低透氣性煤層交叉鉆孔預(yù)抽瓦斯合理孔距研究

張頤純 邢玉忠

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,山西省太原市,030024)

低透氣性煤層交叉鉆孔預(yù)抽瓦斯合理孔距研究

張頤純 邢玉忠

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,山西省太原市,030024)

利用交叉鉆孔抽放技術(shù)對(duì)山西昌達(dá)煤礦2#低透氣性煤層進(jìn)行瓦斯預(yù)抽。為了既能取得較好的抽放效果又能節(jié)約成本,在12601工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究,得到不同孔距交叉鉆孔的百米鉆孔瓦斯抽出量衰減規(guī)律,建立計(jì)算預(yù)抽率的理論方程,推算得出各孔距鉆孔在預(yù)抽期為220 d時(shí)的預(yù)抽率。結(jié)果表明,在預(yù)抽期為220 d、預(yù)抽率為25%的要求下,孔距為3 m和孔距為4 m的交叉鉆孔均為合理,但后者較前者工程量少,取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益,故孔距為4 m時(shí)最為理想。在相鄰工作面進(jìn)行應(yīng)用,結(jié)果表明與研究相符,因此可以在本煤層其他工作面推廣應(yīng)用。

交叉鉆孔 透氣性 合理孔距 效果分析 預(yù)抽率

采用高壓水力壓裂以及水力割縫等增流提透技術(shù)可以改善低透煤層的瓦斯抽采問(wèn)題,但由于工藝相對(duì)復(fù)雜且投入較大,在井下操作不方便,難以推廣應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外的研究表明,采用交叉鉆孔技術(shù)預(yù)抽煤層瓦斯可以提高瓦斯抽放量,但針對(duì)不同的地質(zhì)條件和煤層賦存狀況,不同的布孔間距預(yù)抽煤層瓦斯效果也不同。本文根據(jù)山西昌達(dá)煤礦南六采區(qū)2#煤層松軟低透的特點(diǎn),在12601工作面劃分4組不同孔距的區(qū)段進(jìn)行交叉鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯試驗(yàn)研究,確定合理鉆孔間距。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

本次試驗(yàn)地點(diǎn)為昌達(dá)煤礦12601工作面,該面走向長(zhǎng)1060 m,傾斜長(zhǎng)度為183 m,所采煤層為南六采區(qū)2#煤層,煤層傾角12°～16°,煤層厚度4.2～4.5 m,平均厚度4.3 m,采高3.8 m。煤層直接頂為泥巖,厚度約為1.5～2 m;基本頂為砂巖,平均厚度為8.6 m;直接底為砂質(zhì)泥巖,平均厚度為3.8 m。煤層原始瓦斯含量9.53～12.75 m3/t,煤體堅(jiān)固性系數(shù)為0.17～0.48,煤層透氣性系數(shù)為1.1532×10-7m2/(MPa2·d),具有松軟低透特點(diǎn)。

2 試驗(yàn)區(qū)鉆孔布置及抽放效果考察分析

2.1 鉆孔布置方案

為測(cè)試不同孔距交叉鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯效果,找出合理的布孔間距,在12601工作面劃分4個(gè)區(qū)段,布置4組孔距分別為3 m、4 m、5 m、6 m的交叉鉆孔,依次分別記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。鉆孔總長(zhǎng)為22670.3 m,共280個(gè)鉆孔,每組交叉鉆孔由35個(gè)平行鉆孔和35個(gè)斜向鉆孔構(gòu)成。其中一孔與工作面平行,另一孔從平行孔下方穿過(guò)與工作面斜交,呈空間立體交叉。平行孔開(kāi)孔位置距離煤層底板1.2 m,鉆孔方向與軌道巷垂直,每組間隔30 m。交叉鉆孔兩孔間的高程差是影響預(yù)抽瓦斯效果的重要因素,取鉆孔直徑的5～8倍為宜。本次試驗(yàn)鉆孔直徑為78 mm,因此高程差控制在0.4～0.6 m之間。平行孔鉆孔長(zhǎng)度為75～80 m,平均長(zhǎng)度為77 m,斜向孔鉆孔長(zhǎng)度80～85 m,平均長(zhǎng)度為83.5 m,全部交叉鉆孔都采用聚氨酯材料進(jìn)行封孔,封孔深度為4 m,封孔長(zhǎng)度為1 m,每組鉆孔均設(shè)有孔板流量計(jì),定期記錄瓦斯抽放濃度和負(fù)壓。

