劉莊煤礦5煤層抽采有效影響半徑考察

黃 勇

（中煤新集劉莊礦業(yè)有限公司東區(qū)抽排區(qū)，安徽 阜陽(yáng) 236232）

1.概述

120502工作面位于劉莊煤礦一水平東二采區(qū)，該工作面西部為東二5煤采區(qū)集中上山，東部為XL2陷落柱，南端為120503工作面采空區(qū)，北端為120501工作面采空區(qū)，上方為6-1煤及8煤采空區(qū)，為多面孤島工作面。120502工作面總體為一單斜構(gòu)造，煤巖層走向?yàn)?0～100°，傾向?yàn)?70°～190°，傾角11°～17°，平均傾角 14°，平均煤厚 4 m。

根據(jù)中煤科工集團(tuán)重慶研究院編制的《安徽中煤新集劉莊礦業(yè)有限公司7、6、5、4煤層煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性鑒定報(bào)告》，1205采區(qū)F19斷層以東至F30斷層以西、-785m水平以淺5煤層為非突出煤層。

2.抽采有效半徑考察方案

2.1 考察理論依據(jù)

在無(wú)采掘活動(dòng)的情況下，某一區(qū)域內(nèi)煤層的瓦斯儲(chǔ)量是一定的，由于煤層透氣性系數(shù)是一個(gè)固定值，且煤層的瓦斯流動(dòng)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定流動(dòng)的，因此一段時(shí)間內(nèi)鉆孔內(nèi)瓦斯補(bǔ)給量是有限的，而隨著煤層瓦斯流動(dòng)時(shí)間的增加，鉆孔的瓦斯流量、瓦斯?jié)舛取⑼咚沽鲃?dòng)純量、瓦斯壓力、瓦斯涌出強(qiáng)度等會(huì)逐漸減小。

根據(jù)以上煤層內(nèi)瓦斯流動(dòng)理論，煤層內(nèi)瓦斯流動(dòng)及鉆孔內(nèi)瓦斯流動(dòng)可用下列相關(guān)公式表達(dá)：

式中：q0——鉆孔原始瓦斯涌出強(qiáng)度，m3/(min·m2)；λ——煤層的透氣性系數(shù)，m2/(MPa2·d)；p0——煤層的原始瓦斯壓力，MPa2；pr0——鉆孔內(nèi)的瓦斯壓力，MPa2；r0——鉆孔孔徑，m；pstd——標(biāo)準(zhǔn)狀況下的大氣壓力，MPa2；R——鉆孔瓦斯流動(dòng)場(chǎng)的影響半徑，m；q′——鉆孔在t時(shí)刻的瓦斯涌出強(qiáng)度，m3/(min·m2)；α——鉆孔內(nèi)瓦斯流量衰減系數(shù)，d-1；t——鉆孔內(nèi)瓦斯流動(dòng)的時(shí)間，min；q——鉆孔在t時(shí)的瓦斯涌出量，m3/min；m——煤層厚度，m；Q——鉆孔在t時(shí)間內(nèi)的瓦斯抽采總量，m3。

根據(jù)上面公式(d)可知，鉆孔的抽采瓦斯能力和鉆孔的瓦斯流量衰減系數(shù)、煤層的透氣性系數(shù)、煤層厚度、鉆孔孔徑、鉆孔的抽采負(fù)壓、鉆孔的抽采時(shí)間等多個(gè)因素有關(guān)，第一個(gè)因素越大，鉆孔抽采的瓦斯純量就越小，是呈反比關(guān)系的，后五個(gè)因素越大、鉆孔抽采的瓦斯純量就越大，是呈正比關(guān)系的。通常在考察抽采半徑選取地點(diǎn)所屬區(qū)域煤層，煤層的厚度、透氣性系數(shù)、鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)都是一個(gè)固定值，因此鉆孔的抽采瓦斯能力主要是和另外三個(gè)因變量因素掛鉤的，當(dāng)確定鉆孔孔徑、鉆孔抽采負(fù)壓后，鉆孔抽采瓦斯的能力和抽采時(shí)間成1-e-αt關(guān)系，因此上述六個(gè)條件在五個(gè)條件固定時(shí)，就可以根據(jù)鉆孔抽采能力與抽采半徑的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，從而得出鉆孔在不同抽采時(shí)間內(nèi)所對(duì)應(yīng)的抽采半徑。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)選擇要求

為了順利地對(duì)抽采鉆孔有效抽采半徑進(jìn)行考察，抽采半徑考察選擇的地點(diǎn)應(yīng)滿足下列五點(diǎn)要求：考察地點(diǎn)所在的區(qū)域煤層賦存比較穩(wěn)定，沒有顯著地質(zhì)構(gòu)造；必須滿足考察所需的抽采時(shí)間；通風(fēng)、壓風(fēng)、水、電等應(yīng)滿足考察施工要求，且能保障考察人員安全；滿足《煤礦安全規(guī)程》《煤礦抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》和礦井各項(xiàng)管理及技術(shù)要求；考察前測(cè)定該煤層瓦斯含量。

2.3 計(jì)算方法

鉆孔施工完畢開始抽采后，每天測(cè)定并記錄鉆孔的抽采參數(shù)，包括抽采負(fù)壓、濃度、瞬時(shí)流量等數(shù)據(jù)。通過(guò)測(cè)定流量參數(shù)，計(jì)算鉆孔每天的抽采純量并計(jì)算累計(jì)抽采純量Q抽總。

