煤礦瓦斯抽放鉆孔曲線軌跡的測試分析

摘要：針對東海煤礦三采區(qū)23#煤層的仰角鉆場，在一定條件下利用數(shù)學(xué)關(guān)系擬化出鉆孔最高點(diǎn)的位置，為瓦斯抽放工作提供了技術(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鉆孔曲線軌跡；瓦斯抽放；最高點(diǎn)

隨著煤礦開采深度的增加，瓦斯含量的增大，煤礦的瓦斯治理工作成為了煤礦安全工作的重點(diǎn)。雞西礦業(yè)集團(tuán)東海煤礦于2003年開始實(shí)施瓦斯抽放工程，建立“通風(fēng)可靠、抽采達(dá)標(biāo)、監(jiān)控有效、管理到位”的煤礦瓦斯綜合治理工作體系，并取得了良好的效果。筆者于2007年對采面瓦斯抽排仰角鉆孔進(jìn)行研究，在多方面的支持下使得東海煤礦瓦斯治理一直備受好評。本論文主要是針對東海煤礦三采區(qū)（23#煤層）仰角鉆孔的一些探討研究。

1 地質(zhì)概況

1.1 煤層賦存狀況：

本區(qū)23#層煤為城子河組煤，煤層厚度較穩(wěn)定，灰分為22.72%，揮發(fā)分為33.31%，煤種為焦煤。厚度1.00米左右，煤層結(jié)構(gòu)簡單，厚度穩(wěn)定，煤質(zhì)較好。

1.2 工作面自然狀況：

本工作面是23#右四副巷/右五路回采工作面，上部為本層23#左三路至右四路采空區(qū)，下部為本層未開采區(qū)，本層上部為22#上層未開采區(qū)，層間距為48米，下為32#層采空區(qū)，層間距為84米工作面距地表垂深760米左右。

1.3 煤層頂、底板情況：

本區(qū)內(nèi)煤層頂板為粉細(xì)砂巖，厚度為4.30米左右。偽頂為煤頁巖，厚度為0.88米左右，直接頂為細(xì)砂巖，厚度為2.50米左右。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造：

本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層為向南傾斜的單斜構(gòu)造，工作面走向618米，傾向?yàn)?28米，面積為127204平方米 。鉆場區(qū)內(nèi)煤層穩(wěn)定，沒有褶皺，無斷層等不良地質(zhì)構(gòu)造，圍巖穩(wěn)定。

2 鉆孔概況

根據(jù)瓦斯的密度性質(zhì)，應(yīng)使鉆孔的位置在裂隙帶中，并且盡量靠上接近彎曲下沉帶。

2.1 鉆孔初步設(shè)計(jì)

本次共對3個鉆孔進(jìn)行了測量，其設(shè)計(jì)時基本數(shù)據(jù)見表2-1。其中2號、3號鉆孔傾角是我們在施工中設(shè)計(jì)的最小與最大傾角。

2.2 鉆孔施工設(shè)備

本設(shè)計(jì)所測鉆孔均為同一鉆場鉆孔，并且施工設(shè)備相同，鉆孔施工設(shè)備為煤炭研究總院西安分院研制的ZDY1900ST型鉆機(jī)，其施工中的具體參數(shù)見表2-2。

3鉆桿的軌跡分析

經(jīng)過測量繪制出鉆桿軌跡曲線（見圖3-1）線形，利用數(shù)值分析方法，鉆孔在豎直平面上的軌跡在平面上可以看作為函數(shù)f(x)=ax2+bx+c的曲線，并設(shè)初始孔為坐標(biāo)原點(diǎn)（o），利用坐標(biāo)關(guān)系求出軌跡方程分別為：

1號孔：f(x)=-0.0005x2+0.115x-0.123

（式3-1）

2號孔： f(x)=-0.0005x2+0.0916x-0.6198

（式3-2）

3號孔：f(x)=-0.0006x2+0.3921x-0.2888

（式3-3）

式中：x——鉆孔最高點(diǎn)距初始口平距，m；

f(x)--鉆孔最高點(diǎn)距初始口垂高，m。

在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中，我們僅需要預(yù)測鉆孔的最高點(diǎn)，以保證鉆孔的應(yīng)用率。所以利用函數(shù)關(guān)系得出三個孔的最高點(diǎn)坐標(biāo)：1號孔（107.88，6.078）；2號孔（100.24，3.89）；3號孔（326.7，67.36），在坐標(biāo)軸上描繪前三點(diǎn)，可見它們近似在直線f(x)=0.28x-24.12 上。

由以上數(shù)據(jù)可知：在同一巖層中，利用同樣鉆機(jī)設(shè)備施工，鉆孔的最高點(diǎn)只于開口的傾角（20°以下）有關(guān)，并且成正比例關(guān)系。由以上關(guān)系經(jīng)過數(shù)學(xué)處理我們可得出等式：

式中：x——鉆孔最高點(diǎn)距初始口垂高，m；

α——設(shè)計(jì)初始口傾角，度。

α=3.22～21°。

（式3-6）

式中：Hz——鉆孔最高點(diǎn)距初始口垂高，m；

Lz——鉆孔最高點(diǎn)距初始口平距，m；

α——設(shè)計(jì)初始口傾角，度，α=3.22～21°。

4 該函數(shù)的數(shù)學(xué)意義及實(shí)踐應(yīng)用

由于影響鉆孔的因素不僅有初始口傾角，還有巖層性質(zhì)、鉆頭、鉆桿、推進(jìn)壓力、定中器的因素，所以式3-5、式3-6僅適用于東海煤礦三采區(qū)23#層。

在設(shè)計(jì)初始傾角與最高點(diǎn)的函數(shù)式3-5、式3-6中，當(dāng)初始傾角在3°～20°之間時，鉆孔最高點(diǎn)距初始口垂高與設(shè)計(jì)初始口傾角成真比例關(guān)系。當(dāng)前工程要求及技術(shù)原因其傾角范圍是可取的，所以該函數(shù)關(guān)系式可以在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用。

在東海煤礦的瓦斯抽放工作中應(yīng)用了上式，使鉆孔的位置不僅打到了裂隙帶，也使鉆孔的位置更加接近了彎曲下沉帶。通過上式的應(yīng)用東海煤礦23#層瓦斯抽放率提高了3～5%，鉆孔的長度減少了15～20%，增加了鉆孔的利用率，在減少工程量的基礎(chǔ)上使瓦斯抽放得到了更好的成績。

由于時間倉促以及本人水平有限，上文定有不足之處，望各專家學(xué)者、業(yè)內(nèi)人士給予批評指導(dǎo)，謝謝！

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：王克君，男，1992年畢業(yè)于雞西工學(xué)院采礦專業(yè)。現(xiàn)任東海煤礦瓦斯工程科主任工程師，主要從事瓦斯治理和瓦斯抽放工作。