2.2 鉆孔抽放效果考察分析

依據(jù)各組鉆孔的瓦斯抽采總量,瓦斯抽采濃度以及鉆孔總長(zhǎng)度,計(jì)算出各組交叉鉆孔的百米鉆孔瓦斯抽出純量qc,并結(jié)合時(shí)間形成測(cè)定數(shù)組(t, qc)。qc與時(shí)間t的關(guān)系遵循指數(shù)衰減規(guī)律：

式中：qc——在抽放時(shí)間為t時(shí),百米鉆孔瓦斯抽出量,m3/min·hm;

qc0——百米鉆孔初始瓦斯抽出量, m3/min·hm;

b——百米鉆孔瓦斯抽出量衰減系數(shù),d-1;

t——鉆孔抽放瓦斯時(shí)間,d。

同時(shí)可計(jì)算出當(dāng)t→∞時(shí),百米鉆孔極限瓦斯抽出量QCJ。12601工作面4組不同孔距交叉鉆孔的百米鉆孔瓦斯抽出量隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 不同孔距交叉鉆孔百米鉆孔瓦斯抽出量隨時(shí)間的變化情況

圖中擬合曲線(xiàn)按以下兩個(gè)原則處理：

(1)鉆孔在初始3 d或4 d出現(xiàn)抽放量比較大的現(xiàn)象,主要原因是鉆孔在成孔后沒(méi)有立即進(jìn)行抽放,導(dǎo)致在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)由于解吸瓦斯的積聚,造成了初始抽放量過(guò)大的問(wèn)題。因此在進(jìn)行曲線(xiàn)回歸分析時(shí)舍棄了這部分?jǐn)?shù)據(jù)。

(2)原始數(shù)據(jù)波動(dòng)較大,影響了指數(shù)函數(shù)回歸的相關(guān)性,因此對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮Y選,波動(dòng)過(guò)大的點(diǎn)不參與回歸分析,保證了相關(guān)性系數(shù)R2在0.8以上。

從圖1中可以看出：

(1)交叉鉆孔抽放瓦斯衰減程度分為兩個(gè)階段,第一階段抽放量有明顯衰減,第二階段衰減明顯變緩,分析原因認(rèn)為在抽放了一段時(shí)間后,隨著煤體水分的不斷排出,加大了煤層的透氣性,同時(shí)隨著瓦斯不斷向外排出,促使煤體發(fā)生了收縮變形,使煤體在一定程度上卸壓。在以上兩種原因的共同作用下,抵消了瓦斯抽放流量隨時(shí)間的衰減速率。

(2)隨著孔距從3 m到6 m不斷增大,其相應(yīng)的交叉鉆孔的百米鉆孔瓦斯抽出量衰減系數(shù)呈增大趨勢(shì)。當(dāng)孔距為6 m時(shí),其抽出量衰減系數(shù)是其他孔距的1.23～1.31倍。而交叉鉆孔的百米鉆孔極限瓦斯抽出量隨著孔距增大不斷降低,孔距為3 m時(shí)最大,瓦斯抽出量為5018.824 m3,孔距為6 m時(shí)最小,瓦斯抽出量為3009.439 m3,前者是后者的1.67倍。由此可見(jiàn),孔距是影響交叉鉆孔瓦斯抽出量的重要影響因素。減小鉆孔間距,可以增強(qiáng)鉆孔周?chē)鷳?yīng)力相互作用的區(qū)域,增強(qiáng)煤層的透氣性。

