基于抽采瓦斯量測(cè)定地面鉆孔有效半徑研究

張樹川, 張文清, 李重情

(1.安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽　淮南　232001；2.安徽理工大學(xué)煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽　淮南　232001)

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基于抽采瓦斯量測(cè)定地面鉆孔有效半徑研究

張樹川, 張文清, 李重情

(1.安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽淮南232001；2.安徽理工大學(xué)煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽淮南232001)

摘要：為了準(zhǔn)確考察保護(hù)層開采條件下被保護(hù)層地面鉆孔有效抽采半徑，從而為合理布置地面鉆孔提供依據(jù)，對(duì)現(xiàn)有測(cè)定地面鉆孔有效半徑存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析。基于瓦斯流動(dòng)理論和煤層瓦斯抽采量、抽采率等在防治煤與瓦斯突出等瓦斯災(zāi)害以及煤層氣開發(fā)和利用的要求，在保證煤層瓦斯預(yù)抽率大于等于30%和煤層瓦斯含量小于等于8 m3/t條件下，提出了基于考察地面鉆孔抽采瓦斯量測(cè)定地面鉆孔有效半徑的新方法，接下來(lái)應(yīng)用該方法對(duì)地面鉆孔有效抽采半徑進(jìn)行了計(jì)算。研究結(jié)果表明：基于鉆孔瓦斯抽采量測(cè)試新集一礦北中央采區(qū)131105工作面地面1#、2#、3#和4#鉆孔有效抽采半徑分別為85 m、55 m、75 m和115 m，并驗(yàn)證了示蹤技術(shù)法測(cè)定的地面鉆孔有效抽采范圍內(nèi)抽采指標(biāo)不達(dá)標(biāo)。

關(guān)鍵詞：抽采瓦斯量；地面鉆孔；有效半徑；保護(hù)層開采

基金資助：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51474009)

瓦斯抽采是為了降低煤層瓦斯壓力和含量，繼而防治煤與瓦斯突出等瓦斯災(zāi)害事故的發(fā)生和開發(fā)利用煤層氣[1]。鉆孔預(yù)抽是抽采瓦斯的主要方式，按照空間位置可分為地面鉆孔抽放和井下布孔抽放2種[2]。地面鉆孔抽放方式是由地面向開采煤層本煤層或采空區(qū)或鄰近煤層即采動(dòng)區(qū)打鉆抽放瓦斯。我國(guó)大部分礦區(qū)煤層受構(gòu)造擠壓和剪切應(yīng)力的作用，煤層原生結(jié)構(gòu)遭到破壞而形成構(gòu)造，煤質(zhì)松軟，煤層透氣性系數(shù)低，多為10-3～10 m2/(MPa2.d)，利用地面鉆孔抽采原始煤體瓦斯較困難。提高鉆孔抽采瓦斯量的關(guān)鍵在于如何提高煤層的透氣性系數(shù)[3]。保護(hù)層開采具有“卸壓增透增流”效應(yīng)[4]。進(jìn)入本世紀(jì)以來(lái)，淮南、淮北、平頂山、寧煤等礦區(qū)都已開展了地面鉆孔結(jié)合保護(hù)層開采抽采采動(dòng)區(qū)瓦斯技術(shù)的應(yīng)用，取得了較好的效果。當(dāng)?shù)孛驺@孔間距過(guò)大，容易存在未預(yù)抽區(qū)域或抽采指標(biāo)不達(dá)標(biāo)區(qū)域；地面鉆孔間距過(guò)小，造成抽采費(fèi)用的提高。準(zhǔn)確測(cè)定地面鉆孔有效半徑是地面鉆孔抽采瓦斯關(guān)鍵技術(shù)之一[5]。本文以新集一礦北中央采區(qū)131105工作面地面鉆孔結(jié)合保護(hù)層開采為例，基于地面鉆孔抽采瓦斯量測(cè)定瓦斯抽采有效半徑的新方法，測(cè)算了地面鉆孔有效抽采半徑，研究結(jié)果為在相同或相近地質(zhì)條件、開采條件和抽采條件下合理確定布孔方案提供參考。

1測(cè)試技術(shù)

地面鉆孔瓦斯有效抽采半徑測(cè)定方法主要分為瓦斯壓力降低法[6-7]、示蹤氣體法[8]和數(shù)值模擬計(jì)算[9-11]等。利用瓦斯壓力降低法或示蹤氣體法測(cè)試地面鉆孔抽采采動(dòng)區(qū)卸壓瓦斯半徑如圖1和圖2所示。

