布孔間距和抽采時(shí)長(zhǎng)對(duì)K1指標(biāo)的影響分析

王栓林趙 晶張志榮

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院,北京市朝陽(yáng)區(qū),100013; 2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院),北京市朝陽(yáng)區(qū),100013)

布孔間距和抽采時(shí)長(zhǎng)對(duì)K1指標(biāo)的影響分析

王栓林1,2趙 晶1,2張志榮1,2

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院,北京市朝陽(yáng)區(qū),100013; 2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院),北京市朝陽(yáng)區(qū),100013)

依據(jù)鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值的數(shù)學(xué)表達(dá)式,分別求出K1值對(duì)瓦斯壓力和抽采時(shí)間的偏導(dǎo)數(shù),分析其變化率表明:布孔間距對(duì)K1指標(biāo)的影響程度大于抽采時(shí)間,且布孔間距越小,抽采時(shí)間越長(zhǎng),K1指標(biāo)降低越大,消突鉆孔效果越顯著.通過(guò)在掘進(jìn)工作面設(shè)計(jì)不同布孔間距的消突鉆孔進(jìn)行測(cè)試和對(duì)比分析,結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性分析,優(yōu)化鉆孔施工工藝和工作面掘進(jìn)工序,得到最佳消突鉆孔的布孔間距和抽排放時(shí)長(zhǎng).

瓦斯突出K1指標(biāo) 布孔間距 抽采時(shí)長(zhǎng) 突出預(yù)測(cè) 消突措施

鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值被廣泛地應(yīng)用于煤巷掘進(jìn)和石門(mén)揭煤工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)當(dāng)中,眾多學(xué)者針對(duì)其臨界值、測(cè)定影響因素等進(jìn)行分析研究.胡千庭分析認(rèn)為以K1指標(biāo)預(yù)測(cè)以地應(yīng)力為主導(dǎo)因素的壓出、傾出類動(dòng)力現(xiàn)象敏感性較差;陳建忠等對(duì)潘三礦突出指標(biāo)的敏感性進(jìn)行排序,并得出該礦鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1為不敏感指標(biāo);史廣山等研究表明K1能夠很好地反映瓦斯壓力的大小,并且與瓦斯壓力成冪指數(shù)關(guān)系;高新春等分析認(rèn)為瓦斯含量與K1值成對(duì)數(shù)關(guān)系,并據(jù)此實(shí)現(xiàn)工作面瓦斯含量的快速測(cè)定;趙旭生等從鉆屑采樣、鉆孔布置、儀器操作等多方面分析K1值測(cè)定誤差的影響因素;孔勝利等通過(guò)理論分析確定礦井K1值的臨界值來(lái)指導(dǎo)工程實(shí)踐.

前人的研究多傾向于K1值在不同條件下的敏感性及其測(cè)定的影響因素,但在煤礦生產(chǎn)防突預(yù)測(cè)和消突鉆孔實(shí)施過(guò)程當(dāng)中要實(shí)施“四位一體”的防突措施,受采掘接替緊張、防突鉆孔施工時(shí)間長(zhǎng)、鉆孔抽排放時(shí)間短等因素的影響,且多數(shù)礦井采用《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中的0.5 m L/g·min1/2作為參考臨界值,措施鉆孔的布孔間距和抽排放時(shí)長(zhǎng)直接影響礦井的安全成本和掘進(jìn)進(jìn)度,本文通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)比分析布孔間距和抽采時(shí)長(zhǎng)對(duì)K1指標(biāo)的影響程度,優(yōu)化了防突鉆孔施工工序,縮短了消突耗時(shí),給巷道掘進(jìn)工序提供優(yōu)化參考建議,生產(chǎn)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著.

1 K1指標(biāo)理論分析

1.1K1指標(biāo)的提出

研究表明煤與瓦斯突出主要由地應(yīng)力、煤層瓦斯壓力和煤體的物理力學(xué)性質(zhì)三方面的因素決定,K1值是目前區(qū)域和局部煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)和效果檢驗(yàn)的主要指標(biāo)之一,K1源于R.M.Barrer研究天然沸石對(duì)各種氣體的吸附速度基礎(chǔ)上測(cè)定:

式中:Qt——t時(shí)刻煤樣累計(jì)瓦斯解吸量,m L/g;

K1——煤樣暴露1 min內(nèi)的瓦斯解吸量, m L·(g·min1/2)-1.

K1指標(biāo)的物理意義相當(dāng)于是煤樣暴露1 min內(nèi)的瓦斯解吸量,測(cè)定出的K1值越大,則突出危險(xiǎn)性越大.目前廣泛使用WTC和YTC突出參數(shù)測(cè)試儀進(jìn)行K1指標(biāo)測(cè)定,是測(cè)定10組數(shù)據(jù)后采用最小二乘法擬合計(jì)算得出的,其值的大小主要受煤樣的分鐘瓦斯解吸量影響.