(3)在進(jìn)行數(shù)據(jù)整理繪制變化規(guī)律圖像時(shí),可以發(fā)現(xiàn)在某個(gè)時(shí)間內(nèi),交叉鉆孔百米瓦斯自然涌出量突然有所增加,主要原因可能是此時(shí)鉆孔正處于瓦斯富集帶,產(chǎn)生噴孔。

3 鉆孔合理孔距確定

預(yù)抽率是衡量鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯效果的重要指標(biāo)之一,指在一定的抽放時(shí)間和某一范圍內(nèi),鉆孔瓦斯抽出量與該范圍煤層瓦斯儲(chǔ)存量之比?！睹旱V瓦斯抽采基本指標(biāo)》(AQ1026-2006)(簡(jiǎn)稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn))規(guī)定了礦井采用不同的方法抽采煤層瓦斯應(yīng)達(dá)到相應(yīng)的瓦斯抽采率指標(biāo),標(biāo)準(zhǔn)指出預(yù)抽回采工作面瓦斯的抽采率應(yīng)達(dá)到25%。因此可以根據(jù)試驗(yàn)得到的各孔距鉆孔的百米鉆孔瓦斯抽出量隨時(shí)間變化的衰減規(guī)律方程式,結(jié)合礦井由于采掘接替和巷道維護(hù)允許的預(yù)抽期以及相關(guān)的參數(shù)計(jì)算出不同孔距的交叉鉆孔在預(yù)抽期內(nèi)預(yù)抽本煤層瓦斯的預(yù)抽率。

特別指出,在以往計(jì)算鉆孔的預(yù)抽率時(shí)通常認(rèn)為各鉆孔的預(yù)抽時(shí)間是一樣的,即所有鉆孔同時(shí)開(kāi)始預(yù)抽。實(shí)際上在計(jì)算預(yù)抽率時(shí)需要考慮鉆機(jī)打鉆和鉆孔預(yù)抽是同時(shí)進(jìn)行的,鉆孔分批打鉆,分批投入抽放。因此結(jié)合本礦井實(shí)際情況,由于作業(yè)緊張,只有一臺(tái)鉆機(jī)工作逐批進(jìn)行打鉆即一批鉆孔形成后立馬進(jìn)行抽采。在規(guī)定預(yù)抽期內(nèi),鉆孔預(yù)抽瓦斯總量：

式中：Qc——鉆孔預(yù)抽瓦斯總量,m3;

n——鉆孔分批投入抽采的批數(shù);

qc——百米鉆孔經(jīng)t時(shí)抽放時(shí)瓦斯流量, m3/min·hm;

ti——第i批鉆孔預(yù)抽瓦斯時(shí)間,d;

Li——第i批鉆孔總長(zhǎng)度,m。

而關(guān)于每批鉆孔預(yù)抽瓦斯時(shí)間：

式中：t0——滿(mǎn)足采掘交替和巷道維護(hù)的預(yù)抽期, d;

tji——鉆機(jī)從開(kāi)始打完1批鉆到打完第i批鉆的時(shí)間,d。

鉆孔預(yù)抽范圍內(nèi)煤體瓦斯儲(chǔ)量QH為：

式中：QH——鉆孔預(yù)抽范圍內(nèi)煤體瓦斯含量, m3/t;

m——煤層厚度,m;

γ——煤的容量,t/m3;

z——煤層瓦斯含量,m3/t;

Lc——交叉鉆孔預(yù)抽煤體瓦斯范圍沿工作面推進(jìn)方向長(zhǎng)度,m;

