水力沖孔鉆孔合理抽采時(shí)間研究

李 鋒 馬 耕 陶云奇

(河南能源化工集團(tuán)研究總院有限公司，河南省鄭州市，450046)

目前，水力沖孔卸壓增透技術(shù)已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，并取得了明顯的區(qū)域性消突效果。水力沖孔對(duì)煤層卸壓增透的作用主要體現(xiàn)在：水力沖孔利用高壓水射流沖出大量煤與瓦斯，釋放煤體的突出潛能和瓦斯內(nèi)能；沖孔過(guò)程中，高壓水濕潤(rùn)煤體，增加了煤的流變性，降低了煤體內(nèi)部的應(yīng)力集中，進(jìn)一步消除其突出危險(xiǎn)性；高壓水進(jìn)入煤體裂隙，促進(jìn)煤層裂隙的擴(kuò)張和發(fā)育，增加了煤層的透氣性，使得水力沖孔的瓦斯抽采半徑要比一般的鉆孔大得多，從而增加了瓦斯抽采量，增大了煤層中卸壓增透的范圍。

在水力沖孔卸壓增透技術(shù)中，瓦斯抽采是水力沖孔卸壓增透的目的。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)水力沖孔的孔洞、水力沖孔卸壓半徑、水力沖孔后瓦斯排放的機(jī)理進(jìn)行了深入研究，但針對(duì)水力沖孔后的合理抽采時(shí)間研究相對(duì)較少，因此，深入研究水力沖孔后瓦斯抽采時(shí)間對(duì)鉆孔設(shè)計(jì)施工以及煤礦巷道工程部署有著十分重要的意義。

本文通過(guò)在中馬村礦現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)考察水力沖孔不同時(shí)期的瓦斯抽采情況，綜合理論分析和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并結(jié)合數(shù)值分析研究水力沖孔后的最佳瓦斯抽采時(shí)間，為進(jìn)一步推廣水力沖孔技術(shù)提供參考。

1 水力沖孔鉆孔合理抽采時(shí)間

通過(guò)分析水力沖孔后鉆孔瓦斯抽采情況，建立水力沖孔鉆孔瓦斯累計(jì)抽采量和抽采時(shí)間的模型關(guān)系，推導(dǎo)出水力沖孔后抽采半徑隨抽采時(shí)間變化的方程，然后通過(guò)考察水力沖孔后不同抽采時(shí)間段的鉆孔瓦斯抽采量，擬合計(jì)算出不同出煤量的累計(jì)抽采量和抽采半徑隨抽采時(shí)間的方程，推算出不同時(shí)間段鉆孔的累計(jì)抽采量和有效抽采半徑，從而確定合理的抽采時(shí)間。

1.1 累計(jì)抽采量與抽采時(shí)間的關(guān)系

為了建立水力沖孔后鉆孔抽采量與抽采時(shí)間的數(shù)學(xué)模型，假定水力沖孔后煤層原始瓦斯壓力在鉆孔周?chē)鶆蚍植?，且鉆孔周?chē)咚沽鲃?dòng)服從徑向流動(dòng)規(guī)律，瓦斯在煤層中的流動(dòng)符合菲克擴(kuò)散定律，在大孔和裂隙中的流動(dòng)符合達(dá)西滲透定律。因此，鉆孔周?chē)耐咚箯较蛄鲃?dòng)是以菲克擴(kuò)散定律和達(dá)西滲透定律為基礎(chǔ)導(dǎo)出的聯(lián)立方程，在滲流力學(xué)中，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換，可以得到瓦斯一維徑向流動(dòng)的非穩(wěn)定滲流微分方程：

(1)

式中：P——煤層中氣體壓力，MPa；

λ——煤層透氣性系數(shù)，m2/(Pa2·s)；

r——徑向流場(chǎng)的半徑，m；

r1——鉆孔半徑，m；

r2——抽采半徑，m；

P1——鉆孔內(nèi)瓦斯壓力，MPa；

t——抽采時(shí)間，d；

P0——初始瓦斯壓力，MPa。

采用數(shù)值計(jì)算求得近似解，并經(jīng)實(shí)際數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，鉆孔瓦斯抽采量與時(shí)間的關(guān)系近似符合以e為底的指數(shù)函數(shù)規(guī)律。實(shí)際應(yīng)用中，任意時(shí)刻每米鉆孔瓦斯抽采量Q與時(shí)間t的關(guān)系：

