基于抽采半徑考察的回采工作面瓦斯預(yù)抽鉆孔優(yōu)化設(shè)計(jì)

樊正興

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

高瓦斯回采工作面通常在其工作面巷道掘進(jìn)過(guò)程中便開(kāi)始向回采工作面?zhèn)仁┕ゎA(yù)抽鉆孔并進(jìn)行預(yù)抽。高瓦斯回采工作面瓦斯預(yù)抽的目的是為了在工作面回采前將煤層瓦斯含量降到安全范圍內(nèi)，通常以瓦斯預(yù)抽率是否滿足抽采達(dá)標(biāo)要求[1，2]為準(zhǔn)?；谕咚钩椴蛇_(dá)標(biāo)對(duì)瓦斯預(yù)抽率要求的預(yù)抽鉆孔抽采半徑考察，可以考察得出工作面預(yù)抽鉆孔不同預(yù)抽時(shí)間的有效抽采半徑[3-5]。將高瓦斯長(zhǎng)推進(jìn)距離回采工作面按其瓦斯預(yù)抽鉆孔預(yù)抽時(shí)間[6、7]長(zhǎng)短的不同，劃分為若干個(gè)區(qū)塊，每個(gè)區(qū)塊瓦斯預(yù)抽鉆孔根據(jù)其有效抽采半徑設(shè)計(jì)鉆孔間距，預(yù)抽時(shí)間長(zhǎng)的區(qū)塊鉆孔間距較大，預(yù)抽時(shí)間短的區(qū)塊鉆孔間距較小，這樣可以使回采工作面在實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采達(dá)標(biāo)的同時(shí)，最大限度的減少鉆孔工程量，獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益。

1 礦井概況

常村煤礦原設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力4.00Mt/a，現(xiàn)核準(zhǔn)生產(chǎn)能力7.00Mt/a，開(kāi)采3號(hào)煤層。3號(hào)煤層厚度為4.84～7.32m，平均6.05m，傾角為3°～6°，為穩(wěn)定型全區(qū)可采煤層。3號(hào)煤層瓦斯含量2.81～15.01m3/t，煤層透氣性系數(shù)0.0605～0.1209m2/(MPa2·d)，煤層瓦斯含量高，抽采難度較大。礦井采用走向長(zhǎng)壁采煤法開(kāi)采，生產(chǎn)方式為綜采放頂煤，頂板管理方法為全面垮落法管理頂板。礦井年產(chǎn)量大，開(kāi)采煤層瓦斯含量高，為高瓦斯礦井。

2311回采工作面位于礦井深部水平23采區(qū)，設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度為2444m，傾向長(zhǎng)305m。按礦井平均煤巷掘進(jìn)速度200m/月計(jì)算，預(yù)計(jì)2311工作面巷道掘進(jìn)時(shí)間為1a，回采時(shí)間至少需要1a。

2 瓦斯預(yù)抽鉆孔抽采半徑考察

根據(jù)該礦井3號(hào)煤層開(kāi)采的實(shí)際情況，結(jié)合其他礦井類似條件下瓦斯抽采半徑考察的經(jīng)驗(yàn)，本次瓦斯抽采半徑考察采用瓦斯儲(chǔ)量法[8]。瓦斯儲(chǔ)量法[9]是在煤層瓦斯含量測(cè)定基礎(chǔ)上，根據(jù)抽采時(shí)間，測(cè)定出鉆孔瓦斯抽采能力，通過(guò)計(jì)算分析瓦斯含量、抽采時(shí)間和鉆孔瓦斯抽采能力之間的關(guān)系，確定出鉆孔的有效抽采半徑。不同的抽采時(shí)間及不同的瓦斯含量目標(biāo)值需要的抽采半徑不同，礦井可根據(jù)回采工作面預(yù)抽采時(shí)間、瓦斯含量目標(biāo)值選取抽采半徑。

