鉆孔流量法在本煤層鉆孔抽采半徑考察中的應(yīng)用

郭壽松

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2. 中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

鉆孔瓦斯抽采半徑是指鉆孔內(nèi)部在不同預(yù)抽時(shí)間內(nèi)的有效影響范圍。對(duì)于高瓦斯礦井或者突出礦井，確定煤層的合理抽采半徑是實(shí)現(xiàn)礦井抽采達(dá)標(biāo)和消除突出危險(xiǎn)的最重要技術(shù)手段之一。準(zhǔn)確掌握鉆孔有效抽采半徑是保障礦井正常采掘銜接及安全高效生產(chǎn)的重要支撐之一。

煤層瓦斯的抽采半徑是一個(gè)隨抽放時(shí)間變化的冪函數(shù)關(guān)系式[1-3]。目前瓦斯抽采半徑考察方法主要采用的是壓降法、流量法和示蹤氣體法三種[4-7]。壓降法需要在井下封孔并測(cè)定煤層瓦斯壓力，由于測(cè)壓封孔質(zhì)量影響瓦斯抽采作用，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)測(cè)壓鉆孔瓦斯壓力突然卸壓的現(xiàn)象，從而造成考察參數(shù)不準(zhǔn)確，成功率不高。示蹤氣體法需要測(cè)定鉆孔內(nèi)的示蹤氣體，目前從國(guó)內(nèi)的測(cè)量設(shè)備來(lái)看，檢漏儀不能定量檢漏，而且設(shè)備對(duì)水蒸氣比較敏感，測(cè)量難度比較大。流量法則需要定時(shí)測(cè)定抽采鉆孔的瓦斯流量變化情況，測(cè)定工作量較大，投入時(shí)間較長(zhǎng)。針對(duì)目前各種瓦斯抽采半徑考察方法的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合肥田煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，提出采用鉆孔流量法測(cè)定本煤層鉆孔抽采半徑，為礦井抽采設(shè)計(jì)過(guò)程中的鉆孔布置提供參考依據(jù)。

1 測(cè)定原理

1.1 測(cè)定方法

鉆孔瓦斯抽采半徑主要與煤層的瓦斯含量、透氣性系數(shù)、抽采鉆孔大小、抽采負(fù)壓及抽采時(shí)間等因素有關(guān)。因此，在對(duì)煤層瓦斯含量測(cè)定的基礎(chǔ)上，若實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采達(dá)標(biāo)，通過(guò)相互之間的關(guān)系計(jì)算分析，就可確定鉆孔的瓦斯抽采半徑。在一般情況下，在特定的單元，鉆孔大小、抽采負(fù)壓、煤層厚度、透氣性系數(shù)均可默認(rèn)為一定值；因此，鉆孔瓦斯抽采流量q與抽采時(shí)間t呈e-αt關(guān)系。

鉆孔瓦斯流動(dòng)主要有徑向穩(wěn)定流動(dòng)和非穩(wěn)定流動(dòng)兩種，絕大多數(shù)煤層的瓦斯流動(dòng)性質(zhì)是非穩(wěn)定流動(dòng)，隨著鉆孔瓦斯流動(dòng)時(shí)間的增加，鉆孔內(nèi)瓦斯涌出的強(qiáng)度、鉆孔瓦斯流量衰減也隨之衰減。根據(jù)煤層瓦斯流動(dòng)的理論，鉆孔瓦斯流量隨著時(shí)間的推移呈衰減的趨勢(shì)，其變化的規(guī)律基本上符合負(fù)指數(shù)方程。因此，鉆孔瓦斯流量與時(shí)間的關(guān)系式如式(1)所示，鉆孔瓦斯抽采總量如式(2)所示[9-12]。

qt=q0e-αt

(1)

式中，qt為抽采時(shí)間t時(shí)的鉆孔瓦斯流量，m3/min；q0為鉆孔初始瓦斯抽采量，m3/min；α為鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)，d-1；t為瓦斯流動(dòng)時(shí)間，min；Qc為在t時(shí)間內(nèi)鉆孔瓦斯抽采總量，m3。

根據(jù)抽采達(dá)標(biāo)要求預(yù)測(cè)不同鉆孔間距抽采達(dá)標(biāo)的時(shí)間，再通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)抽采后的殘余瓦斯含量和計(jì)算瓦斯抽采率η得出不同鉆孔間距抽采達(dá)標(biāo)的具體時(shí)間，從而得出本煤層抽采鉆孔間距與抽采時(shí)間的相關(guān)關(guān)系[13-15]。

