鉆孔瓦斯流量法測定煤層有效抽采半徑

徐 剛，范亞飛，張?zhí)燔?/p>

（1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 理學院，陜西 西安 710054；3.西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054）

0 引言

我國是世界上煤與瓦斯突出災(zāi)害最嚴重的國家之一，煤層瓦斯抽采是防治瓦斯事故的根本性措施［1］。在煤層中施工抽采鉆孔抽采煤層瓦斯消突已成為保障煤礦安全生產(chǎn)必不可少的重要環(huán)節(jié)。抽采半徑是制定抽采方案的關(guān)鍵參數(shù)之一，抽采半徑的大小直接影響到抽采孔的布孔方式、孔間距的設(shè)計和抽采時間的制定［2］。抽采半徑過小，不僅會給生產(chǎn)工作增加無意義的工作量，而且會增加鉆孔相互串孔的概率，增大封孔難度，降低封孔質(zhì)量，影響瓦斯抽采效果；半徑過大，在預(yù)定的抽采時間內(nèi)煤層部分區(qū)域的瓦斯得不到有效排放，形成瓦斯治理的盲區(qū)，威脅安全生產(chǎn)［3］。

國內(nèi)外學者不斷完善煤層瓦斯的流動理論研究［4］，在此基礎(chǔ)上，將測定鉆孔有效抽采半徑的方法運用到實際生產(chǎn)中，采用如瓦斯壓力降低法［5］、瓦斯含量法［6］、示蹤氣體法［7］等方法測定煤層有效抽采半徑。也有學者在遵守達西定律和質(zhì)量守恒定律的前提下，通過計算機模擬仿真技術(shù)推導(dǎo)計算礦井有效抽采半徑［8-9］。

1 測定原理

煤層瓦斯流動理論指出，鉆孔瓦斯涌出量隨著時間的推移呈衰減的趨勢［10］。表征鉆孔自然瓦斯涌出特征的參數(shù)有2個：鉆孔初始瓦斯涌出強度q0和鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)α，其中鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)α是評價煤層瓦斯預(yù)抽難易程度的一個重要指標。q0和α值通過測定不同時間的鉆孔自然瓦斯涌出量并按下式回歸分析求得

式中：qt—時間為t時的鉆孔自然瓦斯流量，m3/min；qc0—時間t=0時的鉆孔自然瓦斯流量，m3/min；α—鉆孔自然瓦斯流量衰減系數(shù)，d-1；t—鉆孔自排瓦斯時間，d。

對（1）式積分，可以得到任意時間t內(nèi)鉆孔自然瓦斯涌出總量Qct：

抽采鉆孔影響范圍內(nèi)煤層總的瓦斯儲量為：

式中：L1—沿巷道方向抽采鉆孔影響范圍長度，L1=2r，m；r—鉆孔抽采半徑，m；L2—沿工作面方向抽采鉆孔影響范圍寬度，L2=煤段長度-封孔長度，m；h—抽采鉆孔影響范圍煤層厚度，m；ρ—抽采鉆孔影響范圍內(nèi)煤的密度，t/m3；W—抽采鉆孔影響范圍內(nèi)煤的瓦斯含量，m3/t。

《煤礦安全規(guī)程》2016版第35條明確規(guī)定：礦井建設(shè)開工前，首采區(qū)預(yù)抽瓦斯，預(yù)抽效果應(yīng)當滿足：煤層預(yù)抽率大于30%、瓦斯壓力下降51%以上、含量下降30%以上。

根據(jù)煤層瓦斯預(yù)抽率大于30%的要求，可得到

整理得到有效抽采半徑的計算公式

2 測定步驟及結(jié)果

2.1 測點選擇

根據(jù)建新煤礦的實際生產(chǎn)情況，4-2煤層鉆孔瓦斯抽采半徑的測定地點選擇在4207回風巷。4-2煤層賦存于延安組第一段下次級旋回的頂部，呈層狀產(chǎn)出，是本區(qū)的最主要可采煤層。主體部分（古凹陷的中心部位）煤層穩(wěn)定在4～10 m，平均8.33 m，標準差3.18，全區(qū)煤層變異系數(shù)46.92%，主體部分變異系數(shù)23.1%，煤層由凹陷的中心向周邊逐漸變薄的規(guī)律明顯，是區(qū)內(nèi)穩(wěn)定性最好的煤層?？刹蓞^(qū)煤層厚度0.80～11.74 m，平均6.78 m。4207工作面位于42盤區(qū)西南部，工作面呈西南—東北方向布置，其東、西兩側(cè)均為未開采的煤層，不受采動影響，平均煤厚4 m。巷道斷面為矩形巷道，不受斷層影響，頂?shù)装逋暾?/p>

本次測試工作借鑒前人的測試經(jīng)驗，采用鉆孔瓦斯流量法，測定4-2煤層4207回風巷的鉆孔瓦斯抽采半徑，取得了比較理想的結(jié)果。

2.2 測試方法

在4207工作面11#-12#鉆場之間，布置孔徑φ94 mm的4組平行抽采鉆孔作為測試鉆孔，如圖1所示。每組3個鉆孔，鉆孔間距分別為1 m、2 m、3 m和4 m，鉆孔編號為1#～12#。為保證每個實驗組之間相互獨立，互不影響，鉆孔組間間距設(shè)計為8 m。第1組鉆孔距離11#鉆場的距離為2.7 m。鉆孔深40 m，傾角為2°，與巷道方向夾角為90°。抽采鉆孔采用液壓鉆機施工，壓風排渣工藝，取孔內(nèi)20 m深處新鮮煤芯（煤粉），依據(jù)《含量測定方法》測定煤層瓦斯含量。

