“三軟”低透氣性突出煤層有效排放半徑測(cè)定方法的探討

賈泉敏

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院，重慶 400037)

煤與瓦斯突出是煤礦企業(yè)的重大災(zāi)害之一。當(dāng)煤層預(yù)測(cè)有突出危險(xiǎn)性時(shí)，應(yīng)采取防治突出措施?！斗乐蚊号c瓦斯突出規(guī)定》第八十九條明確規(guī)定[1]：“……預(yù)抽鉆孔或超前排放鉆孔的孔數(shù)、孔底間距等應(yīng)當(dāng)根據(jù)鉆孔的有效抽放或排放半徑確定……”。因此，確定超前排放鉆孔的有效排放半徑對(duì)正確合理的設(shè)計(jì)超前排放鉆孔具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 有效排放半徑的概念、原理及測(cè)定方法

有效排放半徑是指超前排放鉆孔排放一定的時(shí)間后能消除突出的范圍。 這個(gè)范圍用以超前排放鉆孔為中心的半徑來(lái)表示。超前排放鉆孔在一定的排放條件下，其有效排放半徑是由排放瓦斯有效性指標(biāo)和排放時(shí)間決定的。

目前，超前排放鉆孔有效排放半徑常用的測(cè)定方法主要有：鉆孔瓦斯流量法和鉆屑指標(biāo)法。其中，鉆屑指標(biāo)包括鉆屑量指標(biāo)S與鉆屑解吸指標(biāo)K1或△h2。

兩種方法測(cè)定超前排放鉆孔有效排放半徑的原理是相同的，即用測(cè)量鉆孔的指標(biāo)檢驗(yàn)超前排放鉆孔消除突出的影響范圍。超前排放鉆孔排放一定的時(shí)間后在其周圍一定范圍內(nèi)形成一個(gè)卸壓圈，卸壓圈內(nèi)的地應(yīng)力大大降低、煤層的透氣性增大、瓦斯也得到了進(jìn)一步的釋放，從而使超前排放鉆孔周圍形成了一個(gè)影響圈。在影響圈內(nèi)，測(cè)量鉆孔的瓦斯流量會(huì)增大、鉆屑指標(biāo)則會(huì)減小。影響圈的最大范圍即此超前排放鉆孔的有效排放半徑[2]。

1.1 鉆孔瓦斯流量法操作步驟

1)在掘進(jìn)工作面的軟分層中沿掘進(jìn)方向施工3～5個(gè)相互平行的測(cè)量鉆孔，孔徑42mm，孔長(zhǎng)8～10m，測(cè)量鉆孔與超前排放鉆孔的間距應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)工作面煤層的具體情況來(lái)確定，一般在0.3～0.5m之間，試驗(yàn)鉆孔的布孔位置可參考圖1。

2)每施工完一個(gè)測(cè)量鉆孔，立即對(duì)其封孔，封孔時(shí)應(yīng)保證測(cè)量室長(zhǎng)度為1m，封孔長(zhǎng)度一般不小于2m。

3)測(cè)量鉆孔封孔完畢后，立即測(cè)定該鉆孔的瓦斯流量，并每隔2～10min測(cè)定1次，每一個(gè)測(cè)量鉆孔的測(cè)定次數(shù)不得小于5次。

4)在測(cè)量鉆孔中心，平行于測(cè)量鉆孔施工一個(gè)待考察的超前排放鉆孔，在施工超前排放鉆孔的過(guò)程中，記錄其長(zhǎng)度、施工時(shí)間和各測(cè)量鉆孔中的瓦斯流量變化。

5)超前排放鉆孔施工完畢后，在2h內(nèi)每隔2～10min測(cè)定一次各測(cè)量鉆孔的瓦斯流量。

1-超前排放鉆孔；2、3、4、5-測(cè)量鉆孔

6)繪制出各測(cè)量孔的瓦斯流量變化趨勢(shì)圖。

7)在施工完超前排放鉆孔后，如果在同一測(cè)量鉆孔內(nèi)，連續(xù)3次測(cè)定的瓦斯流量都比施工超前排放鉆孔前增大10%，即表明該測(cè)量孔處于超前排放鉆孔的有效排放半徑之內(nèi)，符合此條件的測(cè)量孔距超前排放鉆孔的最遠(yuǎn)距離，即為該超前排放鉆孔的有效排放半徑。