2.1 考察地點(diǎn)及鉆孔布置

考察地點(diǎn)選在2311運(yùn)輸巷，巷道所在區(qū)域不受其他回采工作面采動(dòng)影響。與本巷道原瓦斯抽采鉆孔相距50m開(kāi)始施工抽采半徑考察鉆孔，采用單獨(dú)匯流管接入抽采系統(tǒng)，并在每個(gè)考察鉆孔的孔口安裝孔板流量計(jì)，獨(dú)立測(cè)定瓦斯抽采參數(shù)。

考察鉆孔布置的參數(shù)為：試驗(yàn)鉆孔一共5組，每組6個(gè)鉆孔，每組鉆孔的間距各為1m、2m、3m、4m及5m，每組鉆孔間隔15m，鉆孔直徑Φ94mm，設(shè)計(jì)鉆孔深度160m。鉆孔抽放管采用PVC管，連接到抽放主管路上，每個(gè)鉆孔安裝一個(gè)孔板流量計(jì)，每組鉆孔并聯(lián)在一個(gè)匯流管上，分別記錄每個(gè)考察鉆孔的瓦斯抽采參數(shù)，抽放鉆孔布置如圖1所示。在施工抽采鉆孔過(guò)程中采用直接法測(cè)定煤層瓦斯含量，即井下直接取煤樣通過(guò)計(jì)算得出煤層的瓦斯含量，每組鉆孔測(cè)1個(gè)值。鉆孔竣工參數(shù)及瓦斯含量測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1 考察鉆孔布置示意圖

組號(hào)孔號(hào)夾角/(°)傾角/(°)孔深/m鉆孔間距/m瓦斯含量/(m3·t-1)第一組1#101116012#101116013#101116014#101116015#101116016#101112017.47第二組1#101116022#101116023#101116024#101116025#101216026#101116027.43第三組1#101116032#101012433#101116034#101116035#101013036#101016037.50第四組1#101116042#101116043#101116044#101012045#101116046#101116047.47第五組1#101016052#101115853#101116054#101016055#101116056#101116057.43

2.2 鉆孔施工及封孔

鉆孔施工嚴(yán)格按設(shè)計(jì)鉆孔參數(shù)進(jìn)行，并保證鉆孔平直、孔形完整、鉆孔深度達(dá)到設(shè)計(jì)深度的80%以上。在鉆孔施工中，詳細(xì)記錄鉆孔參數(shù)以及鉆孔開(kāi)孔時(shí)間、終孔時(shí)間、終孔深度等。

抽采鉆孔施工完畢后及時(shí)封孔，同時(shí)接入抽采系統(tǒng)進(jìn)行抽采。抽采鉆孔封孔材料采用水泥漿，封孔深度為20m。

2.3 抽采數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

考察孔封孔后及時(shí)接抽，采用孔板流量計(jì)對(duì)單個(gè)鉆孔瓦斯抽采參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方式，對(duì)鉆孔瓦斯抽采規(guī)律進(jìn)行考察。前期每天記錄每組鉆孔匯流管的抽采參數(shù)，中后期記錄變?yōu)橐恢芤淮巍?/p>

2.4 不同間距抽采鉆孔的瓦斯抽采規(guī)律分析

根據(jù)前人大量研究，鉆孔瓦斯抽采量qct與鉆孔的抽采時(shí)間t很好的符合負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系式[10]，如下：

qct=qc0e-βt

(1)

式中，qct為抽采時(shí)間t下每100m鉆孔平均瓦斯抽采量，m3/(min·hm)；qc0為100m鉆孔初始瓦斯抽采量，m3/(min·hm)；β為鉆孔瓦斯抽采量衰減系數(shù)，d-1；t為鉆孔的瓦斯抽采時(shí)間，d。