首先按以下五點(diǎn)要求來(lái)確定考察區(qū)域煤層瓦斯抽采率：

按將煤層殘余瓦斯含量抽采降低到8 m3/t時(shí)的抽采率η1，

按將煤層殘余瓦斯含量抽采降低到始突深度處煤層瓦斯含量時(shí)的抽采率

按將煤層殘余瓦斯壓力抽采降低到始突深度的瓦斯壓力時(shí)的抽采率

按《煤礦抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》規(guī)定的瓦斯抽采率η5。

通過(guò)以上五個(gè)要求來(lái)確定最終抽采率η＝ max（η1,η2,η3,η4,η5）。

上述公式中：W——考察范圍區(qū)域?qū)崪y(cè)的煤層原始瓦斯含量，m3/t；W初突——考察范圍區(qū)域內(nèi)煤層在始突深度時(shí)的瓦斯含量，m3/t；WP0.74——考察范圍區(qū)域內(nèi)煤層在0.74MPa的瓦斯壓力情況下對(duì)應(yīng)的瓦斯含量，m3/t；

然后考察區(qū)域內(nèi)鉆孔需要抽采的瓦斯總量按下列公式計(jì)算：

式中：L1、L2——考察范圍區(qū)域長(zhǎng)度、寬度，m；h——考察范圍區(qū)域煤層平均厚度，m；γ——考察范圍區(qū)域煤層視密度，t/m3；η——通過(guò)上述五點(diǎn)要求確定的最終抽采率。

再是按下式計(jì)算需要平均在考察范圍區(qū)域內(nèi)抽采的鉆孔數(shù)量：

式中：Q抽總——某一時(shí)間段內(nèi)統(tǒng)計(jì)的所有考察鉆孔抽采總量，m3

最后，將M個(gè)鉆孔平均分布在考察抽采鉆孔控制區(qū)域，再計(jì)算出某一時(shí)間段內(nèi)的鉆孔抽采半徑。

鉆孔瓦斯抽采有效影響半徑可采用下列公式計(jì)算：

3.現(xiàn)場(chǎng)具體施工

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)考察確定在120502膠帶順槽沿煤層向工作面軌道順槽方向施工1組（10個(gè)）垂直于巷道的順層抽采鉆孔。順層抽采鉆孔的施工參數(shù)為：鉆孔方位角355°，傾角12.4°，孔深35.9 m，開孔高度距底板1.5 m，直徑Φ113mm，鉆孔間距為10m，封孔長(zhǎng)度不小于15 m?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工平行順層鉆孔傾角12.5°，孔深36 m，其余均按照設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行施工，并保證鉆孔達(dá)到平直、不塌孔、全部布置在煤層中、孔口嚴(yán)密不漏氣等要求。

4.考察結(jié)果及分析

120502工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)瓦斯含量為2.9152 m3/t，通過(guò)分源法計(jì)算120502工作面在正?；夭善陂g絕對(duì)瓦斯涌出量最大為20.06 m3/min左右，根據(jù)《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》要求，抽采率必須滿足大于或等于30%。

120502膠帶順槽抽采半徑考察鉆孔控制區(qū)域需要抽采瓦斯量為：

Q抽總＝ L1×L2×h×γ×W×η= 100×36×4×1.39×2.915 2×30%=17505.19 m3

120502膠帶順槽考察抽采鉆孔日瓦斯抽采量統(tǒng)計(jì)見表1、通過(guò)考察數(shù)據(jù)計(jì)算的抽采半徑結(jié)果見表2，考察期間鉆孔抽采負(fù)壓在26.2-31.4KPa范圍內(nèi)。

表1 120502膠帶順槽抽采鉆孔日抽采瓦斯量統(tǒng)計(jì)

表2 120502膠帶順槽瓦斯抽采鉆孔有效影響半徑結(jié)果（統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算）

根據(jù)統(tǒng)計(jì)抽采量數(shù)據(jù)計(jì)算出120502膠帶順槽抽采衰減負(fù)指數(shù)曲線，與抽采衰減負(fù)指數(shù)曲線對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)R2＝0.9478，通過(guò)統(tǒng)計(jì)15天、20天、25天及30天四個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算出的抽采衰減負(fù)指數(shù)曲線能有效減小誤差，可以代表120502膠帶順槽鉆孔抽采瓦斯規(guī)律，因此能用該抽采衰減負(fù)指數(shù)曲線公式解算120502膠帶順槽鉆孔抽采半徑，見表3。

表3 120502膠帶順槽瓦斯抽采鉆孔有效影響半徑結(jié)果（擬合抽采負(fù)指數(shù)曲線計(jì)算）

將統(tǒng)計(jì)量計(jì)算得到的15天及30天抽采半徑數(shù)據(jù)與通過(guò)抽采衰減負(fù)指數(shù)曲線積分計(jì)算得到的15天及30天抽采半徑數(shù)據(jù)對(duì)比，相同時(shí)間內(nèi)鉆孔抽采半徑數(shù)據(jù)偏差不大，基本相符，證明數(shù)據(jù)真實(shí)有效。

劉莊礦120502膠帶順槽抽采鉆孔在抽采負(fù)壓為26.2-31.4KPa時(shí)，直徑Φ113mm鉆孔抽采15天、30天、60天和極限瓦斯抽采有效影響半徑分別為：3.10 m、4.71 m、5.97 m、6.43 m。