高產(chǎn)高效礦井煤層瓦斯抽采工藝優(yōu)化

李 奇,高中寧

(1.溫州理工學(xué)院，浙江溫州 325006； 2.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，沈陽(yáng) 110016)

1 高產(chǎn)高效工作面簡(jiǎn)況

試驗(yàn)區(qū)位于保德煤礦三盤(pán)區(qū)88501高產(chǎn)高效工作面，工作面范圍煤層平均傾角3.6°，煤層平均厚度5.64m，標(biāo)高754.5～810.1m，工作面傾斜長(zhǎng)度2 871.5m，走向長(zhǎng)度302.53m，工作面面積868 714m2。88501高產(chǎn)高效工作面設(shè)計(jì)采高5.3m,采用走向長(zhǎng)壁后退式一次采全高采煤方法，采空區(qū)采用全部垮落法處理頂板,工作面通風(fēng)方式為“一進(jìn)一回”[1]。

2 煤層瓦斯抽采工藝對(duì)比試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)區(qū)抽采鉆孔布置

為考察不同孔徑、不同工藝鉆孔的抽采效果，設(shè)計(jì)了小孔徑平行鉆孔瓦斯抽采試驗(yàn)、大孔徑平行鉆孔瓦斯抽采試驗(yàn)、交叉鉆孔瓦斯抽采試驗(yàn)等三種煤層瓦斯抽采工藝對(duì)比試驗(yàn)，以?xún)?yōu)化瓦斯抽采工藝參數(shù)。

選擇在88501綜采工作面膠帶運(yùn)輸順槽，布置瓦斯抽采試驗(yàn)鉆孔。設(shè)計(jì)試驗(yàn)抽采鉆孔組10組，1～8組為平行鉆孔，每組5孔；9～10組為交叉鉆孔，每組10孔，相鄰鉆孔組距離20m，共計(jì)施工60個(gè)試驗(yàn)鉆孔。設(shè)計(jì)小孔徑鉆孔94mm、大孔徑鉆孔133mm；孔間距分別為4m、6m、8m、10m與12m。試驗(yàn)區(qū)瓦斯抽采對(duì)比鉆孔布置見(jiàn)表1、圖1。

表1 試驗(yàn)區(qū)瓦斯抽采對(duì)比鉆孔參數(shù)表

圖1 試驗(yàn)區(qū)瓦斯抽采對(duì)比鉆孔布置圖Figure 1 Experiment area gas drainage comparative boreholes layout

2.2 小孔徑平行鉆孔瓦斯抽采試驗(yàn)

2.2.1 鉆孔瓦斯抽采量與時(shí)間耦合規(guī)律

在開(kāi)采層預(yù)先抽采煤層瓦斯時(shí)， 鉆孔瓦斯抽采量的高低取決于煤層本身的導(dǎo)氣性能與煤體中呈現(xiàn)的瓦斯壓力。而鉆孔瓦斯抽采量與時(shí)間的耦合關(guān)系反映煤層瓦斯抽采效率的重要指標(biāo)。工程應(yīng)用中，一般通過(guò)考察初始瓦斯抽采量和鉆孔瓦斯衰減系數(shù)兩個(gè)參數(shù)。為此試驗(yàn)主要從初始抽采量與衰減系數(shù)兩個(gè)指標(biāo)考查研究平行鉆孔預(yù)抽瓦斯的效果(表2)。利用測(cè)試參數(shù)折算每百米鉆孔抽采純量(表3)，按照式(1)推算初始抽采量與衰減系數(shù)。

表2 小孔徑平行鉆孔瓦斯抽采規(guī)律回歸計(jì)算表

表3 小孔徑百米平行鉆孔不同時(shí)間內(nèi)抽采瓦斯總量計(jì)算表

qct=qc0e-βt

(1)

式中：qct為抽采時(shí)間t時(shí)每百米鉆孔平均瓦斯抽采量，m3/min·hm[2]；Qc0為百米鉆孔初始瓦斯抽采量，m3/min·hm；B為衰減系數(shù)，d-1；t為鉆孔組抽采瓦斯時(shí)間，d。

將上式進(jìn)行積分運(yùn)算后得出一定時(shí)間內(nèi)的鉆孔瓦斯抽采總量Qct，如式(2)所示。

Qct=Qcj(1-e-βt)

(2)

式中：Qct為抽采時(shí)間t內(nèi)抽采瓦斯總量，m3；Qcj為t→∞鉆孔極限抽采瓦斯量，Qcj=1 440q0/β，m3；圖2至圖5為試驗(yàn)區(qū)不同距離的小孔徑平行鉆孔組折算百米鉆孔瓦斯抽采量同時(shí)間波動(dòng)趨勢(shì)圖。

