鳳凰山煤礦16#煤層瓦斯抽采半徑考察

林海峰

(1.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧省沈陽市，110016; 2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧省撫順市，113122)

?

★ 煤礦安全 ★

鳳凰山煤礦16#煤層瓦斯抽采半徑考察

林海峰1,2

(1.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧省沈陽市，110016; 2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧省撫順市，113122)

瓦斯抽采半徑的確定是制定防突措施的根本依據(jù),合適的選取能充分利用鉆孔以提高礦井的瓦斯抽采率。本文利用相對(duì)瓦斯壓力指標(biāo)來現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)定鳳凰山煤礦16#煤層抽采瓦斯半徑，得出抽采時(shí)間為80 d時(shí)，抽采有效半徑為2.2 m，抽采影響半徑為3.2 m。

抽采半徑 相對(duì)壓力指標(biāo) 順層鉆孔 極限抽采時(shí)間

衡量瓦斯抽采效果最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)就是抽采鉆孔間距的確定。若是間排距過大，在煤層抽采區(qū)域中會(huì)產(chǎn)生空白區(qū)，不能起到預(yù)期的完全有效地抽采效果，極大地威脅生產(chǎn)安全；若是間排距過小，則會(huì)產(chǎn)生生產(chǎn)材料、人工的浪費(fèi)。鉆孔抽采有效半徑的精準(zhǔn)確定，對(duì)抽采鉆孔科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)及施工技術(shù)尤為重要，還能節(jié)約額外的人工、材料成本，維護(hù)現(xiàn)場(chǎng)施工安全。

1 測(cè)定方法

現(xiàn)場(chǎng)打鉆測(cè)定法與軟件模擬是當(dāng)今最為常用的確定鉆孔有效抽采半徑的方法，兩者也可結(jié)合綜合測(cè)定衡量。因此本文選擇鉆孔測(cè)定法及瓦斯壓力指標(biāo)來實(shí)際考察鳳凰山煤礦16#煤層鉆孔抽采瓦斯的有效半徑。

1.1 相對(duì)壓力指標(biāo)的測(cè)定依據(jù)

壓力指標(biāo)法的測(cè)定是基于《煤礦安全規(guī)程》第一百九十條規(guī)定：預(yù)抽煤層瓦斯后，必須對(duì)預(yù)抽瓦斯防治突出效果進(jìn)行檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)的指標(biāo)之一是煤層瓦斯預(yù)抽率大于30%(若是突出礦井要滿足瓦斯含量小于8 m3/t)，即要求抽采后的瓦斯含量低于抽采前的0.3倍以上。在實(shí)際中誤差在允許范圍之內(nèi)，煤層瓦斯含量X與瓦斯壓力P形成下列拋物線相關(guān)：

(1)

式中：X——煤層瓦斯含量，m3/t；

α——煤層瓦斯含量系數(shù)，m3/(t·MPa0.5)；

P——煤層瓦斯壓力，MPa。

因此，抽采前后瓦斯含量降低的比例和瓦斯壓力降低的比例也存在拋物線關(guān)系。如果煤層預(yù)抽率為30%，即殘余瓦斯含量為原始瓦斯含量的70%。通過計(jì)算可知，此時(shí)殘余瓦斯壓力為原始瓦斯壓力的49%，瓦斯壓力下降量為51%。壓力指標(biāo)法測(cè)定鉆孔的有效半徑就是依據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行判定。

1.2 相對(duì)壓力指標(biāo)法的施工步驟

在煤層間隔一定距離施工一組測(cè)壓孔，每個(gè)測(cè)壓孔均安裝上一塊壓力表，分別詳細(xì)記錄各測(cè)壓孔的原煤瓦斯壓力P1、P2、P3、P4……Pn；直到每個(gè)測(cè)壓孔表壓穩(wěn)定不變時(shí)，補(bǔ)打煤層瓦斯預(yù)抽鉆孔，待預(yù)抽鉆孔施工完畢后，連接瓦斯抽采系統(tǒng)開始預(yù)抽，并定時(shí)觀測(cè)記錄好各測(cè)壓孔的壓力值，對(duì)比變化幅度，確定最終瓦斯壓力降至預(yù)抽前瓦斯壓力超過10%幅度的鉆孔即是抽采影響區(qū)域內(nèi)的鉆孔，而離預(yù)抽鉆孔最遠(yuǎn)的那個(gè)預(yù)抽影響區(qū)域內(nèi)鉆孔至預(yù)抽鉆孔的距離即是抽采影響半徑。

