突出危險(xiǎn)性煤層瓦斯抽采長(zhǎng)鉆孔合理間距的確定

王雪芹，鄭 雷

(烏海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 烏海 016000)

突出危險(xiǎn)性煤層瓦斯抽采長(zhǎng)鉆孔合理間距的確定

王雪芹，鄭 雷

(烏海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 烏海 016000)

為了確定具有突出危險(xiǎn)性煤層瓦斯抽采走向長(zhǎng)鉆孔的合理間距，選擇試驗(yàn)場(chǎng)地后利用六氟化硫氣體示蹤法測(cè)定抽放影響范圍，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工示蹤氣體注氣鉆孔進(jìn)行連續(xù)對(duì)比觀測(cè)和分析，確定了瓦斯抽采走向長(zhǎng)鉆孔在具有突出危險(xiǎn)性煤層中布置的合理間距，為科學(xué)布孔提供了依據(jù)，避免了瓦斯抽放空白帶的出現(xiàn)，防突效果明顯。

瓦斯抽采； 突出危險(xiǎn)性； 長(zhǎng)鉆孔； 合理間距

1 前言

在具有突出危險(xiǎn)性煤層進(jìn)行開采之前，需要先進(jìn)行煤層瓦斯的預(yù)抽工作，降低其瓦斯涌出量，以便在煤炭開采時(shí)能夠有效地避免或消除各種瓦斯事故，進(jìn)而保證礦井的安全生產(chǎn)[1]。根據(jù)煤層內(nèi)瓦斯流動(dòng)的特性，鉆孔瓦斯徑向流動(dòng)可用式(1)來(lái)表示：

(1)

在前人的理論研究當(dāng)中，鉆孔瓦斯流量Q與煤層厚度M、煤層透氣性系數(shù)λ、煤層原始瓦斯壓力p0、鉆孔內(nèi)瓦斯壓力pr0、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力pb、鉆孔半徑r0、抽放半徑R等因素有關(guān)。在式(1)中，若增大鉆孔孔徑，能夠起到增加瓦斯抽放量的效果，但它們之間的增加關(guān)系非常緩慢[2]，而實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)施工中又不可能無(wú)限擴(kuò)大鉆孔孔徑，這樣做費(fèi)工費(fèi)時(shí)且難以實(shí)現(xiàn)。還有一種方法是利用提高抽放負(fù)壓來(lái)增加抽采率[3]，則根據(jù)式(1)，由于煤層原始瓦斯壓力和鉆孔內(nèi)瓦斯壓力都與鉆孔瓦斯流量成正比，而煤層原始瓦斯壓力要比鉆孔瓦斯壓力大很多，所以就算抽到真空狀態(tài)也不會(huì)對(duì)抽采率的增加產(chǎn)生多大的影響[4]。通常在限定的預(yù)抽期間內(nèi)，煤層內(nèi)瓦斯抽采率往往決定于抽采鉆孔的設(shè)計(jì)參數(shù)[5]。

2 礦井煤層概況

內(nèi)蒙古烏海市平溝煤礦主采煤層為太原組16#煤層，地層構(gòu)造為向西單斜構(gòu)造，走向176°，平均傾角8.6°。煤層頂板巖性為碳頁(yè)巖、泥頁(yè)巖，底板巖性為沙質(zhì)頁(yè)巖、頁(yè)巖、碳頁(yè)巖，煤層賦存相對(duì)穩(wěn)定，無(wú)大的地質(zhì)構(gòu)造帶。該煤層透氣性系數(shù)為0.129～0.611m2/(MPa2·d)，絕對(duì)瓦斯涌出量為44.3m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為14.1m3/t，瓦斯含量為11.67m3/t，屬于透氣性低瓦斯含量高的煤層，實(shí)測(cè)16#煤層瓦斯壓力3.89MPa，大大高于《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中煤層瓦斯壓力臨界值0.74MPa的要求，該煤層有煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)。