式中，η為瓦斯抽采率，%；Q為有效半徑范圍內(nèi)煤體瓦斯總儲(chǔ)量，m3。

1.2 測(cè)定依據(jù)

針對(duì)不同瓦斯賦存情況，根據(jù)《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》抽采效果應(yīng)滿足以下標(biāo)準(zhǔn)[16]：

1)對(duì)瓦斯涌出量主要來(lái)自于開(kāi)采層的采煤工作面，評(píng)價(jià)范圍內(nèi)煤的可解吸瓦斯量滿足采煤工作面回采前煤的可解吸瓦斯量應(yīng)達(dá)到的指標(biāo)，具體指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 采煤工作面回采前煤的可解吸瓦斯量應(yīng)達(dá)到的指標(biāo)

2)對(duì)于突出煤層，預(yù)期防突效果達(dá)標(biāo)瓦斯壓力或瓦斯含量按煤層始突深度處的瓦斯壓力或瓦斯含量取值；沒(méi)有考察出煤層始突深度處的煤層瓦斯壓力或含量時(shí)，分別按照0.74MPa、8m3/t取值。

3)對(duì)于瓦斯涌出量主要來(lái)自于突出煤層的采煤工作面，要同時(shí)滿足防突和瓦斯含量達(dá)標(biāo)要求。

4)對(duì)瓦斯涌出量主要來(lái)自于鄰近層或圍巖的采煤工作面，計(jì)算的瓦斯抽采率需滿足采煤工作面瓦斯抽采率應(yīng)達(dá)到的指標(biāo)，具體指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 采煤工作面瓦斯抽采率應(yīng)達(dá)到的指標(biāo)

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)考察

2.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)考察選擇在貴州肥田煤礦的16號(hào)煤層，工作面日產(chǎn)量1800t。16號(hào)煤層位于龍?zhí)督M中段中部，煤層厚度在1.45～2.25m范圍內(nèi)，平均1.76m，煤層厚度整體變化幅度不大，煤層賦存穩(wěn)定，為全區(qū)可采煤層，鄰近可采煤層有6號(hào)、7號(hào)、20號(hào)、23號(hào)。16號(hào)煤層平均傾角約為30°，平均厚度約1.8m，平均瓦斯含量10.80m3/t；煤層透氣性系數(shù)為0.0529m2/(MPa2·d)，鉆孔流量衰減系數(shù)為0.311d-1。肥田煤礦為突出煤層群開(kāi)采，工作面瓦斯涌出中鄰近層占較大比例，根據(jù)礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)16號(hào)煤層鄰近層瓦斯涌出占56%，開(kāi)采層瓦斯涌出占44%，工作面瓦斯涌出量為18.46m3/min。

由于肥田煤礦16號(hào)煤層始突深度的煤層瓦斯含量、始突深度瓦斯壓力均無(wú)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，因此防突預(yù)抽效果按照瓦斯含量8m3/t取值；同時(shí)瓦斯涌出主要來(lái)自鄰近層，根據(jù)《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》要求考察計(jì)算的采煤工作面瓦斯抽采率需要大于30%。

2.2 考察鉆孔布置

在11161工作面設(shè)計(jì)4組考察鉆孔，每組4個(gè)鉆孔，每組間距8m，實(shí)際施工過(guò)程中，每組都需測(cè)定原始瓦斯含量，鉆孔具體施工參數(shù)見(jiàn)表3，試驗(yàn)區(qū)域鉆孔布置如圖1所示。

表3 抽采鉆孔施工參數(shù)表

圖1 11161工作面試驗(yàn)鉆孔布置圖

由圖1所示，在試驗(yàn)區(qū)域由11161運(yùn)輸巷向工作面施工本煤層考察鉆孔，順層鉆孔設(shè)計(jì)全煤段長(zhǎng)度為60m。自11161運(yùn)輸巷K0+60m位置向西依次施工4組鉆孔，每組鉆孔間距分別為4m、3m、2m、1m；鉆孔編號(hào)依次為1#—16#。為保證每個(gè)試驗(yàn)組之間相互獨(dú)立，互不影響，在每個(gè)試驗(yàn)組之間預(yù)留8m的空白區(qū)域。

鉆孔施工過(guò)程中，每組選擇一個(gè)鉆孔實(shí)測(cè)原煤瓦斯含量，并做記錄；鉆孔施工后，采用“兩堵一注”封孔方式進(jìn)行封孔并及時(shí)接收。

