鶴煤十礦二1煤層瓦斯抽采半徑確定方法

屈海軍

(府谷縣能源局，陜西 府谷 719400)

0 引言

抽采賦存在深部煤層中的瓦斯是解決煤與瓦斯突出的重要方法之一，瓦斯抽采半徑對(duì)瓦斯抽采鉆孔的布置工藝具有一定的指導(dǎo)意義。袁亮[1-3]通過(guò)研究低透性高瓦斯煤層群開(kāi)采過(guò)程中覆巖移動(dòng)及裂隙場(chǎng)演化及分布規(guī)律以及瓦斯運(yùn)移規(guī)律，創(chuàng)立了卸壓開(kāi)采抽采瓦斯以及煤與瓦斯共采體系；劉清泉，程遠(yuǎn)平等[4]借助comsol模擬軟件分析抽采鉆孔附近瓦斯運(yùn)移規(guī)律，得出相鄰鉆孔相互影響的內(nèi)在規(guī)律；蔡峰等[5]借助數(shù)值模擬揭示深孔預(yù)裂爆破發(fā)生的過(guò)程，確定了低透煤層深孔預(yù)裂爆破的合理距離；趙俊峰[6]通過(guò)分析水力沖孔技術(shù)強(qiáng)化增透機(jī)理，揭示了水力沖孔技術(shù)參數(shù)與出煤量之間的內(nèi)在聯(lián)系；王兆豐等[7-8]通過(guò)理論分析與數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)相結(jié)合的多種手段，提出新的瓦斯抽采半徑的計(jì)算方法；劉三鈞等[9]基于瓦斯壓力和瓦斯含量的非線性關(guān)系，通過(guò)瓦斯壓力與抽采時(shí)間的關(guān)系繼而確定煤層瓦斯抽采半徑與抽采時(shí)間的關(guān)系；余陶等[10]基于鉆孔瓦斯流量的衰減規(guī)律，得出抽采鉆孔有效抽采半徑的計(jì)算公式，結(jié)合瓦斯壓力變化綜合確定鉆孔有效抽采半徑。

本文通過(guò)理論分析瓦斯抽采鉆孔內(nèi)部圍巖的瓦斯流動(dòng)特征，結(jié)合鶴煤十礦二1煤層的實(shí)際賦存形態(tài)，確定其穿層鉆孔的理論抽采半徑，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐綜合對(duì)比確定其鉆孔合理經(jīng)濟(jì)的布置方式，為瓦斯抽采提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)及開(kāi)采特征

鶴煤十礦井田處于太行山隆起帶南段東側(cè)，整體為一單斜構(gòu)造，主采煤層為二疊系山西組二1煤層。采用立井單水平上、下山開(kāi)拓，走向長(zhǎng)壁綜采工藝回采煤炭資源。鶴煤十礦被鑒定為煤與瓦斯突出礦井，礦井絕對(duì)瓦斯涌出量24.16 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量22.45 m3/t。煤塵爆炸性指數(shù)15.05%，瓦斯壓力0.4～2.13 MPa，瓦斯含量8.36～12.4 m3/t?，F(xiàn)試驗(yàn)的1310回采工作面位于13采區(qū)南翼，煤層平均厚度8.0 m，煤層傾角為26°。經(jīng)測(cè)定，1310回采工作面底板抽采巷絕對(duì)瓦斯涌出量為0.51 m3/min，配風(fēng)量為286 m3/min。采煤工作面頂板主要為砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖和泥巖，煤層底板主要為砂質(zhì)泥巖和泥巖，巖層物理特征如圖1所示。

圖1 煤層頂?shù)装逦锢硖卣?/p>

2 瓦斯抽采半徑理論分析

在穩(wěn)定煤層中布置瓦斯抽采孔來(lái)抽采瓦斯，在這個(gè)過(guò)程中，在瓦斯壓力與鉆孔內(nèi)部負(fù)壓的綜合作用下，賦存在鉆孔周?chē)后w中的瓦斯呈現(xiàn)出游離狀態(tài)進(jìn)入鉆孔被抽采出去。鉆孔孔壁的圍巖由三向穩(wěn)定受力狀態(tài)改變?yōu)殡p向受力，鉆孔孔徑的影響范圍內(nèi)圍巖呈現(xiàn)出卸壓狀態(tài)[11]。卸壓范圍內(nèi)圍巖受綜合應(yīng)力變化而裂隙發(fā)育，其透氣性增強(qiáng)，同時(shí)圍巖內(nèi)部的瓦斯壓力平衡狀態(tài)遭到破壞，從圍巖內(nèi)部到瓦斯抽采鉆孔之間存在著瓦斯壓力梯度有利于瓦斯的抽采。因此以鉆孔中線為軸心形成了類(lèi)似圓形的抽放影響圈，其半徑稱(chēng)之為抽放影響半徑[12]。隨著瓦斯抽放作用時(shí)間的延長(zhǎng)，瓦斯抽放影響半徑會(huì)逐漸加大，直到圍巖瓦斯壓力與孔底負(fù)壓所提供的力小于處于深層的瓦斯運(yùn)移到鉆孔的阻力為止。