圖2 ZKZ—Ⅰ組鉆孔平均抽采量與時(shí)間變化規(guī)律圖Figure 2 ZKZ-1 borehole group average drainage volumevariation with time regular pattern

圖3 ZKZ—Ⅱ組鉆孔平均抽采量與時(shí)間變化規(guī)律圖Figure 3 ZKZ-1I borehole group average drainage volumevariation with time regular pattern

圖4 ZKZ—Ⅲ組鉆孔平均抽采量與時(shí)間變化規(guī)律圖Figure 4 ZKZ-1II borehole group average drainage volumevariation with time regular pattern

圖5 ZKZ—Ⅳ組鉆孔平均抽采量與時(shí)間變化規(guī)律圖Figure 5 ZKZ-1V borehole group average drainage volumevariation with time regular pattern

由上述圖表，鉆孔初始瓦斯抽采強(qiáng)度大于鉆孔自然初始瓦斯涌出強(qiáng)度，極限抽采瓦斯量高于鉆孔極限自然瓦斯涌出量[3]。抽采鉆孔在負(fù)壓環(huán)境下，鉆孔周壁至四周煤體深處形成負(fù)壓梯度，受此影響深處煤體內(nèi)賦存的瓦斯向鉆孔周壁運(yùn)移涌出，最終出現(xiàn)極限抽采量大于極限自然涌出量，抽采量的衰減系數(shù)小于自然涌出量的衰減系數(shù)。

對(duì)于4組小孔徑平行鉆孔一旦增大孔間距，百米鉆孔的平均初始抽采量與極限抽采量會(huì)對(duì)應(yīng)減少，而抽采量衰減系數(shù)β變化不大，表明對(duì)于間距4～8m的鉆孔，抽采范圍出現(xiàn)了重合。

2.2.2 一定孔間距下預(yù)抽率與時(shí)間耦合關(guān)系

瓦斯預(yù)抽率是衡量瓦斯預(yù)抽效果的一個(gè)重要參數(shù)，它的意義是在某一確定的范圍內(nèi)，預(yù)先抽采的瓦斯總量同該范圍賦存的實(shí)際瓦斯總量的比值[4],如式(3)所示。

(3)

式中：η為煤層瓦斯預(yù)抽率，%；Q抽為抽采瓦斯純量，m3；L為鉆孔控制區(qū)域走向距離，m；l為抽采鉆孔平均深度，m；m0為平均煤層厚度，7.0m；r為密度，t/m3；1.43 t/m3；W0為原煤瓦斯含量，1.91m3/t。

假若不能確定實(shí)際抽采的瓦斯純量，可按式(4)估算。

(4)

則式(3)可變?yōu)?/p>

(5)

(6)

式中：n為折算的百米鉆孔數(shù)目；k為抽采鉆孔間相互干擾參數(shù)；m鉆為鉆孔密度，m/t；d為鉆孔間距，m。

由圖6可以看出：1)如果有效的鉆孔抽采時(shí)間不變，孔距與預(yù)抽率成反比；如果孔距不一致，想具有的預(yù)抽率相同，那么孔距大的需要的時(shí)間較長(zhǎng)。

2)鉆孔預(yù)抽率伴隨時(shí)間的持續(xù)大部分呈現(xiàn)提高的趨勢(shì)，不過(guò)提高的速率會(huì)慢慢變小直至接近于零。不一樣間距的鉆孔當(dāng)預(yù)抽時(shí)間達(dá)到300d時(shí)，預(yù)抽率幾乎都不會(huì)增大。因此8號(hào)煤層內(nèi)布置小孔徑Φ94mm鉆孔開(kāi)展抽采時(shí)，適宜的抽采時(shí)間不能多于300d。

圖6 小孔徑平行鉆孔不同間距下預(yù)抽率與時(shí)間關(guān)系圖Figure 6 Small diameter parallel layout pre-drainage ratevariations with time under different intervals

3)鉆孔組的抽采間距一定時(shí)那么會(huì)有一個(gè)確定的極限預(yù)抽率與其一一對(duì)應(yīng)，且兩者變化趨勢(shì)呈現(xiàn)反比，也就是如果想要獲得較大的預(yù)抽率，那么就需要減小孔間距。

2.3 大孔徑平行鉆孔瓦斯抽采試驗(yàn)