Q=Q0e-at

(2)

式中：Q——任意時(shí)刻鉆孔瓦斯抽采量，m3/d；

Q0——鉆孔初始瓦斯抽采量，m3/d；

a——鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)。

將式(2)進(jìn)行積分可以得到鉆孔瓦斯累計(jì)抽采量Qt與時(shí)間的關(guān)系：

(3)

1.2 抽采半徑與抽采時(shí)間的關(guān)系

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，可以將式(3)轉(zhuǎn)化為：

(4)

式中：M——煤層原始瓦斯含量，m3/t；

η——煤層瓦斯抽采率，%；

ρ——煤體密度，t/m3;

L——鉆孔煤段長(zhǎng)度，m。

將式(4)積分可以得出：

(5)

由于鉆孔半徑與抽采半徑相比很小，即略去二階無(wú)窮小，將式(5)簡(jiǎn)化為：

(6)

1.3 合理抽采時(shí)間的確定

通過(guò)擬合式(3)和式(6)分析計(jì)算出不同出煤量的累計(jì)抽采量和抽采半徑隨時(shí)間變化曲線，推導(dǎo)出不同時(shí)間的累計(jì)抽采量和抽采半徑，根據(jù)累計(jì)抽采量和抽采半徑的增量，分析合理的抽采時(shí)間。

2 水力沖孔鉆孔合理抽采時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

本次水力沖孔鉆孔合理抽采時(shí)間試驗(yàn)選擇在中馬村礦27001底抽巷進(jìn)行。27001工作面標(biāo)高-128～-90 m，主采二1煤層，煤層厚度1.3～6.3 m，平均煤層厚度4 m，煤層傾角12°。煤層瓦斯含量13.26～36.65 m3/t，瓦斯壓力1.2 MPa，堅(jiān)固性系數(shù)0.3～0.8，煤層透氣性系數(shù)1.09 m2/(MPa2·d)。

27001底抽巷距二1煤層17 m。試驗(yàn)地點(diǎn)共布置3個(gè)試驗(yàn)鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)平行布置，鉆孔垂直巷道施工，每個(gè)試驗(yàn)鉆場(chǎng)布置5個(gè)鉆孔，共15個(gè)試驗(yàn)鉆孔，鉆孔設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 水力沖孔鉆孔設(shè)計(jì)圖

鉆孔采用?96 mm鉆頭施工，鉆孔穿過(guò)煤層1 m 終孔，退鉆桿進(jìn)行水力沖孔，鉆孔返清水后，再次退鉆桿，直至進(jìn)入巖石段，沖孔出煤收集到沉淀池中，進(jìn)行裝袋測(cè)量體積計(jì)量。鉆孔沖孔完畢后，進(jìn)行封孔，抽采管路安裝導(dǎo)流管，前15 d內(nèi)每天8點(diǎn)班和4點(diǎn)班監(jiān)測(cè)記錄每個(gè)鉆孔瓦斯流量和濃度，15 d后每天8點(diǎn)班監(jiān)測(cè)記錄每個(gè)瓦斯流量和濃度。

3 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)

本文選取1#試驗(yàn)鉆場(chǎng)作為研究對(duì)象，1#試驗(yàn)鉆場(chǎng)鉆孔參數(shù)及水力沖孔出煤量見(jiàn)表1所示。

表1 鉆孔實(shí)鉆參數(shù)

水力沖孔鉆孔施工完畢后，單孔安裝導(dǎo)流管，并使用光力科技CJZ4Z綜合參數(shù)測(cè)定儀監(jiān)測(cè)單孔瓦斯?jié)舛群土髁?，并繪制出1#試驗(yàn)鉆場(chǎng)5個(gè)鉆孔累計(jì)瓦斯抽采量變化曲線，如圖2所示。由圖2可以看出，累計(jì)瓦斯抽采量隨抽采時(shí)間的增加持續(xù)增加，符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系，累計(jì)抽采量存在極大值。

