不同直径穿层预抽钻孔有效抽采半径研究

肖 健,陈学习,单文选

(1. 西安科技大学 安全科学与工程学院,陕西 西安 710054;2.华北科技学院 矿山安全学院,北京 东燕郊 065201;3.晋能控股集团挖金湾煤业公司,山西 大同 037003)

0 引言

随着煤矿开采深度的不断增加,煤层瓦斯压力和含量也呈现上升趋势,煤与瓦斯突出煤层比例逐渐上升,瓦斯灾害愈发严重[1]。消除煤与瓦斯突出危险性的方法主要有保护层开采和预抽煤层瓦斯[2],但是针对单一突出煤层开采和全突煤层群开采时,无法采用保护层开采作为消突手段,优先选用穿层钻孔预抽煤层瓦斯[3-4]。

有效抽采半径既有利于提高矿井的安全高效生产,降低突出煤层巷道掘进过程中的潜在风险,同时有利于提高钻孔的利用率。抽采半径过大,容易形成抽采盲区;抽采半径过小,则会造成资源的浪费,增加瓦斯治理成本[5]。有效抽采半径经过多年的研究,出现了瓦斯压力降低法、瓦斯含量降低法、瓦斯抽采流量法、标志性气体(SF6)示踪法、数值模拟法、瓦斯储量法及理论计算等[6-10]。预抽钻孔有效抽采半径受周围煤体骨架的卸压变形效应和煤体透气性影响,离钻孔越远的瓦斯运移到钻孔中所受阻力越大,需要的时间越长,因而抽采量是与抽采时间和距离相关的函数[11]。针对同一地质条件下、同一煤层不同直径穿层钻孔的有效抽采半径的研究相对较少,需要进行深入研究。

在平顶山矿区某矿戊8煤层按照钻孔Φ75mm的有效抽采半径设计所有戊8煤层穿层抽采钻孔的钻孔间距,在实际抽采过程中容易发生串孔现象,严重影响抽采效果。所以急需根据现场实际条件研究得出不同孔径条件下的有效抽采半径,为该矿抽采设计提供合理依据。

1 测试区域概况

平顶山矿区某矿主采丁5-6、戊8和戊9-10煤层,丁5-6煤层平均厚度3.43m,戊8煤层平均厚度2.2m, 戊9-10煤层平均厚度2.7m。戊8煤层瓦斯含量为3.12 ～5.68m3/t;原始瓦斯压力为0.19～0.56MPa;透气性系数为0.1628～0.928m2/(MPa2·d)。

测试工作面为戊8-32010工作面设计走向长2400m,倾斜长度220m,埋深880～920m。工作面布置按照“一面四巷”设计,自上而下依次布置风巷、风巷高抽巷、机巷、机巷高抽巷,其中风、机巷沿戊8煤层布置,风巷高抽巷、机巷高抽巷布置在顶板18m岩层中,机巷高抽巷外错布置,机巷高抽巷与机巷垂直中对中30m。

2 有效影响半径测试

2.1 测试方法选择

瓦斯在煤层中流动时分为在孔隙内流动和在裂隙内流动,孔隙内流动时符合菲克定律,在裂隙内流动时符合达西定律[12-13]。目前有效抽采半径的现场测定根据测试指标的不同主要分为瓦斯压力降低法、瓦斯流量法、气体示踪法、抽采纯量法及瓦斯储量法等。瓦斯压力降低法测定成本较高,需要在抽采半径测试的较长时间内保持瓦斯压力钻孔完全不漏气极其困难。瓦斯流量法受煤体结构、地质构造、采掘活动等多种因素影响,煤体各向的透气性差异明显,瓦斯流量衰减影响因素分析较为复杂,得到准确的有效抽采半径难度较大。气体示踪法用于确定影响半径是极为方便准确的,但存在无法量化的问题。抽采纯量法结合瓦斯储量法使用条件广泛、测试简单和成本低等优点,能够得出更接近实际的有效抽采半径,因此选用抽采纯量法结合瓦斯储量法综合测定有效抽采半径。

2.2 测试原理

通过瓦斯抽出率连接抽采纯量法和瓦斯储量法,即单孔抽出瓦斯量与钻孔单孔控制范围内煤体瓦斯储量之比,一般以瓦斯储量的30%为参考指标[14]。单孔瓦斯抽出量可通过统计钻孔内瓦斯流量和浓度得出,单孔控制范围内煤体瓦斯储量可由煤层厚度、煤孔长度、单孔控制范围、原始煤层瓦斯含量和煤的密度的关系得到。

钻孔瓦斯流量的变化规律基本上符合负指数方程,见公式(1):

q(t)=q0e-αt

(1)

