義城煤業(yè)3號(hào)煤層瓦斯抽采半徑參數(shù)研究

魏 超，孫際宏，陳江龍，左安家

(華北科技學(xué)院 安全監(jiān)管學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

目前，我國(guó)煤礦的瓦斯災(zāi)害防治成果顯著，事故發(fā)生次數(shù)及傷亡人數(shù)大幅下降，但是煤礦瓦斯災(zāi)害防治形勢(shì)仍不容樂(lè)觀。尤其是隨著礦井開采深度的不斷增加，礦井瓦斯壓力、含量及地應(yīng)力不斷增大，而煤層滲透率則進(jìn)一步降低，抽采及治理瓦斯災(zāi)害的難度和復(fù)雜性日益增大，由此可見，瓦斯災(zāi)害防治還將是我國(guó)煤礦事故防治的重點(diǎn)及難點(diǎn)[1]。長(zhǎng)期的理論研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明：煤層預(yù)抽瓦斯可有效地解決礦井瓦斯超限負(fù)擔(dān)、消除煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)以及降低礦井瓦斯涌出量等[2]。

鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯作為目前最常用且有效的抽采措施之一，在礦井采掘活動(dòng)中起著至關(guān)重要的作用。合理的抽采半徑不僅可以指導(dǎo)抽采方法的選擇、鉆孔參數(shù)的確定，還為抽采效果的評(píng)價(jià)提供重要的依據(jù)[3]。舒龍勇等[4]提出井下預(yù)抽鉆孔應(yīng)合理布設(shè)間距，并非越密越好。李波等[5]提出過(guò)大的抽采孔布置間距，容易造成部分區(qū)域抽采不到的情況；間距布置過(guò)小，不但會(huì)出現(xiàn)抽采重疊區(qū)域，更會(huì)造成不必要的人力、物力資源浪費(fèi)。此次通過(guò)對(duì)義城煤業(yè)3號(hào)煤層不同孔徑抽放鉆孔(Φ75 mm、Φ94 mm)瓦斯抽采有效半徑的測(cè)定，分析其有效的抽采半徑及影響因素，從而確保企業(yè)安全生產(chǎn)工作的順利進(jìn)行。

1 工程背景

義城煤業(yè)行政區(qū)劃隸屬于陽(yáng)城縣町店鎮(zhèn)管轄，生產(chǎn)規(guī)模為0.9 Mt/a，礦井通風(fēng)方法采用中央并列式、通風(fēng)方式為機(jī)械抽出式。該礦開采煤層為3號(hào)和15號(hào)煤層，本次測(cè)定的為3號(hào)煤層，其中3號(hào)煤層賦存于山西組下部，其工業(yè)分析結(jié)果為特低～低灰、特低揮發(fā)分、特低硫、特高熱值的無(wú)煙煤，3號(hào)煤層厚度3.21～6.49 m，平均5.51 m，為該礦穩(wěn)定主采的煤層。3號(hào)煤層開采時(shí)，開采方式為綜合機(jī)械化走向長(zhǎng)壁采煤法，頂板管理采用全部垮落法。

2 測(cè)定方案

目前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的鉆孔抽采半徑測(cè)定的方法有壓力降低法、瓦斯流量法，其次氣體示蹤法和計(jì)算機(jī)模擬的方法也廣泛應(yīng)用開來(lái)[6-10]。通過(guò)參照義城煤業(yè)煤礦在3號(hào)煤層的瓦斯壓力測(cè)定結(jié)果，3號(hào)煤層瓦斯最大壓力為0.29 MPa，煤層瓦斯含量最大值為7.56 m3/t。因此為了更準(zhǔn)確的測(cè)定本煤層瓦斯抽采有效影響半徑，本次測(cè)定參考了一系列相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)、測(cè)定，確定義城煤業(yè)3號(hào)煤層穿層鉆孔的有效抽采半徑測(cè)定采用壓力降低法，其判斷指標(biāo)為：抽采影響半徑的指標(biāo)為瓦斯壓力下降10%，抽采有效半徑的指標(biāo)為瓦斯壓力下降51%[11]。

2.1 測(cè)定步驟

具體測(cè)定步驟如圖1所示：

圖1 有效抽采半徑測(cè)定步驟圖

2.2 鉆孔施工工藝

本方案根據(jù)義城煤業(yè)3號(hào)煤層具體情況，選定測(cè)試地點(diǎn)。設(shè)定兩組施工鉆孔，一組測(cè)試地點(diǎn)抽采孔孔徑采用φ94 mm作為抽采孔，為1號(hào)抽采孔；另一組測(cè)試地點(diǎn)抽采孔孔徑采用75 mm作為抽采孔，為2號(hào)抽采孔。選在西運(yùn)輸大巷，1號(hào)抽采孔位于西運(yùn)輸大巷距3200階段運(yùn)輸巷500 m處，2號(hào)抽采孔距離1號(hào)抽采孔30 m處，如圖2所示。