圖1 鉆孔布置方式示意圖

施工結(jié)束后，立即封孔。封孔深度10 m，采用囊袋式兩堵一注方式封孔。隨即接入抽采系統(tǒng)，抽采管采用D75 mm的帶安標的PVC管，封孔后及時連接到抽采主管路上，利用負壓表、孔板流量計、U型壓差計和光學瓦檢儀測定并記錄單孔的瓦斯抽采參數(shù)，包括抽采負壓、壓差、濃度、溫度、流量等，進而計算百米單孔抽采瓦斯純量數(shù)據(jù)。前10 d每天記錄單孔抽采參數(shù)，第11～30 d每2 d一次，第2個月為3 d一次。觀測時間為2個月。根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合抽采率公式，對鉆孔抽采影響范圍達到指定抽采半徑所需的抽采時間進行預(yù)測。

依據(jù)預(yù)測的抽采時間，對各組內(nèi)殘余瓦斯含量進行考察。于組內(nèi)兩抽采鉆孔之間正中位置，如圖2所示，打殘余瓦斯含量測試鉆孔，編號為殘1#～殘4#，鉆孔直徑為 φ94 mm，孔深20 m。于孔深20 m處取煤樣用直接法測試殘余瓦斯含量，然后封孔，封孔方式同樣采用囊袋式兩堵一注封孔。

圖2 殘余瓦斯含量測定鉆孔布置示意圖

2.3 測定結(jié)果

瓦斯含量的直接測定法在實際測定過程中難免發(fā)生漏氣，所以每組選定瓦斯量最大的一個鉆孔為該組測定瓦斯量的最終值，測定結(jié)果見表1。

表1 組內(nèi)瓦斯原始瓦斯含量測定結(jié)果

依據(jù)各個鉆孔的每天抽采瓦斯混合流量（換算成標準大氣壓下流量）、混合濃度、抽采時間、鉆孔長度，換算每百米鉆孔平均瓦斯抽采純量（qct），根據(jù)不同時間下的鉆孔流量測定數(shù)組（ti，qi），用（1）式回歸分析求出百米鉆孔初始瓦斯抽采量qct和鉆孔瓦斯抽采量衰減系數(shù)α。擬合出的瓦斯流量衰減關(guān)系式曲線如圖3所示。

不同鉆孔組百米鉆孔抽采純量qc0與抽采時間t的關(guān)系式如下所示

式中：qc0—百米鉆孔抽采純量，m3/min；t—抽采時間，d。

通過整理百米鉆孔平均抽采量與抽采時間的關(guān)系式，依據(jù)式（5）預(yù)測有效抽采半徑達到0.5 m，1 m，1.5 m，2 m時所需的抽采時間分別為：9 d、20 d、39 d、90 d。

根據(jù)預(yù)測時間，進行煤層殘余瓦斯含量的測定和預(yù)抽率的計算，殘余瓦斯含量測定結(jié)果見表2。

2.4 有效抽采半徑的確定

原始瓦斯含量與經(jīng)抽采后的殘余瓦斯含量對比表，見表3。

圖3 百米鉆孔平均抽采量與抽采時間關(guān)系

表2 組內(nèi)殘余瓦斯含量測定結(jié)果

表3 原始瓦斯含量與殘余瓦斯含量對比表

從表3中可以看出，4組抽采鉆孔在抽采時間達到預(yù)測值后，瓦斯含量下降均大于30%，認為抽采達標。將抽采半徑與預(yù)抽時間進行數(shù)據(jù)擬合，擬合曲線及公式如圖4及（7）式。

式中：R—抽采半徑，m；t—抽采時間，d。

圖4 4組鉆孔的抽采半徑與抽采時間擬合曲線

由圖4可以看出，建新煤礦4-2煤層抽采半徑R與抽采時間t成對數(shù)關(guān)系，抽采半徑隨著抽采時間的延長而擴增，但是增大趨勢越來越緩慢，這表明超出一定的抽采時間后繼續(xù)抽采的意義不大。

依據(jù)公式（7），代入不同的抽采時間，得到94 mm鉆孔直徑在不同抽采時間內(nèi)所能達到的抽采半徑，見表4。

表4 94 mm孔徑不同抽采時間的抽采半徑

3 結(jié)論

（1）根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》瓦斯預(yù)抽達標關(guān)于預(yù)抽率的規(guī)定，推導(dǎo)出抽采半徑計算公式

（2）基于現(xiàn)場實測參數(shù)擬合出鉆孔瓦斯流量的衰減模型，作出對鉆孔抽采達到預(yù)設(shè)半徑所需時間的預(yù)測。經(jīng)驗證，預(yù)測時間內(nèi)，瓦斯含量下降率滿足抽采達標規(guī)定，該預(yù)測模型相對準確。

（3）建新煤礦4-2煤層鉆孔抽采半徑與抽采時間t之間成對數(shù)關(guān)系：R=0.685 3ln（t）-1.060 6。