基于压降法测定预抽煤层瓦斯穿层钻孔有效影响半径的应用

陆俊翔,罗文柯,2*,王成龙,黄妍

(1.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院,湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大学 煤炭安全开采技术湖南省重点实验室,湖南 湘潭 411201)

我国是一个“富煤、贫油、少气”的国家,随着经济的快速发展,对煤炭资源的需求一直位居世界第一[1].但随着我国浅部煤层逐步枯竭,煤层开采以25～50 m/a的速度向深处延伸.由于开采深度增加,煤层瓦斯动力灾害明显提升[2].为了消除突出煤层在开采过程中发生煤与瓦斯突出(以下简称突出)事故,减少人员与财产的损失,根据《防治煤与瓦斯突出细则》要求,须在实施两个“四位一体”(区域防突四位一体和局部防突四位一体)后方可安全开采[3].其中预抽煤层瓦斯是区域防突的关键性技术措施,但在瓦斯抽采过程中,穿层钻孔的间距设计一直是现场技术人员难以精准掌握的课题.若穿层钻孔间距布置过大,会容易出现卸压盲区,导致突出事故发生;若穿层钻孔间距布置过小,则会增大穿层钻孔的工程量,增加治理的时间与成本[4].因此,如何科学合理地确定穿层钻孔的有效影响半径,是现场与科研院校的研究人员迫切需要解决的问题.

林柏泉[5]等建立水力割缝煤体多场耦合模型,对水力割缝钻孔周围瓦斯流场的变化进行了数值模拟研究;吴有增[6]等根据质量守恒定律、Fick定律以及Darcy定律建立“瓦斯流动模型”确定有效抽采半径;杨宏民[7]等在对寺家庄矿15#煤层进行抽放有效影响半径的过程中,使用瓦斯流量法优化矿井的抽放设计方案,消除其突出危险性;肖乔[8]在测定四川某矿K1煤层排放钻孔的有效影响半径时,采用“施工1组钻孔,考察2项指标(钻屑解析指标与瓦斯含量)”的布孔工艺,确保了结果的准确性;曹佐勇[9]采用COMSOL Multiphysics模拟分析了近距离突出煤层水力冲孔钻孔周围煤体瓦斯压力与孔径之间的时空演化规律,并建立了基于质量守恒定律的有效影响半径理论计算公式.

钻孔有效抽采半径是指在一定时间内从钻孔中能抽出煤层气的有效距离,钻孔有效影响半径是指在规定时间内,该半径范围内的瓦斯压力或瓦斯含量降低到安全允许值[10].利用压降法测定钻孔间距时,在测试钻孔周围不同距离布置观测孔,每间隔一定时间测定观测钻孔的瓦斯压力值,将所得的瓦斯压力值绘制成瓦斯压力变化趋势图,当钻孔在一个确定时间内连续测定得到的瓦斯压力下降10%以上,则证明所测钻孔位于被测钻孔的影响范围之内[11].本文以邹庄煤矿72煤和82煤为研究背景,利用压降法测定穿层钻孔的有效影响半径,并以实测有效影响半径作为矿井的穿层钻孔布置间距,为煤矿的安全生产提供了有利保障.

1 压降法测量原理与钻孔布置

在钻孔抽采影响范围内,煤层的瓦斯压力会不断降低.根据这个原理,在抽采钻孔周边不同距离布置相应的压力测试钻孔,通过测试钻孔内瓦斯压力变化,结合距抽采钻孔的距离即可确定该钻孔的有效影响半径[12].

1.1 工程概况

邹庄煤矿位于宿州西南,淮北濉溪境内,隶属安徽神源煤化工有限公司.南北长约6.5 km,东西长约3～5 km,井田面积约29.68 km2,设计年产量为240万t.矿井服务年限为50.4 a,考虑到天然焦开采后可增加矿井服务年限5.5 a,矿井的总服务年限为55.9 a.

四采区位于矿井西南部,南坪向斜的西翼南段.整体形状为向东倾斜的单斜构造,地层倾角18°～41°,一般30°左右.在四采区内,主采72煤和82煤.72煤位于下石盒子组下部,由于岩浆岩侵入穿插,使煤层结构复杂化,含1～2层夹矸.82煤位于下石盒子组下部,上距72煤0.79～18.84 m,平均9.60 m,煤厚0.74～5.24 m,平均2.37 m.煤层结构简单,个别钻孔含1层夹矸,夹矸为炭质泥岩.可采指数1.0,变异系数42.03%,为全区可采的较稳定煤层.