圖2 有效抽采半徑測(cè)定鉆孔布置圖

1～4號(hào)測(cè)壓鉆孔均平行布置并均垂直巷道。兩組抽采鉆孔孔徑分別為94 mm和75 mm，均平行布置并均垂直巷道，施工參數(shù)如表1、表2所示。

表1 1號(hào)鉆孔現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù)表

表2 2號(hào)鉆孔現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù)表

施工過(guò)程中，鉆孔按設(shè)計(jì)參數(shù)打孔，首先施工1～4號(hào)測(cè)壓孔，并且及時(shí)使用囊袋式“兩堵一注”的封孔工藝封孔。抽采孔等測(cè)壓孔壓力表數(shù)值穩(wěn)定后再施工，參數(shù)與測(cè)壓孔一致，并詳細(xì)記錄壓力表隨抽采時(shí)間的變化情況。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，經(jīng)過(guò)綜合分析后，即決定采用U型壓差計(jì)測(cè)定測(cè)壓孔相對(duì)瓦斯壓力，用光學(xué)甲烷檢測(cè)儀測(cè)定鉆孔瓦斯?jié)舛?。第二組測(cè)點(diǎn)施工工藝同上。

3 測(cè)定結(jié)果及分析

3.1 鉆孔瓦斯壓力分析

本次考察過(guò)程周期四個(gè)月，每四天記錄一次U型壓差計(jì)和光學(xué)甲烷檢測(cè)儀數(shù)據(jù)，并將1、2號(hào)測(cè)點(diǎn)處不同抽采半徑下的U型壓差計(jì)數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化規(guī)律作圖，如圖3、圖4所示。

(1) 從圖3可以看出，抽采半徑為3 m時(shí)的鉆孔初期變化最為明顯，前8天下降幅度達(dá)61%左右，隨后平穩(wěn)下降，當(dāng)抽采到第32天時(shí)，又呈直線下降趨勢(shì)，下降幅度接近57%左右，抽采64天時(shí)首先降為0，說(shuō)明3 m的環(huán)形區(qū)域內(nèi)瓦斯已經(jīng)充分抽采，3 m區(qū)域在鉆孔抽采有效范圍內(nèi)。

抽采半徑為4 m時(shí)的鉆孔前期變化也較明顯，但不及3 m時(shí)的那般變化劇烈，前期瓦斯壓力降幅達(dá)50%左右，在抽采至第80天開始出現(xiàn)負(fù)壓，說(shuō)明該區(qū)域也在有效半徑的影響范圍內(nèi)。

抽采半徑為5 m時(shí)的鉆孔整體下降趨勢(shì)較為平穩(wěn)，且保持一直下降趨勢(shì)，當(dāng)抽采至第120天時(shí)，測(cè)壓孔壓力趨近負(fù)壓狀態(tài)，根據(jù)變化趨勢(shì)預(yù)計(jì)在第132天左右達(dá)到負(fù)壓，說(shuō)明5 m區(qū)域在有效影響半徑范圍之內(nèi)。

抽采半徑為6 m時(shí)的鉆孔瓦斯壓力在整個(gè)抽采過(guò)程中呈現(xiàn)緩慢無(wú)規(guī)律下降趨勢(shì)，抽采至第120天時(shí)仍未達(dá)到負(fù)壓值。但根據(jù)引用的文獻(xiàn)[11]，其在第28天時(shí)以達(dá)到影響半徑范圍(下降10%)，根據(jù)變化趨勢(shì)分析，壓力在144天左右出現(xiàn)負(fù)壓，說(shuō)明6 m已經(jīng)處于有效影響半徑區(qū)域邊緣處。

綜合分析圖3不同抽采半徑下的U型壓差計(jì)數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，其半徑影響值應(yīng)在5 m～6 m之間。

圖3 1號(hào)測(cè)點(diǎn)不同抽采半徑下瓦斯壓力隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖

(2) 從圖4可以看出，抽采半徑為3 m時(shí)的鉆孔在前8天變化最為明顯，下降幅度達(dá)36%左右，隨后稍有變緩，但仍然直線下降，當(dāng)抽采至第42天時(shí)下降幅度達(dá)86%，第68天測(cè)壓孔達(dá)負(fù)壓值，說(shuō)明3 m區(qū)域在半徑有效影響區(qū)域內(nèi)。

抽采半徑為4 m時(shí)的鉆孔在整個(gè)抽采階段都變化平緩，基本成穩(wěn)定下降趨勢(shì)，在抽采至84天左右達(dá)負(fù)壓值，隨后略有增加，在負(fù)壓作用下又迅速達(dá)負(fù)壓狀態(tài)，從第117天左右基本保持在零值附近不變。