大孔徑抽采技術(shù)屬于一種強(qiáng)化抽采煤體瓦斯的方法。通過(guò)擴(kuò)大抽采鉆孔的孔徑，在煤體中人為的制造了更大的自由空間這對(duì)于改善煤體導(dǎo)氣性能，卸除集中的應(yīng)力大有裨益。為了考察大孔徑抽采技術(shù)的效果合理設(shè)計(jì)參數(shù)，本次試驗(yàn)選擇了Φ133mm大直徑鉆孔開(kāi)展研究，其抽采試驗(yàn)結(jié)果及效果如下：

2.3.1 鉆孔瓦斯抽采量與時(shí)間耦合規(guī)律

同樣的方法將Φ133mm鉆孔瓦斯抽采參數(shù)回歸分析處理，并求得8號(hào)煤大孔徑平行鉆孔在規(guī)定時(shí)間范圍內(nèi)的總的瓦斯抽采量(表4、表5)。

表4 大孔徑平行鉆孔不同間距情況下瓦斯抽采規(guī)律計(jì)算表

表5 百米大孔徑平行鉆孔不同時(shí)間內(nèi)瓦斯抽采總量計(jì)算表

由圖7至圖10可以看出，同小孔徑鉆孔組一樣，大孔徑不同間距鉆孔組，鉆孔初始瓦斯抽采強(qiáng)度大于鉆孔自然初始瓦斯涌出強(qiáng)度，極限自然涌出量小于極限抽采量[5]。4組大孔徑鉆孔折算百米鉆孔的平均初始抽采量大小相當(dāng)，可距離為8～10m時(shí)極限抽采量為距離12 m時(shí)的約2倍，表明距離為8～10m的抽采鉆孔相互間已出現(xiàn)了抽采效應(yīng)重合的情況，由此認(rèn)為平行大孔徑鉆孔的最佳孔距為 8～10m。出當(dāng)孔徑由Φ94增加到Φ133時(shí)對(duì)抽采量變化不大，表明在低瓦斯區(qū)通過(guò)擴(kuò)孔提高抽采效果不是很明顯，如此同時(shí)由于鉆孔直徑的加大影響到封孔質(zhì)量。

圖7 ZKZ—Ⅴ組鉆孔平均抽采量與時(shí)間變化曲線Figure 7 ZKZ-V borehole group average drainage volumevariation with time curve

圖8 ZKZ—Ⅵ組鉆孔平均抽采量與時(shí)間變化曲線Figure 8 ZKZ-VI borehole group average drainage volumevariation with time curve

圖9 ZKZ—Ⅶ組鉆孔平均抽采量與時(shí)間變化曲線Figure 9 ZKZ-VII borehole group average drainage volumevariation with time curve

圖10 ZKZ—Ⅷ組鉆孔平均抽采量與時(shí)間變化曲線Figure 10 ZKZ-VIII borehole group average drainage volumevariation with time curve

2.3.2 不同鉆孔間距下預(yù)抽率與時(shí)間耦合關(guān)系

同前述方法得到Φ133大直徑鉆孔在對(duì)應(yīng)孔間距內(nèi)的瓦斯預(yù)抽率如圖11。

圖11 大孔徑不同間距平行鉆孔預(yù)抽率與時(shí)間關(guān)系曲線Figure 11 Large diameter parallel layout boreholespre-drainage rate variation with time curve

圖11中從曲線的變化趨勢(shì)可知，從全局來(lái)看看預(yù)抽率與抽采時(shí)間正相關(guān)，不過(guò)增速慢慢變小且接近于零。當(dāng)抽采時(shí)間達(dá)到240d以上時(shí)，預(yù)抽率幾乎不在增加，由此可知大孔徑平行鉆孔合理抽采時(shí)間不應(yīng)大于240d。

2.4 小徑交叉鉆孔瓦斯抽采試驗(yàn)

為了研究交叉鉆孔抽采工藝瓦斯預(yù)抽效果，在試驗(yàn)區(qū)設(shè)計(jì)了ZKZ—Ⅸ鉆孔組、ZKZ—Ⅹ鉆孔組，鉆孔組工藝參數(shù)如表1。

2.4.1 交叉鉆孔瓦斯抽采量與時(shí)間耦合規(guī)律

交叉布置鉆孔抽采瓦斯量與時(shí)間的波動(dòng)特征考查方法與前述相同。

圖12 ZKZ—Ⅸ組鉆孔平均抽采量與時(shí)間變化曲線Figure 12 ZKZ-IX borehole group average drainage volumevariation with time curve

圖13 ZKZ—Ⅹ組鉆孔平均抽采量與時(shí)間變化曲線Figure 13 ZKZ-IX borehole group average drainage volumevariation with time curve