式中,q(t)为钻孔经t日抽采时的瓦斯流量,m3/d;q0为钻孔的初始瓦斯流量,m3/d;α为钻孔瓦斯流量衰减系数,d-1。

则t天时间内单孔抽采的瓦斯总量按公式2计算:

(2)

式中,Qc为钻孔经t日抽采时的累计抽采瓦斯量,m3。

钻孔单孔控制范围内煤体瓦斯储量QH按公式(3)计算:

QH=ρmHlW

(3)

式中,ρ为煤的密度,t/m3;m为煤层平均厚度,m;l为钻孔有效抽采长度,m;H为钻孔间距,m;W为煤层原始瓦斯含量,m3/t。

单孔抽出瓦斯量为Qc,则抽出率η按公式(4)计算:

(4)

以抽出率作为指标确定的钻孔间距按公式(5)计算:

(5)

煤层厚度、钻孔抽采半径和钻孔布置间距在巷道内的空间关系如下图1所示。

图1 有效抽采半径空间关系图

图1中,抽采半径用R表示,煤层厚度用m表示,钻孔布置间距用H表示。假设钻孔在距离巷道底板m/2处,则抽采半径R可表示按公式(6)计算:

(6)

3 现场测试

3.1 测试方案

在戊8-32010机巷高位抽巷施工3组测试钻孔,每组4个钻孔,同组钻孔的钻孔直径保持一致,钻孔直径分别为75mm、94mm和113mm。为避免钻孔间相互影响,组内开孔间距为10m,组间开孔间距为15m钻孔平面布置如图2(a)所示,钻孔剖面如图2(b)所示。

图2 有效抽采半径试验钻孔设计图

钻孔封孔采用囊袋式“两堵一注”进行,封孔长度10m,里端囊袋置于见煤点处。每个钻孔安装一个流量计,抽采期间测试抽采的流量、浓度。

3.2 测试结果

利用记录的流量数据通过Origin软件绘制拟合曲线,如图3所示。

图3 瓦斯流量拟合曲线

由图3可知,Φ75mm、Φ94mm和Φ113mm抽采钻孔的瓦斯流量衰减指数方程分别为:y=2.167 90e-0.01895x、y= 2.38536e-0.01967x、y= 2.89049e-0.02034x,决定性系数R2分别为:0.99678、0.99797和0.99675,说明抽采时间和抽采瓦斯量变化符合指数方程,具有相关性。抽采钻孔直径越大初始流量越大,随着抽采持续时间的增加不同钻孔直径在90d时的抽采量差异不大。

4 有效半径影响因素分析

通过将3.2节得到的瓦斯流量衰减方程进行积分,计算持续抽采180d预抽钻孔抽采量,分析不同抽采时间下的有效抽采半径,如图4所示。

图4 不同孔径钻孔在不同抽采时间下累计抽采量

由图4可知,同一钻孔累计抽采量随抽采时间的增加不断增加,抽采初期抽采量增加速率较快,持续抽采时间增加抽采量增速不断降低。相同抽采时间下,累计抽采量随钻孔直径的增加不断增加。通过2.2节的有效半径计算方法,计算得到不用直径钻孔的有效抽采半径如图5所示。

图5 钻孔有效抽采半径

由图5可知,钻孔有效抽采半径随时间增加而增加,开始抽采的前30d有效半径增加最快,30d时Φ75mm、Φ94mm和Φ113mm有效半径分别为1.67m、1.77m和2.00m;抽采60d时Φ75mm、Φ94mm和Φ113mm有效半径分别为2.30m、2.44m和2.83m;抽采60d以后有效半径增量变化较小,抽采至180d,抽采半径分别为3.09m、3.27m和3.79m,30d至180d的抽采有效半径增量小于前30d内的有效半径增量。说明钻孔直径越大,孔周卸压范围越大,更有利于煤层瓦斯抽采,在相同抽采时间内能抽出更多的瓦斯,更好地保障抽采效果。

5 结论

(1) Φ75mm、Φ94mm和Φ113mm的抽采钻孔的瓦斯流量衰减指数方程分别为:y=2.167 90e-0.01895x、y= 2.38536e-0.01967x、y= 2.89049e-0.02034x,决定性系数R2分别为:0.99678、0.99797和0.99675,抽采时间和抽采瓦斯量变化关系符合指数方程。

(2) 有效抽采半径随抽采时间和抽采钻孔的直径增大而增大,抽采初期增幅最大,抽采30d时,Φ75mm、Φ94mm和Φ113mm有效半径分别为1.67m、1.77m和2.00m,抽采至180d,抽采半径分别为3.09m、3.27m和3.79m,30d至180d的抽采有效半径增量小于0d至30d内的有效半径增量。