Lg——工作面含瓦斯帶有效寬度(考慮到瓦斯排放帶,小于工作面長(zhǎng)度),m。

則交叉鉆孔瓦斯預(yù)抽率為：式中：η——交叉鉆孔瓦斯預(yù)抽率,%。

昌達(dá)煤礦允許的預(yù)抽時(shí)間為220 d,將工作面煤層的相關(guān)特征參數(shù)代入式(5)可得,孔距為3 m的交叉鉆孔的預(yù)抽率為28.32%,孔距為4 m的鉆孔預(yù)抽率為27.43%,孔距為5 m的鉆孔預(yù)抽率為23.12%,孔距為6 m的鉆孔預(yù)抽率僅為21.12%。故可知孔距為3 m和孔距4 m的交叉鉆孔的預(yù)抽率均可滿(mǎn)足在預(yù)抽期內(nèi)抽采率達(dá)標(biāo)要求。

但鉆孔間距越小,鉆孔工程量和施工成本就越大?？拙酁? m和孔距為4 m時(shí)相比,經(jīng)計(jì)算4 m孔距所需施工鉆孔總費(fèi)用比3 m孔距減少120.23萬(wàn)元。故綜合考慮交叉鉆孔預(yù)抽本煤層瓦斯的合理孔距為4 m。

4 相鄰工作面應(yīng)用

12602工作面是12601工作面的相鄰工作面,其自然條件與12601工作面相似,在12602工作面布置孔距為4 m的交叉鉆孔預(yù)抽本煤層瓦斯,經(jīng)過(guò)220 d的預(yù)抽期,根據(jù)瓦斯抽采效果對(duì)12602工作面進(jìn)行評(píng)價(jià)：瓦斯預(yù)抽率達(dá)到26.57%,略低于理論計(jì)算值,主要是因?yàn)樵趯?shí)際的抽采過(guò)程中,由于煤層松軟,個(gè)別交叉鉆孔出現(xiàn)了塌孔現(xiàn)象,并沒(méi)有完全發(fā)揮抽采能力,同時(shí)理論計(jì)算的過(guò)程具備理想化特點(diǎn),因此兩者出現(xiàn)了數(shù)值差異。但瓦斯預(yù)抽率滿(mǎn)足大于25%的要求,即該工作面瓦斯預(yù)抽達(dá)標(biāo)。通過(guò)此次工作面瓦斯抽采效果得知,可以在本煤層的其他工作面或者自然條件相似的相鄰礦井推廣應(yīng)用,解決煤層透氣性低,瓦斯難抽采問(wèn)題。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)試驗(yàn)研究得出孔距為3 m、4 m、 5 m、6 m時(shí)百米鉆孔瓦斯抽出量隨時(shí)間的衰減規(guī)律。根據(jù)計(jì)算預(yù)抽率的理論方程式推算得出預(yù)抽期為220 d時(shí),各孔距交叉鉆孔預(yù)抽工作面瓦斯的預(yù)抽率。

(2)孔距為3 m和孔距為4 m的交叉鉆孔均可滿(mǎn)足規(guī)定預(yù)抽期為220 d時(shí),抽采率達(dá)到25%的達(dá)標(biāo)要求,綜合考慮鉆孔工程量和施工成本,確定鉆孔合理孔距為4 m。

(3)在相鄰的12602工作面布置孔距為4 m的交叉鉆孔預(yù)抽瓦斯,對(duì)預(yù)抽效果進(jìn)行驗(yàn)證,在規(guī)定預(yù)抽期220 d內(nèi)抽采率為26.57%,與理論值相差不大,故可以在本煤層的其他工作面推廣應(yīng)用。

[1] 林柏泉,張建國(guó).礦井瓦斯抽放理論與技術(shù)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1996

[2] 張晉京.本煤層交叉鉆孔預(yù)抽瓦斯試驗(yàn)研究[J].中國(guó)煤炭,2007(3)

[3] 張小剛,王沉.高瓦斯工作面順層抽放鉆孔模擬設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].煤炭工程,2014(11)