3 布孔間距理論分析

3.1 鉆孔瓦斯流量的衰減規(guī)律

依據(jù)煤層瓦斯流動(dòng)理論，當(dāng)流動(dòng)性質(zhì)是非穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，鉆孔內(nèi)的瓦斯流量會(huì)隨著時(shí)間t的增加呈現(xiàn)出衰減的變化規(guī)律，這個(gè)規(guī)律可以用式(2)來(lái)表示：

q(t)=q0e-at

(2)

式中：q(t)——鉆孔瓦斯流量，m3/(min·hm)；

q0——鉆孔的初始瓦斯流量，m3/min；

a——鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)，d-1。

3.2 布孔間距方程式的推導(dǎo)

利用式(2)可推算出經(jīng)t(d)時(shí)間單個(gè)鉆孔瓦斯抽放總量為：

(3)

式中：Qc——經(jīng)t(d)時(shí)間單個(gè)鉆孔瓦斯抽放的總量，m3；

L——鉆孔長(zhǎng)度，m；

q(t)——鉆孔經(jīng)t時(shí)間排放的瓦斯流量，m3/(min·hm)。

鉆孔抽采范圍內(nèi)控制的瓦斯儲(chǔ)量QH可用式(4)表示：

QH=ρMHW

(4)

式中：ρ——煤的密度，t/m3；

M——煤層平均厚度，m；

H——鉆孔間距，m；

W——煤層原始瓦斯含量，m3/t。

利用式(3)和式(4)經(jīng)t(d)時(shí)間瓦斯抽采率η可表示為：

(5)

進(jìn)而可推導(dǎo)出由抽采率η為主要考慮因素的布孔間距為：

(6)

鉆孔間距與抽采率存在一定范圍內(nèi)的比例關(guān)系，而鉆孔間距又與鉆孔的有效抽放半徑直接相關(guān)，隨著抽放時(shí)間t的增長(zhǎng)，鉆孔的有效抽放半徑會(huì)漸漸增大(即擴(kuò)大了抽放區(qū)域)，但當(dāng)抽放時(shí)間t增長(zhǎng)到臨界值時(shí)，鉆孔的有效抽放半徑就會(huì)達(dá)到極值[6](即極限抽放半徑)。如果兩個(gè)鉆孔的間距大于這個(gè)極限抽放半徑兩倍以上，則盡管抽放時(shí)間不斷增長(zhǎng)，但兩個(gè)鉆孔之間煤層中的瓦斯總是存在抽不出的空白部分。相反，如果兩個(gè)鉆孔間距太小，即布孔過(guò)密，就會(huì)導(dǎo)致鉆孔在抽放瓦斯過(guò)程中容易出現(xiàn)串孔現(xiàn)象，并且使鉆孔成本升高[7]。由此可見，鉆孔間距選擇的合理與否是非常關(guān)鍵的。

4 走向長(zhǎng)鉆孔布置間距確定

測(cè)定具有突出危險(xiǎn)性煤層瓦斯抽采走向長(zhǎng)鉆孔合理間距時(shí)包括如下步驟。

(1)在具有瓦斯突出危險(xiǎn)性煤層走向長(zhǎng)鉆孔間距設(shè)置的較大區(qū)域內(nèi)，選一圍巖穩(wěn)定、空間大、巷道坡度小、地勢(shì)比較平坦的地方布置試驗(yàn)場(chǎng)地，設(shè)置這一區(qū)域相鄰的且間距較大的走向長(zhǎng)鉆孔作為六氟化硫示蹤氣體抽放測(cè)試鉆孔。

(2)在對(duì)示蹤氣體抽放測(cè)試鉆孔封孔時(shí)先插入一根注氣管，然后再將一根蛇皮管捆綁鐵絲后作為注漿管下入示蹤氣體抽放測(cè)試鉆孔中，用手動(dòng)注漿泵灌入水泥砂漿及水玻璃的混合物進(jìn)行封孔。其中，水和水泥質(zhì)量比為0.6∶1.0，水泥砂漿與水玻璃的體積比為1.0∶0.7。注漿時(shí)，需要一邊注一邊緩慢退蛇皮管，直至封孔完成，注漿凝固時(shí)間不低8h。然后在示蹤氣體抽放測(cè)試鉆孔外裝配相應(yīng)編號(hào)的閥門、壓力表和氣體濃度鑒定管。