瓦斯壓力降低法的關(guān)鍵，在于測(cè)試考察孔壓力變化情況是否能準(zhǔn)確的反應(yīng)煤體瓦斯在鉆孔抽采下的變化情況。由于該方法需施工一定量的鉆孔，工程量較大，而考察孔瓦斯壓力受采動(dòng)、鉆孔孔徑、封孔長(zhǎng)度和質(zhì)量、圍巖煤體力學(xué)特性、水文地質(zhì)條件等諸多因素影響，要準(zhǔn)確的測(cè)定煤體瓦斯在鉆孔抽采下壓力的變化存在一定的測(cè)試難度。示蹤氣體法的關(guān)鍵，在于準(zhǔn)確分析在一定時(shí)間內(nèi)采集到采樣點(diǎn)氣樣是否具有相應(yīng)釋放的示蹤氣體。該方法受示蹤氣體理化特性，鉆孔施工質(zhì)量，釋放、采樣過(guò)程，分析儀器檢驗(yàn)精度和人為主觀因素等方面影響較大。同時(shí)以“在采集氣樣中發(fā)現(xiàn)相應(yīng)釋放示蹤氣體，則認(rèn)為采樣孔的范圍為鉆孔抽采有效半徑以內(nèi)”作為抽采有效半徑的測(cè)定缺乏理論依據(jù)。相對(duì)于上述兩種方法而言，數(shù)值模擬計(jì)算法可以方便、快速地確定有效抽采半徑，但其計(jì)算模型的建立和邊界條件的設(shè)定在一定假設(shè)前提下具有經(jīng)驗(yàn)性，未能或不能全面的考慮煤體本質(zhì)特征、煤的軟化變形和擴(kuò)容特征、鉆孔煤的蠕變變形鉆孔和周圍煤體與瓦斯氣固耦合作用等[12]。由于上述研究方法存在一定的問(wèn)題，需要研究新方法來(lái)準(zhǔn)確可靠可行測(cè)定地面鉆孔有效抽采半徑。

2基于抽采瓦斯量測(cè)試技術(shù)

2.1　有效抽采半徑判定指標(biāo)

鉆孔有效抽采半徑判定指標(biāo)，即瓦斯抽采達(dá)標(biāo)的相關(guān)指標(biāo)有煤層殘余瓦斯含量降到8 m3/t和殘余瓦斯壓力降到0.74 MPa以下，瓦斯預(yù)抽率大于等于30%[13-15]。工程應(yīng)用中，通常選取上述3個(gè)指標(biāo)中的一個(gè)或多個(gè)。

由于煤層瓦斯含量和瓦斯壓力基本呈拋物線關(guān)系，工程實(shí)踐中，常用拋物線方程來(lái)取代煤層瓦斯含量曲線，即煤層瓦斯含量按下式計(jì)算：

(1)

式中：X為煤層瓦斯含量，m3/t；α為煤層瓦斯含量系數(shù)，m3/(t·MPa1/2)；P為煤層絕對(duì)瓦斯壓力，MPa。

預(yù)抽率和瓦斯瓦斯含量、 殘余瓦斯壓力關(guān)系如下：

(2)

式中：η為瓦斯預(yù)抽率，%；Xc為殘余瓦斯含量，m3/t；Pc為殘余瓦斯壓力，MPa。

取殘余瓦斯含量為8 m3/t、殘余瓦斯壓力為0.74 MPa時(shí)，由式(2)推出煤層瓦斯預(yù)抽率和原始瓦斯含量、原始瓦斯壓力耦合關(guān)系(見圖3)。預(yù)抽率為30%時(shí)，煤層原始瓦斯含量為11.3 m3/t，煤層原始瓦斯壓力為1.5 MPa。為滿足防突指標(biāo)要求，當(dāng)煤層原始瓦斯含量、原始瓦斯壓力分別大于11.3 m3/t、1.5 MPa時(shí)，煤層瓦斯預(yù)抽率須相應(yīng)提高。

2.2　基于抽采量測(cè)定方法

煤層瓦斯預(yù)抽率滿足：

(3)

式中：η為煤層瓦斯預(yù)抽率；Qc為鉆孔抽采瓦斯量，m3；Q為鉆孔有效抽采范圍內(nèi)煤體瓦斯儲(chǔ)量，m3。

預(yù)抽煤層瓦斯后殘余瓦斯含量：

Xc=X-Qc/Z≤8m3/t

(4)