依據(jù)瓦斯平面流動(dòng)理論，針對(duì)一個(gè)鉆孔進(jìn)行分析，鉆孔瓦斯流量跟瓦斯抽采作用時(shí)間呈負(fù)指數(shù)方程關(guān)系，如公式(1)所示。單一鉆孔瓦斯抽采量(Qc)是指鉆孔抽采影響半徑內(nèi)煤層賦存的瓦斯總量(Q0)減去鉆孔極限抽采半徑范圍內(nèi)未能抽采出去的瓦斯量(Qw)，如式(3)、(4)所示。

qt=q0e-at

(1)

對(duì)公式(1)同時(shí)對(duì)t進(jìn)行積分得出公式(2)如下所示

(2)

Q0=πr2lw0γ

(3)

(4)

聯(lián)立公式(2)～(4)得出公式(5)，如下所示

(5)

式中：l—穿層瓦斯抽采鉆孔中穿越煤層的鉆孔長(zhǎng)度，m；γ—煤層容重，t/m3；q0—瓦斯抽采鉆孔中初始瓦斯流量，m3/min；α—瓦斯抽采鉆孔中瓦斯流量的衰減系數(shù)；w0—煤層原始瓦斯含量，m3/t；r—穿層瓦斯抽采鉆孔的抽采半徑，m；x—鉆孔極限抽采半徑上面的任一點(diǎn)，x∈[0，r]。

根據(jù)瓦斯平面流動(dòng)理論及《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，建議瓦斯壓力臨界值以0.74 MPa，瓦斯含量臨界值8 m3/t為標(biāo)準(zhǔn)。將l=6 m，γ=1.51 t/m3，α=0.091 7 d-1，w0=12.3 m3/t代入公式(5)，計(jì)算出所試驗(yàn)鉆孔的抽采半徑為2.85 m。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)瓦斯抽采半徑

在瓦斯抽采鉆孔抽放半徑內(nèi)，隨著距離鉆孔中心距離的增大圍巖的瓦斯壓力會(huì)不斷降低。若以瓦斯抽采鉆孔為中心，在其不同距離布置測(cè)定鉆孔瓦斯自然涌出量的鉆孔，則鉆孔內(nèi)的瓦斯涌出量的衰減速度大于普通情況下的衰減速度，則此鉆孔與瓦斯抽采鉆孔之間的距離即為與此段抽放時(shí)間對(duì)應(yīng)的有效抽采半徑。基于此理論，本次瓦斯抽采半徑試驗(yàn)地點(diǎn)確定在鶴煤十礦1307工作面下底板抽采巷處，距離瓦斯抽采鉆孔間距1.0 m布置瓦斯壓力監(jiān)測(cè)鉆孔，如圖2所示。試驗(yàn)所采用的瓦斯抽采半徑鉆孔的具體參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 瓦斯抽采半徑測(cè)試平面布置

孔號(hào)鉆孔直徑/mm方位角/(°)傾角/(°)封孔長(zhǎng)度/m巖石段/m煤層段/m全長(zhǎng)/mR075315409.030636R150315409.030.2636.2R250315408.630.16.136.1R350315408.9306.036R450315409.129.65.935.5L150315409.131.2637.2L250315408.930.3636.3L350315408.929.75.935.7L45031540929.86.135.9

按照設(shè)計(jì)要求在指定的測(cè)試區(qū)域施工所需的瓦斯抽采鉆孔，并按照要求進(jìn)行封孔，測(cè)定鉆孔瓦斯壓力。瓦斯抽采開(kāi)始后，繼續(xù)觀測(cè)各監(jiān)測(cè)鉆孔瓦斯壓力的變化值，經(jīng)30天的瓦斯抽采，R1鉆孔的瓦斯壓力在抽采初期的10天內(nèi)由0.91 MPa降至0.52 MPa，降幅達(dá)到42.8%。L1鉆孔的瓦斯壓力在抽采初期的10天內(nèi)由0.88 MPa降至0.55 MPa，降幅達(dá)到37.5%，在后續(xù)的監(jiān)測(cè)過(guò)程中變化程度較小。R3和L3鉆孔瓦斯壓力分別降低至0.61 MPa和0.60 MPa，R4鉆孔的瓦斯壓力由0.9 MPa降低至0.85 MPa，降幅不明顯，L4鉆孔的瓦斯壓力變化不明顯。據(jù)此認(rèn)為二1煤層的瓦斯抽采半徑為2.9～3.1 m。基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的瓦斯鉆孔抽采半徑與理論計(jì)算的瓦斯鉆孔的抽采半徑的計(jì)算值，且結(jié)合該礦以往的瓦斯抽采半徑經(jīng)驗(yàn)值綜合確定鶴煤十礦二1煤層的瓦斯抽采孔半徑為2.75 m。

4 結(jié)論

(1)依據(jù)瓦斯平面流動(dòng)理論分析瓦斯抽采機(jī)理，并推導(dǎo)出抽采鉆孔半徑計(jì)算公式，得出鶴煤十礦二1煤層的瓦斯抽采孔半徑的理論值，為后續(xù)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)提供對(duì)比依據(jù)。

(2)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，確定瓦斯抽采半徑介于2.9～3.1 m。結(jié)合以往的抽采半徑綜合確定鶴煤十礦二1煤層的瓦斯抽采孔半徑基本為2.75 m，為后續(xù)合理布置的瓦斯抽采鉆孔提供技術(shù)保障。