1.2 鉆屑指標(biāo)法操作步驟

1)沿垂直掘進(jìn)工作面方向的軟分層中施工一個(gè)預(yù)測(cè)鉆孔(1#孔)，孔徑42mm，孔長(zhǎng)8～10m，在預(yù)測(cè)鉆孔施工過(guò)程中，測(cè)定其每米的鉆屑指標(biāo)，試驗(yàn)鉆孔的布孔位置可參考圖2。

1-預(yù)測(cè)孔；2-測(cè)試孔；3-超前排放孔

2)預(yù)測(cè)鉆孔測(cè)定結(jié)束后，將其擴(kuò)大到超前排放鉆孔的直徑(3#孔)，進(jìn)行擴(kuò)孔排放。

3)按照實(shí)際生產(chǎn)要求，確定一定的排放時(shí)間(一般為2h)。當(dāng)?shù)竭_(dá)排放時(shí)間后，在該鉆孔附近的軟分層中施工一個(gè)與1#孔有一定角度的測(cè)試孔(2#孔)，并在施工過(guò)程中測(cè)定其每米的鉆屑指標(biāo)。

4)將2個(gè)鉆孔同一深度范圍內(nèi)所測(cè)到的鉆屑指標(biāo)和兩點(diǎn)的間距進(jìn)行分析，當(dāng)2#孔在第Nm后所測(cè)定的鉆屑指標(biāo)均小于1#孔同一深度所測(cè)得的指標(biāo)時(shí)，則可確定鉆孔在Nm處所對(duì)應(yīng)的鉆孔間距為超前排放鉆孔的有效排放半徑[2]。

2 有效排放半徑現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定情況及問(wèn)題

2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)煤層概況

測(cè)定地點(diǎn)選擇在河南某礦區(qū)，該礦區(qū)煤層屬于典型的“三軟”低透氣性突出煤層。煤層透氣性系數(shù)在0.028～0.053 m2/MPa2·d-1之間，衰減系數(shù)在0.4026～0.727 d-1之間，煤層平均厚4.7m，層位穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。直接頂板多為泥巖及砂質(zhì)泥巖，偶為粉砂巖或炭質(zhì)泥巖；基本頂一般為中粒長(zhǎng)石石英砂巖。直接底板以泥巖為主，偶為粉砂巖；基本底多為粉砂巖，偶為砂質(zhì)泥巖或細(xì)粒砂巖。

在該礦區(qū)受采動(dòng)影響較小的掘進(jìn)工作面采用鉆孔瓦斯流量法及鉆屑指標(biāo)法分別測(cè)定直徑為75mm的超前排放鉆孔的有效排放半徑，測(cè)量鉆孔直徑為42mm，深度均為10m。

2.2 鉆孔瓦斯流量法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定情況及問(wèn)題

結(jié)合試驗(yàn)工作面煤層具體條件和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定試驗(yàn)鉆孔布置參數(shù)。具體鉆孔布置參數(shù)見表1，鉆孔布置圖如圖1所示。

表1 鉆孔流量法測(cè)定有效排放半徑鉆孔布置參數(shù)表

為了保證測(cè)定精度，使用兩臺(tái)煤電鉆同時(shí)施工。施工過(guò)程保證兩臺(tái)鉆機(jī)不受影響，施工測(cè)量鉆孔時(shí)間確保在30min內(nèi)完成。測(cè)量鉆孔施工完畢之后，應(yīng)立即封孔并對(duì)其鉆孔瓦斯流量進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定30min后施工超前排放鉆孔(1#孔)，同時(shí)繼續(xù)考察各測(cè)量鉆孔瓦斯流量變化，超前排放鉆孔施工完畢后，在2h內(nèi)每隔2～10min測(cè)定一次各測(cè)量鉆孔的瓦斯流量并繪制出各測(cè)量鉆孔的瓦斯流量變化趨勢(shì)圖。具體操作步驟見上文。

現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的主要問(wèn)題：

1)塌孔問(wèn)題。試驗(yàn)地點(diǎn)煤質(zhì)較軟，極易出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，如果試驗(yàn)鉆孔間距過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)鉆孔之間發(fā)生聯(lián)通影響試驗(yàn)結(jié)果。