圖2 實(shí)測(cè)累計(jì)瓦斯抽采量變化取樣

根據(jù)實(shí)測(cè)瓦斯抽采量，擬合式(3)和式(6)，可以推導(dǎo)出每個(gè)鉆孔瓦斯抽采量和抽采半徑關(guān)于抽采的方程式，推算出單個(gè)鉆孔不同抽采時(shí)間段的累計(jì)瓦斯抽采量和抽采半徑，從而分析確定水力沖孔后的鉆孔合理抽采時(shí)間。具體計(jì)算步驟以2#鉆孔為例，鉆孔瓦斯累計(jì)抽采量和時(shí)間的擬合方程為：

Q=1440×0.1043e-0.039t

(7)

根據(jù)抽采量指數(shù)曲線方程(7)推導(dǎo)出2#鉆孔瓦斯抽采總量為：

(8)

根據(jù)方程(8)可以推算出2#鉆孔抽采30 d、60 d、90 d、180 d、270 d、360 d的瓦斯抽采總量，見(jiàn)表2。

以30 d為例，將抽采總量2655 m3帶入式(6)中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)出的參數(shù)，L=5 m，ρ=1.4 t/m3，π=3.14，M=18 m3/t，η=66.7%代入相關(guān)公式中，得出30 d抽采半徑為2.54 m。依次計(jì)算出2#鉆孔60 d、90 d、180 d、270 d、360 d抽采半徑，見(jiàn)表2。

表2 2#鉆孔不同抽采時(shí)期的抽采半徑

分別將1#、3#、4#、5#鉆孔的瓦斯抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出30 d、60 d、90 d、180 d、270 d、360 d的累計(jì)瓦斯抽采量和抽采半徑，并繪制出累計(jì)瓦斯抽采量和抽采半徑隨抽采時(shí)間的變化曲線，如圖3和圖4所示。由圖3可知，水力沖孔后鉆孔抽采前90 d，累計(jì)瓦斯抽采量隨抽采時(shí)間的增加呈指數(shù)函數(shù)增加；90 d后累計(jì)瓦斯抽采量基本穩(wěn)定，不再增加。這表明抽采時(shí)間達(dá)到90 d后，水力沖孔后鉆孔控制范圍內(nèi)的可解吸瓦斯基本運(yùn)移到鉆孔內(nèi)被抽出，所以90 d后隨著抽采時(shí)間的增加，累計(jì)瓦斯抽采量增加量有限。由圖4可知，水力沖孔后鉆孔抽采前90 d，抽采半徑隨抽采時(shí)間的持續(xù)而增大；90 d后抽采半徑基本穩(wěn)定，不再增大。這表明抽采半徑不會(huì)隨抽采時(shí)間增加而無(wú)限制的增大，當(dāng)水力沖孔后鉆孔控制范圍內(nèi)的瓦斯產(chǎn)出后，鉆孔抽采半徑基本達(dá)到極限。

圖3 累計(jì)瓦斯抽采量隨抽采時(shí)間變化曲線

圖4 抽采半徑隨抽采時(shí)間變化曲線

4 結(jié)論

(1)建立水力沖孔鉆孔瓦斯累計(jì)抽采量、抽采半徑和抽采時(shí)間的關(guān)系方程，通過(guò)分析鉆孔瓦斯累計(jì)抽采量和抽采半徑的變化，確定了水力沖孔后合理抽采時(shí)間的研究方法。

(2)以中馬村礦27001底抽巷為工程試驗(yàn)區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)了水力沖孔后抽采45 d的單孔瓦斯抽采量，并根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)推導(dǎo)出不同抽采時(shí)間單孔累計(jì)瓦斯抽采量和抽采半徑計(jì)算公式。

(3)分析了不同抽采時(shí)間的鉆孔瓦斯累計(jì)抽采量和抽采半徑，確定了中馬27001工作面水力沖孔鉆孔合理抽采時(shí)間為90 d。

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