式中：Z為鉆孔有效抽采范圍內(nèi)煤量，t；

被保護(hù)層在傾斜和走向方向保護(hù)范圍受保護(hù)層開采范圍、層間距離、保護(hù)層開采厚度、層間巖性等影響而不同。在被保護(hù)范圍內(nèi)煤體充分泄壓，煤層透氣性系數(shù)大大增大，可達(dá)上千倍。而煤層透氣性系數(shù)是影響鉆孔抽采瓦斯量的關(guān)鍵，假設(shè)地面鉆孔抽采瓦斯全部來(lái)源于保護(hù)層開采后被保護(hù)范圍內(nèi)的煤層瓦斯，建立地面鉆孔抽采瓦斯模型(見圖4)。

鉆孔有效半徑范圍內(nèi)煤體瓦斯儲(chǔ)量可按下式計(jì)算：

Q=

(5)

式中：r為有效抽采半徑，m；l為鉆孔見煤厚度，m；γ為煤容重， t/m3；X為煤層原始瓦斯含量， m3/t；w為被保護(hù)層傾向方向保護(hù)范圍，m；。

3技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1　試驗(yàn)區(qū)概況

新集一礦131105工作面作為保護(hù)層，保護(hù)上方平均垂距70 m的131305工作面，布置4個(gè)地面鉆孔抽采煤層卸壓瓦斯。走向方向1#鉆孔位于131105工作面開切眼以東125 m，2#、3#、4#鉆孔分別依次向東布置，鉆孔間距200 m，傾斜方向上布置在工作面傾向的中心線上，鉆孔穿13煤。煤層平均厚度6.0 m，煤層瓦斯壓力為3.1 MPa，煤層瓦斯含量為13.37 m3/t，煤的容重為1.27 t/m3。

3.2　地面鉆孔抽采量測(cè)定

工程實(shí)踐中測(cè)試地面鉆孔抽采瓦斯量是在地面抽采管路安裝流量計(jì)測(cè)試(見圖5)。通過(guò)地面鉆孔抽采管理流量計(jì)、瓦斯?jié)舛葴y(cè)試裝置等可以測(cè)試出不同抽采時(shí)間范圍內(nèi)抽采瓦斯混合流量、瓦斯?jié)舛?、抽采?fù)壓等，繼而求出抽采瓦斯純量。

地面鉆孔抽采瓦斯量受到地段地質(zhì)構(gòu)造、煤層賦存情況、被保護(hù)層采動(dòng)卸壓情況、抽采泵工作負(fù)壓等影響。經(jīng)地面鉆孔地面抽采管路孔板流量計(jì)測(cè)試1#、2#、3#和4#地面鉆孔，分別抽采1 307 km3、375 km3、 681 km3和2 039 km3瓦斯，共抽采瓦斯4 403 km3。地面鉆孔抽采瓦斯量和抽采時(shí)間關(guān)系如圖6所示。由測(cè)定數(shù)據(jù)知，4個(gè)地面鉆孔抽采瓦斯量不同，4#地面鉆孔最大，2#地面鉆孔最小，4個(gè)地面鉆孔平均抽采瓦斯量為1 101 km3。地面鉆孔月平均抽采瓦斯量是一個(gè)初起期、發(fā)展期、最大期和衰減穩(wěn)定期等山峰型過(guò)程，近似形如 “Λ”。主要由于地面鉆孔抽采瓦斯是在保護(hù)層開采的條件下進(jìn)行的，隨著保護(hù)層工作面推進(jìn)，被保護(hù)層任一點(diǎn)煤層的透氣性系數(shù)經(jīng)歷原始值→低于原始值→最大值→卸壓穩(wěn)定值(大于原始值)的過(guò)程[16](見圖7)。在抽采條件不變的情況下，煤層透氣性系數(shù)變化反應(yīng)了鉆孔瓦斯抽采量的變化。

3.3　技術(shù)應(yīng)用

文獻(xiàn)[17]通過(guò)釋放SF6示蹤氣體測(cè)定了該試驗(yàn)區(qū)地面鉆孔傾斜方向抽采半徑為160 m以上，文獻(xiàn)[18]計(jì)算了該試驗(yàn)區(qū)被保護(hù)層傾斜方向的保護(hù)范圍為130 m。地面鉆孔抽采半徑取為160 m，被保護(hù)層傾斜卸壓保護(hù)范圍130 m，利用式(3)～式(5)計(jì)算地面鉆孔抽采有效保護(hù)范圍內(nèi)煤層瓦斯抽采率和殘余瓦斯含量如表1所示。