基于各個(gè)測(cè)壓孔的原煤瓦斯壓力與預(yù)抽后的壓力，即能掌握各測(cè)壓孔的預(yù)抽率。若A號(hào)孔與A號(hào)孔之前的各測(cè)壓孔的瓦斯壓力下降幅度均不小于51%，而A號(hào)孔之后的測(cè)壓孔均小于51%，則A號(hào)孔與預(yù)抽鉆孔的間距即為預(yù)抽鉆孔的有效抽采半徑。

所以，衡量預(yù)抽鉆孔瓦斯抽采影響半徑標(biāo)準(zhǔn)是瓦斯壓力下降幅度超過10%；衡量預(yù)抽鉆孔有效抽采半徑標(biāo)準(zhǔn)是瓦斯壓力下降幅度超過51%。

2 考察方案設(shè)計(jì)

鳳凰山煤礦16#煤層1163工作面開采一采區(qū)+1512 m水平，埋深在100～128 m之間，走向長度為180 m，傾向長度為100 m，平均煤層厚度為2.0 m，頂板多為粉砂巖或細(xì)砂巖，底板為灰色泥巖。構(gòu)造比較簡單，總體呈單斜構(gòu)造，煤層傾角在2°～8°之間。

本次對(duì)鳳凰山煤礦16#煤層采用順層鉆孔測(cè)定抽采半徑，在1163運(yùn)輸聯(lián)巷距進(jìn)口端80 m處左幫中部沿巷道掘進(jìn)方向布置一組考察鉆孔進(jìn)行考察，其中，布置1個(gè)預(yù)抽孔，1#、2#、3#、4#、5#孔為測(cè)壓孔，依次布置在預(yù)抽孔兩側(cè)，距其孔間距分別為0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m，所有鉆孔開孔直徑均為75 mm，孔深為50 m，預(yù)抽孔封孔長度為8 m，測(cè)壓孔封孔長度為40 m，其鉆孔布置如圖1所示。

圖1 16#煤層抽采半徑考察鉆孔設(shè)計(jì)圖

圖2 各鉆孔壓力值隨抽采時(shí)間變化曲線

3 觀測(cè)結(jié)果分析

鳳凰山煤礦16#煤層抽采半徑現(xiàn)場(chǎng)工作于2016年1月1日施工完5個(gè)測(cè)壓鉆孔并進(jìn)行觀測(cè)。截止到2016年1月14日各測(cè)壓鉆孔壓力值穩(wěn)定7 d不變，1月15日施工預(yù)抽鉆孔并與抽采系統(tǒng)連接進(jìn)行預(yù)抽。之后每日觀察壓力值變化情況，直至2016年2月25日觀測(cè)結(jié)束，共觀測(cè)42 d。通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析，分別繪制了每個(gè)測(cè)壓鉆孔的壓力值變化曲線圖，如圖2所示。

由圖2可知，自預(yù)抽鉆孔進(jìn)行預(yù)抽瓦斯后，1#、2#、3#、4#、5#鉆孔瓦斯壓力降至抽采影響線的時(shí)間分別為3 d、9 d、19 d、30 d、40 d，說明在預(yù)抽時(shí)間達(dá)到40 d時(shí)，所有鉆孔均在預(yù)抽影響范圍之內(nèi)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的抽采影響半徑為2.5 m；自預(yù)抽鉆孔進(jìn)行預(yù)抽瓦斯后，1#、2#、3#鉆孔瓦斯壓力降至抽采有效線的時(shí)間分別為8 d、19 d、39 d，說明在預(yù)抽時(shí)間達(dá)到39 d時(shí)，1#、2#、3#鉆孔均在預(yù)抽有效范圍之內(nèi)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的抽采有效半徑為1.5 m，4#、5#鉆孔在預(yù)抽有效范圍之外。由于考察時(shí)間有限，不能完全考察出16#煤層抽采影響半徑與抽采有效半徑，這就需要引入極限抽采時(shí)間概念，進(jìn)一步對(duì)抽采影響半徑與抽采時(shí)間、抽采有效半徑與抽采時(shí)間關(guān)系進(jìn)行數(shù)值擬合及分析，從而確定出抽采影響半徑與抽采有效半徑的具體數(shù)值。

4 抽采有效半徑的確定

4.1 極限抽采時(shí)間

實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用得出，鉆孔的有效抽采半徑由瓦斯壓力、煤層透氣性、抽采負(fù)壓及抽采時(shí)間等多種因素單一作用或綜合作用而決定的。

鉆孔抽采時(shí)間是基于采、掘接替所規(guī)定的預(yù)抽時(shí)間、規(guī)定的抽采率及煤層透氣性等多種因素綜合考察，而鉆孔的有效抽采時(shí)間應(yīng)小于極限抽采時(shí)間Tj：