2.3 考察結(jié)果

對(duì)上述4個(gè)試驗(yàn)組鉆孔單孔瓦斯?jié)舛取@孔抽采流量及抽采負(fù)壓數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)；通過(guò)數(shù)據(jù)的收集及整理并結(jié)合式(1)對(duì)鉆孔抽采量與抽采時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行擬合，形成瓦斯抽采流量的衰減模型。不同鉆孔間距百米鉆孔抽采量q與抽采時(shí)間t的關(guān)系式如下所示：

鉆孔間距1m：q=68.303e-0.0114t(R2=0.8123)

鉆孔間距2m：q=72.516e-0.0113t(R2=0.9293)

鉆孔間距3m：q=75.072e-0.0114t(R2=0.9604)

鉆孔間距4m：q=80.841e-0.0094t(R2=0.8813)

式中，q為平均百米鉆孔抽采量，m3/(d·100m)；t為抽采時(shí)間，d。

具體實(shí)測(cè)參數(shù)擬合的瓦斯流量衰減關(guān)系式曲線如圖2所示。

2.4 取樣驗(yàn)證

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)參數(shù)計(jì)算分析得出的抽采鉆孔瓦斯流量衰減規(guī)律模型，結(jié)合式(2)對(duì)不同抽采半徑抽采達(dá)標(biāo)8m3/t的時(shí)間進(jìn)行預(yù)計(jì)。預(yù)測(cè)鉆孔間距4m、3m、2m、1m抽采達(dá)標(biāo)的抽采時(shí)間分別為315d、168d、86d、37d。

圖2 平均百米鉆孔抽采量與抽采時(shí)間關(guān)系

根據(jù)預(yù)測(cè)時(shí)間，進(jìn)行煤層殘余瓦斯含量的測(cè)定及抽采率的計(jì)算，測(cè)定鉆孔布置于兩個(gè)抽采鉆孔之間，取樣鉆孔布置如圖3所示，抽采達(dá)標(biāo)時(shí)殘余含量為8m3/t；根據(jù)式(3)對(duì)工作面抽采達(dá)標(biāo)率進(jìn)行計(jì)算，需同時(shí)滿足工作面抽采率η>30%，殘余瓦斯含量測(cè)定及工作面抽采達(dá)標(biāo)率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

圖3 殘余瓦斯含量測(cè)點(diǎn)鉆孔布置圖

驗(yàn)證結(jié)果表明通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)參數(shù)形成的瓦斯流量衰減模型是非常穩(wěn)定和可靠的。在一定的瓦斯含量條件以下，本煤層抽采鉆孔間距為4m、3m、2m、1m所對(duì)應(yīng)的實(shí)際抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間分別約為318d、168d、89d、37d。根據(jù)以上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制抽采半徑R與抽采時(shí)間t之間的關(guān)系曲線，如圖4所示。由圖4可以看出肥田煤礦16號(hào)煤層瓦斯抽采半徑R與抽采時(shí)間t成對(duì)數(shù)關(guān)系，有效抽采半徑隨著時(shí)間增加而增大，抽采時(shí)間為37d、89d、168d、318d對(duì)應(yīng)的有效抽采半徑為0.5m、1m、1.5m、2m，具體關(guān)系式為：R=0.7005lnt-2.0749。

表4 取樣驗(yàn)證參數(shù)及實(shí)測(cè)結(jié)果表

圖4 抽采半徑與抽采時(shí)間關(guān)系曲線

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)采用鉆孔流量法，對(duì)肥田煤礦16號(hào)煤進(jìn)行了抽采半徑考察，得出礦井16號(hào)煤層抽采半徑R與抽采時(shí)間t之間的關(guān)系曲線；預(yù)測(cè)達(dá)標(biāo)時(shí)的實(shí)際殘余瓦斯含量與預(yù)測(cè)值非常接近，同時(shí)也滿足規(guī)定的抽采率要求，表明采用鉆孔流量法測(cè)定抽采半徑的方法是非常準(zhǔn)確可靠的。

1)肥田煤礦16號(hào)煤層抽采半徑R與抽采時(shí)間t之間的相關(guān)關(guān)系為R=0.7005lnt-2.0749。

2)鉆孔流量法可以用于本煤層鉆孔抽采半徑考察，可為礦井的順層鉆孔區(qū)域防突措施編制和順層鉆孔施工設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。