為了考察鉆孔預(yù)抽瓦斯效果，對(duì)表征鉆孔瓦斯抽采量隨時(shí)間變化規(guī)律的特征參數(shù)：鉆孔初始瓦斯抽采量(qc0)和瓦斯抽采量衰減系數(shù)(β)進(jìn)行了測(cè)定。為保證測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性和代表性，采用了按鉆孔間距分組測(cè)定方法。測(cè)定時(shí)，根據(jù)每天各組鉆孔中中間兩個(gè)鉆孔的抽采瓦斯流量、濃度、抽采時(shí)間、鉆孔長(zhǎng)度，換算成每100m鉆孔平均瓦斯抽采純量(qct)，并結(jié)合鉆孔抽采時(shí)間(t)形成測(cè)定數(shù)組(t，qct)。qc0和β值可根據(jù)(t，qct)數(shù)組按式(1)回歸分析求得。

工作面瓦斯預(yù)抽鉆孔抽采時(shí)，各鉆孔之間的瓦斯流場(chǎng)為有限源瓦斯流場(chǎng)，隨著時(shí)間的推移，鉆孔相互之間會(huì)相互影響。為真實(shí)地模擬其實(shí)際情況，采用在原始煤體中施工數(shù)組不同間距的瓦斯抽采鉆孔，并對(duì)每組抽采鉆孔中間2個(gè)鉆孔的瓦斯相關(guān)參數(shù)進(jìn)行考察，取平均值。在本次分組抽放鉆孔中，每組鉆孔數(shù)為6個(gè)，每組最中間的2個(gè)鉆孔流場(chǎng)與實(shí)際抽采中瓦斯流場(chǎng)最為接近，這2個(gè)鉆孔的平均瓦斯抽采參數(shù)能很好的代表在這種間距下的瓦斯流量隨時(shí)間關(guān)系，對(duì)觀測(cè)的每組鉆孔中中間2個(gè)鉆孔的平均瓦斯流量與時(shí)間進(jìn)行擬合，如圖2所示。

圖2 百米鉆孔平均瓦斯流量與抽采時(shí)間曲線

對(duì)每組鉆孔瓦斯流量與抽采時(shí)間擬合所得的指數(shù)關(guān)系式進(jìn)行積分，可以得到任意時(shí)間t天內(nèi)各組鉆孔瓦斯抽放總量Qct：

式中，Qct為時(shí)間t天內(nèi)鉆孔瓦斯抽放總量，m3。

根據(jù)式(2)可以計(jì)算得到各組鉆孔不同抽采時(shí)間的平均百米鉆孔瓦斯抽采總量。

2.5 不同間距鉆孔瓦斯預(yù)抽率與時(shí)間的關(guān)系

瓦斯預(yù)抽率是衡量鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯效果的主要指標(biāo)，它是指在一定抽放時(shí)間下某一范圍內(nèi)鉆孔瓦斯抽出量與該范圍內(nèi)煤層瓦斯儲(chǔ)量之比，用式(3)計(jì)算：

式中，η為鉆孔瓦斯預(yù)抽率，%；Q抽為t時(shí)間內(nèi)鉆孔抽出純瓦斯量，m3，取Q抽=Qct；L為鉆孔控制范圍，取鉆孔布置間距(1m、2m、3m、4m、5m)；l為百米抽放鉆孔長(zhǎng)度，其值取100m；M0為平均煤厚，m；r為煤的密度，g/cm3；W0為煤層原始瓦斯含量，m3/t。

根據(jù)式(3)計(jì)算得到各組鉆孔在控制范圍內(nèi)不同預(yù)抽時(shí)間下的瓦斯預(yù)抽率，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同預(yù)抽時(shí)間下每組鉆孔的預(yù)抽率