Qf——鉆孔累計(jì)抽采瓦斯量，m3；

Qi——瓦斯極限抽采量，m3；

Tj——極限抽采時(shí)間，d；

α——鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)，d-1。

(5)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，16#煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.0478 d-1，根據(jù)式(5)可得到16#煤層鉆孔極限抽采時(shí)間為63 d。

4.2 抽采有效半徑與抽采時(shí)間關(guān)系

一定埋藏條件下，鉆孔附近煤體透氣性變化和瓦斯預(yù)抽量呈線性關(guān)系，基于瓦斯流動(dòng)理論，推算出有效抽采半徑和抽采時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系。提取每個(gè)鉆孔瓦斯壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值擬合，每個(gè)鉆孔瓦斯壓力值至抽采有效線所需時(shí)間和此鉆孔與抽采鉆孔距離進(jìn)行線性擬合，得到16#煤層的瓦斯抽采影響半徑與有效抽采半徑：

式中：Ry——抽采影響半徑，m；

Rc——有效抽采半徑，m；

t——抽采時(shí)間，d。

將不同的抽采時(shí)間帶入式(6)和式(7)，得到16#煤層理論狀態(tài)下抽采時(shí)間和抽采半徑關(guān)系，見表1。

表1 16#煤層抽采時(shí)間與抽采半徑關(guān)系表

4.3 抽采鉆孔有效抽采半徑確定

基于上述計(jì)算過程而確定鳳凰山煤礦16#煤層抽采63 d時(shí)，鉆孔有效抽采率已至95%?？紤]煤礦采掘接續(xù)，將抽采時(shí)間80 d得到的抽采效果視作鳳凰山煤礦16#煤層瓦斯抽采半徑考察經(jīng)濟(jì)點(diǎn)，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際非常吻合。在目前具備的抽采條件(孔口抽采負(fù)壓>15 kPa)下，采用直徑為75 mm的鉆頭打鉆孔，抽采時(shí)間為80 d時(shí)，16#煤層的抽采有效半徑為2.2 m，抽采影響半徑為3.2 m。

5 結(jié)論

本文采用相對(duì)壓力指標(biāo)法，通過理論分析與現(xiàn)場(chǎng)考察相結(jié)合的方法，通過引入極限抽采時(shí)間的概念，對(duì)鳳凰山煤礦16#煤層抽采影響半徑與抽采時(shí)間、抽采有效半徑與抽采時(shí)間關(guān)系進(jìn)行擬合分析，進(jìn)而得出鳳凰山煤礦16#煤層在目前具備的抽采條件(孔口抽采負(fù)壓>15 kPa)下，采用直徑為75 mm的鉆頭打鉆孔，抽采時(shí)間為80 d時(shí)，抽采有效半徑為2.2 m，抽采影響半徑為3.2 m。

[1] 呂貴春.可解吸瓦斯含量降低法在順層鉆孔瓦斯抽采半徑考察中的應(yīng)用[J].礦業(yè)安全與環(huán)保, 2012(2)

[2] 唐兵,司春風(fēng),孟賢正.鉆孔瓦斯抽采半徑的確定方法及實(shí)踐[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2012(4)

[3] 劉華鋒,陳輝.順層鉆孔瓦斯抽采半徑確定及抽采效果考察研究[J].中國煤炭,2013(6)

(責(zé)任編輯 張艷華)

Investigation for gas drainage radius of No. 16 coal seam at Fenghuangshan Mine

Lin Haifeng1,2

(1. Shenyang Research Institute, China Coal Technology & Engineering Group, Shenyang, Liaoning 110016, China; 2. State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun, Liaoning 113122, China)

Determination of gas drainage radius was the fundamental basis of formulating gas outburst prevention measures, suitable choice of drainage radius could make the most of boreholes to improve gas drainage rate. This paper used relative gas pressure index to take in-situ test to measure drainage radius of No. 16 coal seam at Fenghuangshan Mine, the test results showed that effective drainage radius was 2.2 m and influenced radius was 3.2 m when drainage time was 80 days.

drainage radius, relative pressure index, drilling along level bed, limit drainage time

林海峰.鳳凰山煤礦16#煤層瓦斯抽采半徑考察[J].中國煤炭，2017，43(4)：137-139，144. Lin Haifeng. Investigation for gas drainage radius of No. 16 coal seam at Fenghuangshan Mine[J]. China Coal, 2017，43(4)：137-139，144.

TD712

A

林海峰(1986-)，男，遼寧阜新人，漢族，助理研究員，碩士，從事礦井瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)研究工作。