1.2K1指標(biāo)影響理論分析

當(dāng)掘進(jìn)工作面K1指標(biāo)超過(guò)臨界值時(shí),需要施工消突鉆孔,通過(guò)排放或者抽放來(lái)降低突出危險(xiǎn)性.煤體瓦斯解吸規(guī)律是K1指標(biāo)的基礎(chǔ)理論支撐,瓦斯在原始煤體中的賦存包括游離和吸附兩種狀態(tài),并處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),當(dāng)受到抽排放鉆孔施工等外界擾動(dòng)影響時(shí),吸附瓦斯會(huì)向游離態(tài)轉(zhuǎn)化,增加瓦斯解吸量,這種轉(zhuǎn)化遵循煤體瓦斯解吸規(guī)律.通常使用排放半徑或者抽放半徑作為消突鉆孔設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)依據(jù).

史廣山等根據(jù)擴(kuò)散理論和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1的物理意義推導(dǎo)出:

式中:D——擴(kuò)散系數(shù),m2/s;

d——煤粒半徑,m;

a、b——吸附常數(shù);

P——煤層瓦斯壓力,MPa;

Mad——水分,%;

Aad——灰分,%;

λ——孔隙率,%;

n——自然數(shù),1,2,3,…;

γ——視密度,t/m3.

針對(duì)山西省呂梁宏巖煤礦6＃煤層運(yùn)輸下山掘進(jìn)面,將D＝1×10-10m2/s,d＝2 mm,n＝100,a＝29.942 m3/t,b＝0.750 MPa-1,Mad＝0.40%,Aad＝6.88%,λ＝19.26%,γ＝1.28 t/ m3代入式(2),得:

本文結(jié)合工作面掘進(jìn)和抽排放鉆孔施工時(shí)間接續(xù)緊張的問(wèn)題,主要從抽排放鉆孔布孔間距和抽采時(shí)長(zhǎng)兩個(gè)方面進(jìn)行理論分析,通過(guò)K1指標(biāo)對(duì)P1的偏導(dǎo)數(shù)式(5)和K1指標(biāo)對(duì)時(shí)間t的偏導(dǎo)數(shù)式(6)的比較,P1的變化率要大于時(shí)間t的變化率,推斷煤層瓦斯壓力比抽采時(shí)長(zhǎng)對(duì)K1指標(biāo)的影響程度大.

理論分析認(rèn)為:布孔間距對(duì)K1指標(biāo)的影響程度大于抽采時(shí)間,且布孔間距越小,抽采時(shí)間越長(zhǎng),K1指標(biāo)降低越大,消突鉆孔效果越顯著.

2 K1指標(biāo)測(cè)試分析

2.1 掘進(jìn)工作面概況

山西省呂梁市宏巖煤礦設(shè)計(jì)產(chǎn)能90萬(wàn)t/a,可采煤層為山西組4＃、5上＃煤層和太原組6＃、9＃、10＃煤層,目前主要開(kāi)采9＃、10＃煤層.9＃煤層位于太原組下部,上距6＃煤層平均34.14 m,煤層厚度0.96～1.90 m,平均1.58 m,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,含0～1夾矸,頂板巖性為中砂巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖,底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖;10＃煤層位于太原組中部,上距9＃煤層平均2.85 m.煤層厚度3.89～6.80 m,平均5.09 m,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,含夾矸1～4層,煤層厚度大且穩(wěn)定,屬穩(wěn)定全區(qū)可采煤層,頂板為砂質(zhì)泥巖、泥巖,底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖,在井田內(nèi)東部與9＃煤層合并為9＃+10＃煤層,屬穩(wěn)定全區(qū)可采煤層.運(yùn)輸下山掘進(jìn)工作面布置在9＃+10＃煤層中,沿10＃煤層底板掘進(jìn),巷道上部預(yù)留600 mm煤層,主要用于9＃+10＃煤層回采運(yùn)輸.

運(yùn)輸下山設(shè)計(jì)矩形斷面凈寬4.5 m,凈高4.5 m,凈斷面20.25 m2,巷道長(zhǎng)度為1455 m,采用錨網(wǎng)噴+錨索+鋼帶聯(lián)合支護(hù).

2.2 消突鉆孔設(shè)計(jì)

該礦井瓦斯等級(jí)鑒定為高瓦斯礦井,在掘進(jìn)過(guò)程中加強(qiáng)了瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)的測(cè)試,測(cè)定瓦斯含量為10 m3/t,煤的堅(jiān)固系數(shù)值為0.14,瓦斯放散初速度為16.2～19.8 mm Hg,按照掘進(jìn)工作面局部防突管理.

根據(jù)礦井采掘情況,及時(shí)測(cè)定瓦斯解吸指標(biāo)K1值和鉆屑量S值,為方便對(duì)比分析,運(yùn)輸下山掘進(jìn)至420 m處(方案Ⅰ)時(shí),施工?94 mm的抽排放鉆孔,間排距為0.8 m×0.8 m,具體鉆孔參數(shù)如表1所示,斷面布置如圖1(a)所示.當(dāng)掘進(jìn)至519 m處(方案Ⅱ)時(shí),施工?94 mm的抽排放鉆孔,間排距為1.0 m×1.0 m,具體鉆孔參數(shù)如表1所示,斷面布置如圖1(b)所示.