抽采半徑為5 m時(shí)的鉆孔在第68天下降幅度達(dá)50%，第80天下降幅度達(dá)95%，根據(jù)變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)第120天以后達(dá)到負(fù)壓，說(shuō)明5 m屬于有效半徑的影響范圍內(nèi)。但已經(jīng)靠近最大有效影響值。

抽采半徑為6 m時(shí)的鉆孔則在抽采120天期間一直沒(méi)有達(dá)到抽采負(fù)壓值，而且在整個(gè)抽采過(guò)程中下降較平緩，最后保持在2500 mm H2O附近保持不變，說(shuō)明抽采有效半徑未影響到6 m的區(qū)域。

綜合分析圖4不同抽采半徑下的U型壓差計(jì)數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，其半徑影響值應(yīng)在5 m左右。

圖4 2號(hào)測(cè)點(diǎn)不同抽采半徑下瓦斯壓力隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖

3.2 瓦斯壓力與瓦斯?jié)舛鹊南嚓P(guān)性分析

為避免只使用壓降法測(cè)試造成的數(shù)據(jù)偏差，故使用瓦斯?jié)舛戎笜?biāo)法與壓降法相結(jié)合的方式對(duì)抽采半徑進(jìn)行考察，在一定置信度下通過(guò)對(duì)有效半徑內(nèi)的瓦斯壓力與瓦斯?jié)舛榷邤M合，分析二者擬合后的相互關(guān)系，得到二者的相關(guān)性系數(shù)，只要二者具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，便可認(rèn)為該測(cè)壓孔位于瓦斯抽采有效半徑范圍內(nèi)[12-13]。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)處理分析，結(jié)果如圖5～6所示。

圖5 1號(hào)測(cè)點(diǎn)瓦斯壓力與瓦斯?jié)舛葦M合圖

圖6 2號(hào)測(cè)點(diǎn)瓦斯壓力與瓦斯?jié)舛葦M合圖

將數(shù)據(jù)利用OriginPro軟件對(duì)第一組測(cè)點(diǎn)進(jìn)行單指數(shù)擬合分析，擬合公式如公式1所示：

y=y0+Ae-x/t

(公式1)

式中，y0為偏移量，A為振幅，t為時(shí)間常數(shù)

并將擬合結(jié)果列入下表3。

表3 1號(hào)測(cè)點(diǎn)瓦斯壓力與濃度相關(guān)性分析

由分析結(jié)果得出，相關(guān)性系數(shù)1-1(3 m)>1-2(4 m)>1-3(5 m)>1-4(6 m)，顯著性水平具有相同規(guī)律，可以得出瓦斯?jié)舛扰c瓦斯壓力具有一定的相關(guān)性，通過(guò)綜合分析可以得出鉆孔直徑為94 mm時(shí)瓦斯抽采半徑R值為5.0 m

應(yīng)用同樣的分析方式對(duì)第二組測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表4。

表4 2號(hào)測(cè)點(diǎn)瓦斯壓力與濃度相關(guān)性分析

從表4可知，相關(guān)性系數(shù)2-1號(hào)(3 m)>2-2號(hào)(4 m)>2-3號(hào)(5 m)>2-4號(hào)(6 m)，可以得出瓦斯?jié)舛扰c瓦斯壓力具有一定的相關(guān)性，通過(guò)綜合分析可以得出鉆孔直徑為75 mm時(shí)瓦斯抽采半徑R值為5.0 m。

對(duì)比分析表3表4，在鉆孔直徑分別為94 mm和75 mm時(shí)，相同抽采半徑下瓦斯壓力濃度相關(guān)性差別不大，其最終擬合結(jié)果表明二者在相同條件下的抽采半徑差別很小，故增大鉆孔直徑對(duì)提高瓦斯抽采效果影響甚微。

4 結(jié)論

(1) 義城煤業(yè)3號(hào)煤層抽采鉆孔直徑分別為94 mm和75 mm時(shí)，其有效抽采半徑分別為5.6 m和5.0 m，故建議礦井在進(jìn)行不同鉆孔直徑的瓦斯抽采時(shí)，其抽采半徑不要超過(guò)相對(duì)應(yīng)的抽采半徑值。

(2) 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值分析可以看出，鉆孔抽采有效影響半徑在達(dá)到抽采極限之后繼續(xù)延長(zhǎng)抽采時(shí)間對(duì)瓦斯抽采效果影響不大，鉆孔抽采有效影響半徑并不會(huì)因過(guò)長(zhǎng)的抽采時(shí)間而繼續(xù)增加，建議義城煤業(yè)根據(jù)礦井具體情況合理選擇抽采時(shí)間。

(3) 增加抽采孔直徑能提升抽采效果，但幅度效果微弱，建議礦井根據(jù)自身實(shí)際條件進(jìn)行選擇合適的抽采鉆孔直徑；在條件允許的情況下，為了更好的抽采煤層瓦斯宜盡可能的提高煤層的透氣性與滲透率。