1.2 测试钻孔的布置及施工参数

在7401底抽巷的8#钻场内施工1个抽采钻孔(1#)和8个测压钻孔(2#～9#),对四采区72煤的底板岩巷穿层钻孔的有效影响半径进行实测,其中2#～9#测压钻孔到1#抽采钻孔的法线距离分别为2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,4.5,5.0,5.5 m,如图1所示.

图1 四采区72煤抽采与测压钻孔布置

根据项目实施方案, 72煤抽采与测压钻孔施工参数如表1所示.

表1 四采区72煤抽采与测压钻孔施工参数

在7401底抽巷的14#钻场内施工1个抽采钻孔(1#)及6个测压钻孔(2#～7#),对四采区82煤的底板岩巷穿层钻孔有效影响半径进行实测,2#～7#测压钻孔到1#抽采钻孔的法线距离分别为2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,4.5 m.在测定82煤瓦斯压力时,由于上邻近层72煤的煤层厚度较大,层间距小,瓦斯压力将受到72煤瓦斯压力的影响,且因8#钻场72煤测试时有效影响半径未达到5和5.5 m,故在14#钻场测定82煤穿层钻孔有效影响半径时取消这2个有效距离实测钻孔,改为测定72煤瓦斯压力变化情况的8#与9#钻孔,即a#和b#钻孔,如图2所示.

图2 四采区82煤抽采与测压钻孔布置

根据项目实施方案,82煤抽采与测压钻孔施工参数如表2所示.

表2 四采区82煤抽采与测压钻孔施工参数

2 压降法测量结果与分析

2.1 原始瓦斯压力测定结果

在72煤2#～9#,82煤2#～7#,a#与b#测压钻孔施工完毕后装上压力表,每天晚上定时观测各测压钻孔的瓦斯压力数据,经过20 d的观测周期,测压钻孔压力趋于稳定,即可获得各钻孔所测定的原始瓦斯压力值,测定结果如表3所示.

表3 四采区72煤、82煤各钻孔原始瓦斯压力测定结果

2.2 卸压后穿层钻孔有效影响半径测定结果与分析

在各钻孔的原始瓦斯压力稳定后,将连接瓦斯抽采管路的1#抽采钻孔的闸阀打开进行瓦斯抽采.同时,每天晚上观测1次各测压钻孔的瓦斯压力,并将观测数据如实记录在观测表格中,瓦斯压力观测数据按照1,2,3个月的时间周期进行分析.

2.2.1 四采区72煤穿层钻孔有效影响半径的测定结果与分析

位于8#钻场72煤的测定钻孔,施工开始于2019年3月7日的14:50,全部钻孔封孔完成时间为2019年3月9日20:10.2019年3月30日开始进行瓦斯抽采,同时记录3个月内各钻孔的瓦斯压力,并分析其变化情况.72煤2#～9#各钻孔瓦斯压力变化情况如图3所示.

图3 四采区72煤各钻孔瓦斯压力变化曲线

根据图3及测定结果,以3次以上测压钻孔瓦斯压力降低幅度大于10%为有效影响半径判定标准,按照1,2,3个月的时间周期分析:

1)抽采时间1个月.时间周期为2019年3月30日—4月30日,连续3 d观测到的数据经计算,2#,3#和4#测压钻孔的瓦斯压力降低幅度分别为45%,35%和15%,均大于10%,说明72煤穿层钻孔1个月的有效影响半径达到4#测压钻孔边界,有效影响半径R1月=3.0 m.

2)抽采时间2个月.时间周期为2019年3月30日—5月31日,连续3 d观测到的数据经计算,2#,3#,4#和5#测压钻孔的瓦斯压力降低幅度分别为68%,51%,32%和18%,均大于10%,说明72煤穿层钻孔2个月的有效影响半径达到5#测压钻孔边界,有效影响半径R2月=3.5 m.

3)抽采时间3个月.时间周期为2019年3月30日—6月30日,连续3 d测定到2#,3#,4#,5#和6#测压钻孔的瓦斯压力降低幅度分别为76%,63%,48%,34%和14%,均大于10%,说明72煤穿层钻孔3个月的有效影响半径达到6#测压钻孔边界,有效影响半径R3月=4.0 m.