圖1 運(yùn)輸下山巷道斷面抽排放鉆孔

表1 運(yùn)輸下山420 m和519 m處抽排放鉆孔參數(shù)

2.3K1值測(cè)試方案

2015年4月25日開(kāi)始在運(yùn)輸下山掘進(jìn)工作面測(cè)定K1值,4月27日測(cè)試K1值為0.52 m L/g· min1/2,超過(guò)臨界值0.5 m L/g·min1/2,5月1日-6日依據(jù)消突鉆孔設(shè)計(jì)在運(yùn)輸下山420 m處正前施工抽排放鉆孔23個(gè),5月31日-6月3日在運(yùn)輸下山519 m處施工抽排放鉆孔14個(gè),依據(jù)《鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)測(cè)定方法(AQ/T1065-2008)》進(jìn)行瓦斯解吸指標(biāo)K1值和鉆屑量S值跟蹤測(cè)試.

2.4 測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

將運(yùn)輸下山跟蹤測(cè)試的鉆屑解吸指標(biāo)K1值和鉆屑量S值的測(cè)定數(shù)據(jù)繪制成曲線見(jiàn)圖2.

圖2中Ⅰ位置為420 m處施工23個(gè)鉆孔的位置,Ⅱ位置為519 m處施工14個(gè)鉆孔的位置,施工后在掘進(jìn)過(guò)程當(dāng)中K1值均能夠降到參考臨界值0.5 m L/g·min1/2以下,但是由于位置Ⅰ抽排放鉆孔布孔間距小于位置Ⅱ,位置Ⅰ后續(xù)掘進(jìn)期間K1值明顯小于位置Ⅱ,且在掘進(jìn)的100 m過(guò)程當(dāng)中,K1值一直處于0.2～0.3 m L/g·min1/2的低位水平,測(cè)試表明抽排放鉆孔的布孔間距對(duì)K1指標(biāo)有很大影響,布孔間距越小,檢驗(yàn)消突工作面突出危險(xiǎn)性效果的K1指標(biāo)測(cè)定值越小,鉆屑量S值變化不明顯.

圖2 K1和S值跟蹤測(cè)試曲線

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

將方案Ⅰ和方案Ⅱ設(shè)計(jì)的消突鉆孔分別作為局部消突措施時(shí),對(duì)各方案的鉆孔施工時(shí)間、月度有效掘進(jìn)時(shí)間、掘進(jìn)進(jìn)尺、鉆孔施工成本4方面進(jìn)行對(duì)比,具體見(jiàn)表2,并繪制施工進(jìn)度見(jiàn)圖3.

表2 方案Ⅰ和方案Ⅱ?qū)Ρ确治?/p>

圖3 抽排放鉆孔施工月進(jìn)度

通過(guò)方案Ⅰ和方案Ⅱ的對(duì)比分析,方案Ⅰ的鉆孔施工成本較高,方案Ⅱ的有效掘進(jìn)時(shí)間較長(zhǎng),在均能達(dá)到消突效果的前提下,方案Ⅰ巷道掘進(jìn)的防突瓦斯治理成本為1682.54元/m,方案Ⅱ?yàn)?51.95元/m,從技術(shù)經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)考慮,方案Ⅱ要優(yōu)于方案Ⅰ,因此在實(shí)際中要考慮抽排放鉆孔的合理間距,以達(dá)到技術(shù)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化.

4 結(jié)論

(1)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明:抽排放鉆孔的布孔間距對(duì)K1指標(biāo)的影響程度大于抽采時(shí)間,且布孔間距越小,抽采時(shí)間越長(zhǎng),K1指標(biāo)降低越大,消突鉆孔效果越顯著.

(2)在局部消突鉆孔設(shè)計(jì)布置過(guò)程當(dāng)中,除考慮以抽采半徑為基礎(chǔ)之外,還要結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較來(lái)確定抽排放鉆孔的合理間距.

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(責(zé)任編輯 張艷華)

Analysis of influence of borehole layout and drainage duration on K1index

Wang Shuanlin1,2,Zhao Jing1,2,Zhang Zhirong1,2
(1.Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute,Chaoyang,Beijing 100013,China; 2.State Key Laboratory of Efficient Exploitation and Utilization of Coal Resources (China Coal Research Institute),Chaoyang,Beijing 100013,China)

Based on the mathematics equation for gas desorption index of drilling chips (K1),partial derivative ofK1value on gas pressure and pumping time was calculated and analysis of its variation ratio indicated that the extent of influence of hole spacing onK1index is greater than that of drainage time,and smaller borehole spacing and longer drainage duration meant smallerK1index,which reflected more significant outburst control performance.Comparative measurement and analysis of outburst removing conditions with different design spacing layout at driving face,associated with technical and financial feasibility analysis,helped optimize drilling techniques and driving procedures at working face,figuring out optimum borehole layout and drainage duration for outburst-removing.

gas outburst,K1index,borehole layout,drainage duration,outburst prediction,outburst removing

TD713

A

王栓林(1983-),男,山西繁峙人,助理研究員,碩士,主要從事煤礦瓦斯治理與利用工程技術(shù)方面的科研和管理工作。