表1　抽采半徑160 m范圍內(nèi)地面鉆孔抽采指標(biāo)

由表1可知，在上述計(jì)算范圍內(nèi)煤層瓦斯的抽采率小于30%和殘余瓦斯含量大于8 m3/t，瓦斯抽采不達(dá)標(biāo)。示蹤法測(cè)定抽采半徑認(rèn)為“在采集氣樣中發(fā)現(xiàn)相應(yīng)釋放示蹤氣體，則認(rèn)為釋放孔和采樣孔距離為鉆孔抽采有效半徑以內(nèi)”，該方法缺乏系統(tǒng)的理論依據(jù)。

表2　滿足抽采指標(biāo)地面鉆孔抽采半徑計(jì)算

由表2知，地面鉆孔有效抽采半徑不同，其中4#地面鉆孔有效抽采半徑最大為115 m，2#地面鉆孔有效抽采半徑最小為55 m。導(dǎo)致有效抽采半徑不同的原因有：① 煤是各向異性非均勻介質(zhì)，同一煤層不同工作面，同一工作面不同位置，煤體原始瓦斯壓力、透氣性系數(shù)和煤層瓦斯含量系數(shù)等均存在一定的差異；② 地面鉆孔的有效作用時(shí)間不同；③ 保護(hù)層開采導(dǎo)致被保護(hù)層卸壓效果不同；④ 地面鉆孔施工質(zhì)量、成孔效果；⑤ 地面鉆孔抽采管路阻力大小、抽采泵負(fù)壓及作用時(shí)間；⑥ 煤礦井下其他瓦斯治理工程；⑦ 瓦斯流量計(jì)量裝置精度。

4結(jié)論

1) 提出基于地面鉆孔抽采瓦斯量測(cè)定地面鉆孔有效抽采半徑的方法，即通過(guò)地面安裝管路安裝瓦斯流量計(jì)，用測(cè)定地面抽采鉆孔抽采瓦斯量來(lái)確定地面鉆孔的有效抽采半徑。

3) 利用提出的地面鉆孔有效抽采半徑技術(shù)，驗(yàn)證了示蹤技術(shù)法測(cè)定的地面鉆孔抽采有效半徑范圍內(nèi)煤層瓦斯預(yù)抽率和煤層瓦斯含量不達(dá)標(biāo)，示蹤技術(shù)法測(cè)定鉆孔有效抽采半徑理論研究上需進(jìn)一步完善。

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(責(zé)任編輯：何學(xué)華，吳曉紅)

Study on Effective Drainage Radius of Surface Borehole Based on Gas Drainage Quantity

ZHANG Shu-chuan, ZHANG Wen-qing, LI Zhong-qing

(1.School of Energy and Safety, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China；2. Key Laboratory of Safe and Effective Coal Mining (Anhui University of Science and Technology)，Ministry of Education, Huainan Anhui 232001,China)

Abstract:In order to accurately investigate the effective drainage radius of surface boreholes in the protected coal seam under the condition of protective layer mining and provide a basis for rational arrangement of surface boreholes, the existing problem of effective radius measurement of surface borehole was analyzed. Based on gas flow theory and requirements of coal and gas outburst and other gas disasters prevention and coalbed gas exploitation and utilization, such as drainage quantity, drainage rate, a new method is proposed to measure the effective radius of surface borehole, under the conditions of assurance of coal gas pre-drainage rate of more than 30% and coal seam gas content less than or equal to 8 m3/t. The effective drainage radius of the surface borehole was calculated by using the method. The results showed that the effective drainage radius of 1#, 2#, 3# and 4# surface boreholes in No.131105 working face in the Northern Central District of Xiji No.1 Coal Mine based on the test of gas quantity drained from surface boreholes respectively is 85 m, 55 m, 75 m and 115 m. It was verified that the drainage parameters of the surface boreholes in the effective drainage range measured by tracing technique method are not up to the standard.

Key words:gas drainage quantity; surface borehole; effective drainage radius; protective layer mining

作者簡(jiǎn)介：張樹川(1979-)，男，遼寧遼陽(yáng)人，講師，在讀博士，研究方向：安全科學(xué)與工程。

收稿日期：2015-03-18

中圖分類號(hào)：TD713.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-1098(2015)04-0001-05