(3)封好示蹤氣體抽放測(cè)試鉆孔后，需要在其兩側(cè)分別打六氟化硫示蹤氣體注氣鉆孔QK1與QK2。在打測(cè)試鉆孔時(shí)，采用ZDY2400液壓鉆機(jī)施工，為防止出現(xiàn)鉆孔坍塌和穿層現(xiàn)象，施工時(shí)要嚴(yán)格進(jìn)行直壁施工，確保成孔，同時(shí)不要反復(fù)進(jìn)鉆退鉆，要壓力適中，輕壓慢轉(zhuǎn)，連接鉆桿時(shí)注意對(duì)準(zhǔn)絲扣，避免歪斜，鉆桿要上緊卡牢，要人工撤接鉆桿，必須在安完第一根后再安下一根，施工過(guò)程中需要隨時(shí)監(jiān)測(cè)排粉量。成孔后，注氣鉆孔QK1距抽放測(cè)試鉆孔的距離設(shè)為KJ1，注氣鉆孔QK2距抽放測(cè)試鉆孔的距離設(shè)為KJ2，并令KJ2>KJ1，用步驟(2)所示過(guò)程留好注氣管和氣體濃度鑒定管，并按照AQ1027- 2006《煤礦瓦斯抽放規(guī)范》將六氟化硫示蹤氣體注氣鉆孔進(jìn)行封孔，封孔長(zhǎng)度為6m，封孔材料為聚氨酯。

(4)打開示蹤氣體注氣裝置，并打開兩個(gè)示蹤氣體注氣鉆孔的注氣閥門，注入六氟化硫示蹤氣體，當(dāng)兩個(gè)注氣鉆孔內(nèi)的壓力穩(wěn)定后，關(guān)閉注氣閥門。

(5)將六氟化硫氣體抽放測(cè)試鉆孔解除封孔，進(jìn)行氣體抽放操作，檢測(cè)示蹤氣體抽放測(cè)試鉆孔中六氟化硫氣體濃度變化情況，與此同時(shí)，檢測(cè)示蹤氣體注氣鉆孔QK1和QK2中六氟化硫氣體濃度變化情況，此外，為了便于比對(duì)檢測(cè)效果需同時(shí)檢測(cè)示蹤氣體抽放測(cè)試鉆孔左右相鄰的兩個(gè)走向長(zhǎng)鉆孔中的六氟化硫氣體濃度變化情況。

(6)令最大可能抽放影響范圍等于所有未被有效影響到的示蹤氣體注氣鉆孔中距所述示蹤氣體抽放測(cè)試鉆孔距離的最小值(即示蹤氣體抽放測(cè)試鉆孔沒有檢測(cè)到示蹤氣體注氣鉆孔QK1和QK2中的六氟化硫氣體)，最小可能抽放影響范圍等于所有被有效影響到的示蹤氣體注氣鉆孔中距所述示蹤氣體抽放測(cè)試鉆孔距離的最大值(即示蹤氣體抽放測(cè)試鉆孔均檢測(cè)到示蹤氣體注氣鉆孔QK1和QK2中的六氟化硫氣體，示蹤氣體注氣鉆孔QK1和QK2中的六氟化硫氣體濃度有不同程度變化)，如果在所處的測(cè)定階段沒有被有效影響到的示蹤氣體注氣鉆孔，則可以說(shuō)明最小可能抽放影響范圍為零。