2.6 目標(biāo)預(yù)抽率確定

該礦井回采工作面設(shè)計(jì)產(chǎn)量為8001～10000t/d，且瓦斯涌出量主要來(lái)自開(kāi)采層采煤工作面前方20m范圍內(nèi)。根據(jù)《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》規(guī)定，煤層可解析瓦斯含量需降至4.5m3/t以下。3號(hào)煤層殘存瓦斯含量為2.27m3/t，因此3號(hào)煤層瓦斯含量降至6.77m3/t時(shí)可實(shí)現(xiàn)抽采達(dá)標(biāo)。在23采區(qū)煤層瓦斯含量為7.45m3/t左右的區(qū)域，通過(guò)煤層瓦斯預(yù)抽，煤層瓦斯含量從7.45m3/t降低至6.77m3/t，可實(shí)現(xiàn)抽采達(dá)標(biāo)。因此，本次抽采半徑考察地點(diǎn)的3號(hào)煤層瓦斯目標(biāo)預(yù)抽率為9.13%，從安全角度考慮取10%。

2.7 有效抽采半徑確定

根據(jù)前面分析得到不同間距鉆孔不同抽采時(shí)間的瓦斯預(yù)抽率和3號(hào)煤層瓦斯目標(biāo)預(yù)抽率η，可以計(jì)算出不同鉆孔間距條件下，達(dá)到煤層瓦斯目標(biāo)預(yù)抽率η需要的抽采時(shí)間，其結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3可以看出，該礦3號(hào)煤層在煤層瓦斯含量為7.45m3/t左右的區(qū)域，抽采15d的有效抽采半徑為0.5m(鉆孔間距1m)，抽采45d的有效抽采半徑為1m(鉆孔間距2m)，抽采90d的有效抽采半徑為1.5m(鉆孔間距3m)，抽采150d的有效抽采半徑為2m(鉆孔間距4m)，抽采360d的有效抽采半徑為2.5m(鉆孔間距5m)。

表3 不同鉆孔間距瓦斯預(yù)抽率與抽采時(shí)間關(guān)系表

注：“—”表示超出目標(biāo)抽采率η的范圍。

3 回采工作面瓦斯預(yù)抽鉆孔優(yōu)化設(shè)計(jì)

常村煤礦高瓦斯長(zhǎng)推進(jìn)距離回采工作面采用“單U+高抽巷”布置，即工作面布置有運(yùn)輸巷、軌道巷和高抽巷。工作面兩巷為全煤巷道，同時(shí)掘進(jìn)，在掘進(jìn)工作面后方緊接著向工作面方向施工順層瓦斯預(yù)抽鉆孔，對(duì)回采工作面瓦斯進(jìn)行預(yù)抽。巷道掘進(jìn)速度平均約為200m/月，工作面安裝準(zhǔn)備時(shí)間約為1月，工作面回采時(shí)每天推進(jìn)6m。工作面安裝準(zhǔn)備完畢后，待最后施工的瓦斯預(yù)抽鉆孔預(yù)抽時(shí)間達(dá)到45d開(kāi)始回采。

根據(jù)前面考察得出的不同預(yù)抽時(shí)間瓦斯預(yù)抽鉆孔的有效抽采半徑，并結(jié)合2311回采工作面巷道掘進(jìn)時(shí)間、工作面安裝準(zhǔn)備時(shí)間以及工作面回采時(shí)間，將2311回采工作面按從瓦斯預(yù)抽鉆孔開(kāi)始抽采至工作面回采至預(yù)抽鉆孔的抽采時(shí)間劃分為幾個(gè)區(qū)塊，如圖3所示。

根據(jù)抽采半徑考察結(jié)果，設(shè)計(jì)預(yù)抽時(shí)間在45d以上的區(qū)塊，鉆孔間距按2m布置；預(yù)抽時(shí)間在90d以上的區(qū)塊，鉆孔間距按3m布置；預(yù)抽時(shí)間在150d以上的區(qū)塊，鉆孔間距按4m布置；預(yù)抽時(shí)間在360d以上的區(qū)塊，鉆孔間距按5m布置。預(yù)抽鉆孔垂直巷道施工，鉆孔傾角為“煤層傾角+1.5°，鉆孔長(zhǎng)160m，鉆孔直徑Φ94mm。不同區(qū)塊的鉆孔布置如圖4所示。