2.2.2 四采区82煤穿层钻孔有效影响半径的测定结果与分析

位于14#钻场82煤的测定钻孔,施工开始于2019年5月8日的8:50,全部钻孔封孔完成时间为2019年5月12日11:30.2019年5月31日开始进行瓦斯抽采,同时记录3个月内各钻孔的瓦斯压力,并分析其变化情况.82煤2#～7#各钻孔瓦斯压力变化情况如图4所示.

图4 四采区82煤各钻孔瓦斯压力变化曲线

根据图4及测定结果,以3次以上测压钻孔瓦斯压力降低幅度大于10%为有效影响半径判定标准,按照1,2 ,3个月的时间周期分析:

1)抽采时间1个月.时间周期为2019年5月31日—6月30日,连续3 d观测到2#,3#测压钻孔的瓦斯压力降低幅度分别为35%,16%,均大于10%,说明82煤穿层钻孔1个月的有效影响半径达到3#测压钻孔边界,有效影响半径R1月=2.5 m.

2)抽采时间2个月.时间周期为2019年5月31日—7月31日,连续3 d测定到2#,3#,4#测压钻孔的瓦斯压力降低幅度分别为48%,31%和18%,均大于10%,说明82煤穿层钻孔2个月的有效影响半径达到4#测压钻孔边界,即有效影响半径R2月=3.0 m.

3)抽采时间3个月.时间周期为2019年5月31日—8月30日,连续3 d测定到2#,3#,4#,5#测压钻孔的瓦斯压力降低幅度分别为62%,44%,30%,17%,均大于10%,说明82煤穿层钻孔3个月的有效影响半径达到5#测压钻孔边界有效影响半径R3月=3.5 m.

综上分析得到72煤、82煤在卸压后预抽煤层瓦斯穿层钻孔有效影响半径测定结果,如表3所示.

表3 四采区72煤、82煤卸压后穿层钻孔有效影响半径

3 穿层钻孔有效影响半径与抽采时间的测定结果分析

3.1 抽采时间与穿层钻孔有效影响半径的函数关系式

决定系数R2为回归平方和与总离差平方和的比值,表示总离差平方和中可以由回归平方和解释的比例,这一比例越大越好,模型越精确,回归效果越显著.R2介于0～1,越接近1,回归拟合效果越好.72和82煤层抽采时间与有效影响半径的测量数据如表4所示.

表4 四采区72和82煤穿层钻孔有效影响半径与抽采时间

利用Origin拟合出函数关系，如图5和图6所示,并通过决定系数R2解释函数关系的合理性.

图6 四采区82煤抽采时间与有效影响半径函数拟合

1)四采区72煤拟合函数关系式为

r=1.489 87t0.236 67.

(1)

式中:r为有效影响半径,m;t为抽采时间,d.

式(1)中,a=1.489 87,标准误差0.009 19;b=0.236 67,标准误差0.001 74.拟合幂函数关系式的决定系数R2=0.999 85.决定系数R2接近于1,证明72煤穿层钻孔有效影响半径与抽采时间存在幂函数关系.

2)四采区82煤拟合函数关系式为

r=0.984 19t0.293.

(2)

式(2)中,a=0.984 19,标准误差0.036 7;b=0.293,标准误差0.009 91.拟合幂函数关系式的决定系数R2=0.996 94.决定系数R2接近于1,证明82煤穿层钻孔有效影响半径与抽采时间存在幂函数关系.

3.2 穿层钻孔有效影响半径与抽采时间的一般函数关系式

依据四采区72和82煤穿层钻孔有效影响半径与抽采时间的函数关系式可知,在煤层赋存条件一定、穿层钻孔周围煤层透气性与预抽量成正比的情况下，根据对瓦斯流动的相关分析,穿层钻孔有效影响半径r(m)与抽采时间t(d)之间符合幂函数关系,即

r=atb.

(3)

式中:a,b为常数.

4 结论

1)以4.0和3.5 m分别作为72和82煤层的有效影响半径能保障煤层安全开采,实践证明了压降法可为穿层钻孔间距布置提供理论依据.

2)在煤层赋存条件一定的情况下,穿层钻孔有效影响半径与抽采时间存在幂函数关系,利用其关系可有效预测煤层瓦斯抽采效率,减少煤矿开采过程中人力与物力等投入成本.