(7)如果在所處的測(cè)定階段中最小可能抽放影響范圍等于KJ2，則需重復(fù)以上所有步驟重新打鉆孔，要求在示蹤氣體注氣孔QK2遠(yuǎn)離示蹤氣體抽放測(cè)試鉆孔一側(cè)開打示蹤氣體注氣鉆孔QK3，距示蹤氣體抽放測(cè)試鉆孔距離為KJ3(如果試驗(yàn)孔之間距離較近，在重復(fù)新打鉆孔步驟時(shí)，可在示蹤氣體抽放測(cè)試鉆孔左右相鄰的兩個(gè)走向長(zhǎng)鉆孔外側(cè)進(jìn)行打孔施工)。其中，KJ3>KJ2，并且與示蹤氣體注氣鉆孔QK2和QK3分別對(duì)應(yīng)的兩個(gè)抽放測(cè)試鉆孔之間的距離大于這兩個(gè)注氣鉆孔到抽放測(cè)試鉆孔的距離之和。

(8)如果最大可能抽放影響范圍與最小可能抽放影響范圍的差值小于或等于所述示蹤氣體抽放測(cè)試鉆孔所處煤層氣體抽放有效范圍的允許誤差時(shí)，結(jié)束測(cè)試工作，抽放有效范圍等于最小可能抽放影響范圍；否則進(jìn)行步驟(9)。

(9)在所述示蹤氣體抽放測(cè)試鉆孔與最大可能抽放影響范圍所對(duì)應(yīng)的示蹤氣體注氣鉆孔的連線上距所述示蹤氣體抽放測(cè)試鉆孔的距離為(最大可能抽放影響范圍+最小可能抽放影響范圍)/2處開設(shè)新的示蹤氣體注氣鉆孔，重新確定最大可能抽放影響范圍和最小可能抽放影響范圍，然后進(jìn)行步驟(8)；經(jīng)過(guò)一段時(shí)間監(jiān)測(cè)后，如果示蹤氣體注氣鉆孔中的六氟化硫氣體濃度急劇下降，即認(rèn)為所述示蹤氣體注氣鉆孔被有效影響到，如果六氟化硫氣體濃度沒有發(fā)生明顯變化則認(rèn)為所述示蹤氣體注氣鉆孔未被有效影響到。

測(cè)試過(guò)程施工圖如圖1所示。

圖1 測(cè)試過(guò)程施工示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

鉆孔有效的抽放影響范圍直接影響著鉆孔的布置間距。鉆孔間距對(duì)于極限抽放量和最大預(yù)抽率影響較大[8]，抽放鉆孔布置間距合理能夠確保煤層在預(yù)抽期達(dá)到所期望的抽采率，從而防止煤層煤與瓦斯突出的發(fā)生。通過(guò)在16#煤層試驗(yàn)場(chǎng)地區(qū)域內(nèi)實(shí)施測(cè)定方案數(shù)據(jù)的研究，確定了走向長(zhǎng)鉆孔的布置間距為17m，在后期應(yīng)用該走向長(zhǎng)鉆孔抽采間距過(guò)程中，使得該煤層瓦斯預(yù)抽率有效提升至43%，其煤層殘余瓦斯壓力和殘余瓦斯含量與《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》中對(duì)突出采面的要求相符，說(shuō)明此鉆孔間距對(duì)具有突出危險(xiǎn)性煤層瓦斯抽放是行之有效的。

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Determination of reasonable spacing of long borehole in coal seam with gas outburst danger

In order to determine the reasonable spacing of strike long borehole in coal seam with gas outburst danger, choosing test site and using SF6 gas tracing method measured the influence range of gas drainage. Through continuous contrast observation and analysis of injected gas borehole, the reasonable distance of long drainage borehole in coal seam with gas outburst danger was determined. This provided a basis for the scientific distribution of gas drainage boreholes and avoided blank zone of gas drainage. The outburst prevention effect is obvious.

gas drainage; outburst danger; long borehole; reasonable distance

TD713+.3

A

2017-- 02-- 13

王雪芹(1981-)，女，講師，長(zhǎng)期從事采礦工程教學(xué)與礦業(yè)系統(tǒng)工程研究工作。

內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校科學(xué)研究項(xiàng)目(NJZY364)

1672-- 609X(2017)04-- 0034-- 04