圖3 回采工作面不同區(qū)塊瓦斯預(yù)抽鉆孔的預(yù)抽時(shí)間

圖4 不同區(qū)塊的鉆孔布置示意圖

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果分析

常村煤礦2311回采工作面于2015年10月開(kāi)始掘進(jìn)工作面兩巷，巷道掘進(jìn)過(guò)程中，緊隨掘進(jìn)工作面開(kāi)始向工作面方向按上述設(shè)計(jì)施工順層瓦斯預(yù)抽鉆孔。2016年12月，工作面設(shè)備安裝完畢，并且該工作面最后施工的鉆孔預(yù)抽時(shí)間也已超過(guò)45d，對(duì)工作面前方瓦斯預(yù)抽鉆孔間距為2m的區(qū)域進(jìn)行瓦斯抽采達(dá)標(biāo)評(píng)價(jià)，已實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采達(dá)標(biāo)，工作面開(kāi)始回采。工作面回采完鉆孔間距為2m的區(qū)塊后，對(duì)鉆孔間距為3m的區(qū)塊進(jìn)行抽采達(dá)標(biāo)評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)抽采達(dá)標(biāo)后，繼續(xù)回采鉆孔間距為3m的區(qū)塊。其他區(qū)塊也同樣先進(jìn)行瓦斯抽采達(dá)標(biāo)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)合格后開(kāi)始回采。該工作面于2018年3月開(kāi)采完畢，未發(fā)生一起瓦斯超限事故，實(shí)現(xiàn)了高瓦斯長(zhǎng)推進(jìn)距離回采工作面的安全、高效生產(chǎn)。

2311回采工作面采用優(yōu)化的瓦斯預(yù)抽鉆孔設(shè)計(jì)與采用原鉆孔間距全為3m、預(yù)抽時(shí)間為3個(gè)月的抽采方式，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比見(jiàn)表4。

從表4可以看出，采用優(yōu)化的鉆孔設(shè)計(jì)比原設(shè)計(jì)鉆孔工程量要減少約7萬(wàn)m，節(jié)約工作面瓦斯預(yù)抽時(shí)間約15d。此外，開(kāi)采期間，采用優(yōu)化的鉆孔設(shè)計(jì)工作面前方各區(qū)塊煤體均能實(shí)現(xiàn)抽采達(dá)標(biāo)，沒(méi)有影響工作面的正常安全回采。因此，高瓦斯長(zhǎng)推進(jìn)距離回采工作面采用優(yōu)化的鉆孔設(shè)計(jì)，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

表4 優(yōu)化設(shè)計(jì)與原設(shè)計(jì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

5 結(jié) 語(yǔ)

為了解決高瓦斯長(zhǎng)推進(jìn)距離回采工作面各區(qū)域瓦斯預(yù)抽時(shí)間極不均衡的問(wèn)題，提出了基于抽采半徑考察的回采工作面瓦斯預(yù)抽鉆孔優(yōu)化設(shè)計(jì)方案：通過(guò)考察，得出工作面預(yù)抽鉆孔不同預(yù)抽時(shí)間的有效抽采半徑，將高瓦斯長(zhǎng)推進(jìn)距離回采工作面按瓦斯預(yù)抽時(shí)間長(zhǎng)短的不同劃分為若干個(gè)區(qū)塊，每個(gè)區(qū)塊瓦斯預(yù)抽鉆孔根據(jù)其有效抽采半徑設(shè)計(jì)鉆孔間距，預(yù)抽時(shí)間長(zhǎng)的區(qū)塊鉆孔間距較大，預(yù)抽時(shí)間短的區(qū)塊鉆孔間距較小，實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采達(dá)標(biāo)的同時(shí)最大限度的減少鉆孔工程量。