测试钻孔解除封孔，进行气体抽放操作，检测示踪气体抽放测试钻孔中六氟化硫气体浓度变化情况，与此同时，检测示踪气体注气钻孔QK1和QK2中六氟化硫气体浓度变化情况，此外，为了便于比对检测效果需同时检测示踪气体抽放测试钻孔左右相邻的两个走向长钻孔中的六氟化硫气体浓度变化情况。

(6)令最大可能抽放影响范围等于所有未被有效影响到的示踪气体注气钻孔中距所述示踪气体抽放测试钻孔距离的最小值(即示踪气体抽放测试钻孔没有检测到示踪气体注气钻孔QK1和QK2中的六氟化硫气体)，最小可能抽放影响范围等于所有被有效影响到的示踪气体注气钻孔中距所述示踪气体抽放测试钻孔距离的最大值(即示踪气体抽放测试钻孔均检测到示踪气体注气钻孔QK1和QK2中的六氟化硫气体，示踪气体注气钻孔QK1和QK2中的六氟化硫气体浓度有不同程度变化)，如果在所处的测定阶段没有被有效影响到的示踪气体注气钻孔，则可以说明最小可能抽放影响范围为零。

(7)如果在所处的测定阶段中最小可能抽放影响范围等于KJ2，则需重复以上所有步骤重新打钻孔，要求在示踪气体注气孔QK2远离示踪气体抽放测试钻孔一侧开打示踪气体注气钻孔QK3，距示踪气体抽放测试钻孔距离为KJ3(如果试验孔之间距离较近，在重复新打钻孔步骤时，可在示踪气体抽放测试钻孔左右相邻的两个走向长钻孔外侧进行打孔施工)。其中，KJ3>KJ2，并且与示踪气体注气钻孔QK2和QK3分别对应的两个抽放测试钻孔之间的距离大于这两个注气钻孔到抽放测试钻孔的距离之和。

(8)如果最大可能抽放影响范围与最小可能抽放影响范围的差值小于或等于所述示踪气体抽放测试钻孔所处煤层气体抽放有效范围的允许误差时，结束测试工作，抽放有效范围等于最小可能抽放影响范围；否则进行步骤(9)。

(9)在所述示踪气体抽放测试钻孔与最大可能抽放影响范围所对应的示踪气体注气钻孔的连线上距所述示踪气体抽放测试钻孔的距离为(最大可能抽放影响范围+最小可能抽放影响范围)/2处开设新的示踪气体注气钻孔，重新确定最大可能抽放影响范围和最小可能抽放影响范围，然后进行步骤(8)；经过一段时间监测后，如果示踪气体注气钻孔中的六氟化硫气体浓度急剧下降，即认为所述示踪气体注气钻孔被有效影响到，如果六氟化硫气体浓度没有发生明显变化则认为所述示踪气体注气钻孔未被有效影响到。

测试过程施工图如图1所示。

图1 测试过程施工示意图

5 结语

钻孔有效的抽放影响范围直接影响着钻孔的布置间距。钻孔间距对于极限抽放量和最大预抽率影响较大[8]，抽放钻孔布置间距合理能够确保煤层在预抽期达到所期望的抽采率，从而防止煤层煤与瓦斯突出的发生。通过在16#煤层试验场地区域内实施测定方案数据的研究，确定了走向长钻孔的布置间距为17m，在后期应用该走向长钻孔抽采间距过程中，使得该煤层瓦斯预抽率有效提升至43%，其煤层残余瓦斯压力和残余瓦斯含量与《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》中对突出采面的要求相符，说明此钻孔间距对具有突出危险性煤层瓦斯抽放是行之有效的。

[1] 徐会军,樊少武.工作面瓦斯采前预抽合理钻孔间距探讨[J].煤炭工程,2011,(2):77-79.

[2] 关联合,高 亮.本煤层瓦斯抽采半径测定技术研究与实践[J].中国煤炭,2014,(9):111-113.

[3] 刘三钧,马 耕,卢 杰，等.基于瓦斯含量的相对压力测定有效半径技术[J].煤炭学报,2011,36(10):1715-1719.

[4] 常晓红.底板岩巷网格穿层抽采钻孔间距的优化研究[J].煤矿开采,2013,(5):104-108.

[5] 邢云峰,孙晓元,孙英峰，等.合理钻孔间距和瓦斯抽放时间的理论分析与数值模拟[J].中国煤炭,2014,(5):105-109.

[6] 李 钢,范喜生,马丕梁，等.本煤层瓦斯预抽钻孔合理布置间距的确定[J].煤炭科学技术,2011,39(3):56-58.

[7] 鲁 义,申宏敏,秦波涛，等.顺层钻孔瓦斯抽采半径及布孔间距研究[J].采矿与安全工程学报,2015,(1):156-162.

[8] 李 波,孙东辉,张路路，等.煤矿顺层钻孔瓦斯抽采合理布孔间距研究[J].煤炭科学技术,2016,44(8):121-126,155.

Determination of reasonable spacing of long borehole in coal seam with gas outburst danger

In order to determine the reasonable spacing of strike long borehole in coal seam with gas outburst danger, choosing test site and using SF6 gas tracing method measured the influence range of gas drainage. Through continuous contrast observation and analysis of injected gas borehole, the reasonable distance of long drainage borehole in coal seam with gas outburst danger was determined. This provided a basis for the scientific distribution of gas drainage boreholes and avoided blank zone of gas drainage. The outburst prevention effect is obvious.

gas drainage; outburst danger; long borehole; reasonable distance

TD713+.3

A

2017-- 02-- 13

王雪芹(1981-)，女，讲师，长期从事采矿工程教学与矿业系统工程研究工作。

内蒙古自治区高等学校科学研究项目(NJZY364)

1672-- 609X(2017)04-- 0034-- 04