表6 不同間距小孔徑交叉鉆孔瓦斯抽采規(guī)律

表7 百米小孔徑交叉鉆孔不同時(shí)間內(nèi)瓦斯抽采總量計(jì)算表

根據(jù)圖12、圖13通過(guò)對(duì)比分析可得：

1)在交叉鉆孔設(shè)計(jì)中間距為5m的鉆孔組ZKZ—Ⅸ與間距為7.5m的鉆孔組ZKZ—Ⅹ抽采指標(biāo)參數(shù)初始瓦斯抽采量、鉆孔衰減系數(shù)和折算百米鉆孔的極限抽采瓦斯量的變化不很明顯，其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)相差不大。

2)對(duì)比ZKZ—Ⅹ組鉆孔(與交叉鉆孔的地質(zhì)條件相近，具有可比性)，可知在鉆孔孔徑相同，間距相近的情況時(shí)，交叉鉆孔平均初始瓦斯抽采量是平行鉆孔的1.23倍，量衰減系數(shù)也大于平行鉆孔為其2.69倍。極限抽采量小于平行鉆孔。與大孔徑鉆孔(ZKZ—Ⅴ組與ZKZ—Ⅵ組)相比，在間距相近的情況下，交叉孔平均初始瓦斯抽采量是平行鉆孔的1.5倍，衰減系數(shù)同樣高于平行鉆孔，前者是后者的1.7倍左右。這表明盡管交叉鉆孔增大了布置密度提高了煤層的卸壓效果,同時(shí)初始瓦斯抽采量也相應(yīng)增大,可是在這部分范圍內(nèi)瓦斯含量卻很小,不能提供豐富的源頭補(bǔ)給,衰減很大。所以在以后的抽采施工過(guò)程中沒(méi)有必要施工大孔徑鉆孔(Φ133mm)或交叉鉆孔，施工小孔徑Φ94 mm的鉆孔即可(表6、表7)。

2.4.2 交叉鉆孔預(yù)抽率與時(shí)間耦合關(guān)系

由式3計(jì)算出在一定時(shí)間內(nèi)的預(yù)抽率,將各個(gè)離散點(diǎn)繪制成圖14。

圖14 不同間距交叉鉆孔預(yù)抽率與時(shí)間變化曲線Figure 14 Different intervals crossed layout boreholespre-drainage rate variation with time curve

1)提高鉆孔布置密集程度，那么鉆孔的瓦斯預(yù)抽率也會(huì)提高。

2)對(duì)不一樣的密集程度的交叉式鉆孔來(lái)說(shuō)，如果想取得同等的預(yù)抽效率，增加鉆孔布置密度所耗用的時(shí)間比較少，同樣對(duì)于鉆孔密度小的情況其所用的時(shí)間比較多。

3)從圖中可以看出，在孔距5m情況下抽采到180d時(shí)，抽采率至20.06%后就基本上不再增加了；當(dāng)孔距在7.5m抽采到180d后抽采率為14.46%以后就基本上不再增加了。為了增加預(yù)抽率，只有減小孔距以調(diào)高孔密度才能實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)論

抽采工藝優(yōu)化試驗(yàn)研究了小孔徑與大孔徑抽采工藝，平行鉆孔與交叉鉆孔抽采工藝，通過(guò)幾種抽采工藝技術(shù)的對(duì)比試驗(yàn)得出，抽采孔距與預(yù)抽率呈負(fù)相關(guān)，若保證預(yù)抽率相同，孔距大的耗時(shí)較長(zhǎng)。鉆孔預(yù)抽率伴隨時(shí)間的持續(xù)大部分呈現(xiàn)提高的趨勢(shì)，不過(guò)提高的速率會(huì)慢慢變小直至接近于零。小孔徑抽采工藝當(dāng)預(yù)抽時(shí)間達(dá)到300d時(shí)，預(yù)抽率變化不明顯；大孔徑抽采工藝預(yù)抽率在抽采時(shí)間達(dá)到240d時(shí)，增長(zhǎng)微弱。由此得出試驗(yàn)區(qū)8號(hào)煤層內(nèi)布置小孔徑Φ94mm鉆孔開(kāi)展抽采時(shí)，抽采最優(yōu)時(shí)間為300d，大孔徑Φ133mm鉆孔抽采最優(yōu)時(shí)間為240d。

在交叉鉆孔抽采工藝方面研究得出，孔距5m情況下，η值穩(wěn)定在20.06%，對(duì)應(yīng)的抽采最優(yōu)時(shí)間為180d；孔距7.5m情況下，η值穩(wěn)定在14.46%，抽采最優(yōu)時(shí)間也為180d。說(shuō)明交叉鉆孔抽采工藝最優(yōu)抽采時(shí)間與間距無(wú)關(guān)，但會(huì)影響預(yù)抽率。