2)封孔問(wèn)題。在“三軟”煤層中采用膠囊封孔器封孔，因膠囊長(zhǎng)度較短，鉆孔卸壓圈裂隙很容易泄露一部分瓦斯，從而影響試驗(yàn)鉆孔瓦斯流量測(cè)定的準(zhǔn)確性[3]。

3)測(cè)量?jī)x器精度問(wèn)題。該煤層透氣性較低，瓦斯流量較小，要求瓦斯流量計(jì)有較高的測(cè)量精度。如果流量計(jì)測(cè)量精度太低，則測(cè)定結(jié)果會(huì)受很大的影響。

4)現(xiàn)場(chǎng)操作問(wèn)題。試驗(yàn)所需設(shè)備和人員較多，測(cè)量鉆孔施工完畢后，需同時(shí)觀察其流量變化，現(xiàn)場(chǎng)操作較繁瑣，用時(shí)較長(zhǎng)。

2.3 鉆屑指標(biāo)法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定情況及問(wèn)題

結(jié)合試驗(yàn)工作面煤層具體條件和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定試驗(yàn)鉆孔布置參數(shù)。具體鉆孔布置參數(shù)見表2，鉆孔布置圖如圖2所示。

表2 鉆屑指標(biāo)法測(cè)定排放半徑鉆孔參數(shù)表

為保證測(cè)定精度，施工鉆孔時(shí)必須保證鉆孔的傾角和夾角與設(shè)計(jì)保持一致。1#鉆孔鉆屑指標(biāo)測(cè)定完畢后，將其擴(kuò)至直徑為75mm的排放鉆孔，待排放一定時(shí)間(一般為2h)之后，開始測(cè)定2#鉆孔的鉆屑指標(biāo)。具體操作步驟見上文。

現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的主要問(wèn)題：

1)鉆屑取樣深度難以保證。鉆屑是在鉆孔施工過(guò)程中取得的，在孔口取得的煤樣無(wú)法避免的會(huì)混入一些已經(jīng)暴露的煤屑，而且鉆孔越深，鉆屑取樣深度越難保證[4]。

2)鉆孔的施工角度較難準(zhǔn)確掌握。

3 對(duì)比分析

針對(duì)“三軟”低透氣性突出煤層，利用上述兩種方法對(duì)直徑為75mm的超前排放鉆孔的有效排放半徑分別進(jìn)行了測(cè)定。從試驗(yàn)過(guò)程及試驗(yàn)準(zhǔn)確度等方面分析，可以得出兩種測(cè)定方法在該煤層中運(yùn)用的優(yōu)缺點(diǎn)。這兩種方法的對(duì)比情況見表3。

表3 兩種方法對(duì)比情況

由表3可知：在“三軟”低透氣性突出煤層中測(cè)定有效排放半徑，這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。但相對(duì)而言，鉆屑指標(biāo)法則更勝一籌。

4 結(jié)論及建議

1)有效排放半徑是指超前排放鉆孔排放一定的時(shí)間后能消除突出的范圍，超前排放鉆孔在一定的排放條件下，有效排放半徑是由排放瓦斯有效性指標(biāo)和排放時(shí)間決定的。

2)有效排放半徑測(cè)定常用的方法有：鉆孔瓦斯流量法和鉆屑指標(biāo)法。

3)在“三軟”低透氣性突出煤層中測(cè)定有效排放半徑可優(yōu)先選用鉆屑指標(biāo)法。

4)測(cè)定有效排放半徑時(shí)，建議多做幾組試驗(yàn)，以提高鉆屑指標(biāo)法的準(zhǔn)確性。

[1] 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局,國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局.防治煤與瓦斯突出規(guī)定 [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2009.

[2] 周厚權(quán)，汪東，陳賓.鉆屑指標(biāo)法K1值測(cè)定煤層鉆孔排放半徑淺析[J].煤礦安全，2010(12)：82-83.

[3] 陳金玉，孔一繁.鉆屑指標(biāo)法測(cè)定瓦斯有效排放半徑[J]煤，1995,4(6):46-48.

[4] 趙旭生，劉勝.鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值測(cè)定誤差的影響因素[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2002,29(2)：3-5.