[4] 常曉紅.底板巖巷網(wǎng)格穿層抽采鉆孔間距的優(yōu)化研究[J].煤礦開(kāi)采,2013(5)

[5] 陳國(guó)新,王玉武,孫波.交叉鉆孔預(yù)抽本煤層瓦斯在平頂山礦區(qū)的應(yīng)用[J].煤礦安全,2002(10)

[6] 李樹(shù)剛,李志梁,林海飛等.煤層瓦斯合理預(yù)抽期研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2014(6)

[7] 方前程,王兆豐,楊利平.鶴壁礦區(qū)煤層瓦斯合理預(yù)抽期的研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2007(8)

[8] 程遠(yuǎn)平,俞啟香,周紅星.煤礦瓦斯治理“先抽后采”的實(shí)踐與作用[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào), 2006(4)

[9] 程遠(yuǎn)平,俞啟香.中國(guó)煤礦區(qū)域性瓦斯治理技術(shù)的發(fā)展[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2007(4)

[10] AQ1026-2006,煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)[S].北京：煤炭工業(yè)出版社,2006

(責(zé)任編輯 張艷華)

中央企業(yè)煤炭資產(chǎn)管理平臺(tái)公司成立運(yùn)行

為貫徹落實(shí)黨中央、國(guó)務(wù)院關(guān)于供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革重大部署,推動(dòng)中央企業(yè)化解煤炭過(guò)剩產(chǎn)能和實(shí)現(xiàn)煤炭產(chǎn)業(yè)脫困發(fā)展,近日,中國(guó)國(guó)新、誠(chéng)通集團(tuán)、中煤集團(tuán)、神華集團(tuán)出資組建的中央企業(yè)煤炭資產(chǎn)管理平臺(tái)公司即國(guó)源煤炭資產(chǎn)管理有限公司成立運(yùn)行(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“國(guó)源公司”)。國(guó)源公司的主要任務(wù)是配合落實(shí)中央企業(yè)化解煤炭過(guò)剩產(chǎn)能,推動(dòng)優(yōu)化整合涉煤中央企業(yè)煤炭資源,促進(jìn)涉煤中央企業(yè)瘦身健體、提質(zhì)增效、結(jié)構(gòu)調(diào)整和改革脫困。

中央企業(yè)煤炭資產(chǎn)管理平臺(tái)公司身上承擔(dān)著新一輪國(guó)有資產(chǎn)管理體制改革的歷史使命。與誠(chéng)通、國(guó)新兩家平臺(tái)公司不同的是,這家平臺(tái)公司的主要業(yè)務(wù)范圍聚焦在煤炭行業(yè)內(nèi)。

Research on reasonable hole spacing of pre-drainage cross drilling borehole in low permeability coal seam

Zhang Yichun,Xing Yuzhong
(College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi 030024,China)

Cross drilling drainage technology was utilized for gas pre-drainage at No.2 low permeability coal seam in Changda Coal Mine,Shanxi.Aiming at achieving optimum drainage effect and saving costs at the same time,in-situ experiment was taken at 12601 work face,figuring out attenuation law of gas drainage amount at 100-meter borehole for different 100-meter cross boreholes spacing and establishing theoretical equation of pre-drainage rate,finally computing pre-drainage rate of drilling boreholes with each hole spacing when drainage period is 220 days.The results showed that cross boreholes with 3 and 4 meters hole spacing are both reasonable under the requirement of 220 days drainage period and 25%pre-drainage rate.However,the latter one has less project work amount than the former,which means much better economic benefits,so it is optimum when holes spacing is 4 meters.Results from neighboring work faces came up to this research,further confirming that the research outcomes could be applied to other work faces at this coal seam.

cross drilling,gas permeability,reasonable bore spacing,effect analysis,predrainage rate

TD712.62

A

張頤純(1990-),男,山西太原人,在讀碩士研究生,主要從事礦井通風(fēng)及災(zāi)害防治方面研究。