汾西煤礦水力沖孔鉆孔有效抽采半徑測(cè)定

李錄標(biāo)

（山西古縣金谷煤業(yè)有限公司，山西 臨汾042400）

0 引 言

我國(guó)煤與瓦斯突出事故發(fā)生的次數(shù)、頻率以及嚴(yán)重程度居世界首位[1]。預(yù)抽煤層瓦斯是一項(xiàng)十分重要的防突措施。在瓦斯抽采設(shè)計(jì)中，有效抽采半徑是該措施的一個(gè)重要參數(shù)，直接關(guān)系到預(yù)抽鉆孔間距的設(shè)計(jì)，影響瓦斯抽采的效果[2-4]。水力沖孔技術(shù)具有施工容易、成本低、效率高、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)的主要原理是利用高壓水射流對(duì)鉆孔周圍煤體進(jìn)行破碎，在射流沖刷作用下形成空洞，使水力沖孔周圍煤體發(fā)生變形、卸壓，增加鉆孔周圍煤體的新生孔隙，提高煤體滲透率，改善煤層抽采條件[5-7]。汾西煤礦煤礦采用水力沖孔技術(shù)以提高瓦斯抽采效率，該技術(shù)措施下的抽采半徑關(guān)系到鉆孔間距的布置。因此本文采用流量法與瓦斯含量法考察二2 煤層水力沖孔技術(shù)下的瓦斯抽采半徑，指導(dǎo)礦井鉆孔間距的布置。

1 試驗(yàn)區(qū)概括

礦井目前回采煤層為15 號(hào)煤層，可采范圍內(nèi)厚度0.80～8.86 m，平均為2.60 m，煤層穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。根據(jù)煤層開采條件，采用單一走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化采煤方法，全部垮落法管理頂板，一次采全高。

2 有效抽采半徑測(cè)定

2.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：在對(duì)煤層瓦斯實(shí)施預(yù)抽后，必須對(duì)預(yù)抽瓦斯防治突出效果進(jìn)行檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)的指標(biāo)之一是煤層瓦斯預(yù)抽率大于30%。本礦本著既要減少鉆孔工程量又要保證抽采效果的原則，選擇瓦斯預(yù)抽率為60%是一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理的數(shù)值[8]。

流量法：在被考察的煤層區(qū)域，直接測(cè)定鉆孔瓦斯動(dòng)態(tài)抽采流量[9]，得出不同時(shí)間對(duì)應(yīng)的瓦斯抽采流量。鉆孔抽采瓦斯涌出強(qiáng)度隨時(shí)間的推移一般呈負(fù)指數(shù)衰減，根據(jù)考察的瓦斯抽采流量數(shù)據(jù)，可通過最小二乘法擬合得出鉆孔不同時(shí)刻的瓦斯抽采量關(guān)系式：

式中：qct為抽采時(shí)間t 下平均瓦斯抽采純量，m3/t；qc0為有效鉆孔長(zhǎng)度條件下鉆孔初始瓦斯抽采量，m3/t；β為鉆孔瓦斯抽采量衰減系數(shù)，d-1；t為鉆孔的瓦斯抽采時(shí)間，d。

對(duì)式（3-1）積分，可以得到任意時(shí)間t 內(nèi)鉆孔瓦斯抽采總量Qct：

式中：Qct為任意時(shí)間t 內(nèi)鉆孔瓦斯抽采總量，m3。

瓦斯預(yù)抽率是衡量鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯效果的主要指標(biāo)，根據(jù)測(cè)定煤層原始瓦斯含量W，在抽采時(shí)間t內(nèi)鉆孔影響半徑為r時(shí)，可計(jì)算鉆孔控制范圍內(nèi)的瓦斯儲(chǔ)量Q，進(jìn)而計(jì)算時(shí)間t 內(nèi)瓦斯預(yù)抽率η，η為瓦斯抽采量Qct與Q之比：

溫度對(duì)碳納米管纖維/環(huán)氧樹脂界面剪切強(qiáng)度的影響······························馬奇利 張翠霞 王 晗 蔣 瑾 呂衛(wèi)幫 (6,961)

式中：Q為鉆孔控制范圍內(nèi)的瓦斯儲(chǔ)量，m3；η為時(shí)間t 內(nèi)瓦斯預(yù)抽率，%；r為抽采半徑，m；h為煤層厚度，m；L為抽采鉆孔長(zhǎng)度，m；γ為原煤密度，t/m3；W為煤層原始瓦斯含量，m3/t。

瓦斯含量法：首先測(cè)定被考察范圍的原始瓦斯含量[10]，向被考察范圍施工特定孔徑的抽采鉆孔，然后封孔并進(jìn)行瓦斯抽采，當(dāng)抽采一定時(shí)間以后，采用直接測(cè)定法測(cè)定被考察范圍的瓦斯含量，當(dāng)直接測(cè)定的瓦斯含量降低到臨界值以下或降低到一定程度時(shí)，則認(rèn)為考察鉆孔與抽采孔的間距即為在該特定孔徑條件下一定抽采時(shí)間內(nèi)對(duì)應(yīng)的有效抽采半徑。

2.2 測(cè)試地點(diǎn)的選擇

2.2.1 流量法測(cè)試地點(diǎn)

本次測(cè)試地點(diǎn)選定在1513 下巷底板抽放巷、1515 下巷底板抽放巷以及1511 采區(qū)，每一個(gè)地點(diǎn)設(shè)定一個(gè)流量測(cè)試鉆孔，用來測(cè)試水力沖孔抽采半徑。

2.2.2 瓦斯含量法測(cè)試地點(diǎn)

根據(jù)汾西煤礦地質(zhì)構(gòu)造與煤層賦存情況，并結(jié)合該煤礦15 號(hào)煤層瓦斯涌出特征及預(yù)抽期等，在1513下巷底板抽放巷、1515 下巷底板抽放巷以及1511 采區(qū)布置3 組水力沖孔。每組水力沖孔分別施工3 個(gè)抽采鉆孔，鉆孔互相平行、相鄰鉆孔間距50 cm。

2.3 抽采鉆孔的布置

2.3.1 流量法鉆孔布置

表1 汾西煤礦13 采區(qū)水力沖孔瓦斯抽采影響半徑測(cè)試鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 汾西煤礦15 采區(qū)水力沖孔瓦斯抽采影響半徑測(cè)試鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 汾西煤礦1511 采區(qū)水力沖孔瓦斯抽采影響半徑測(cè)試鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

流量法測(cè)試流程：鉆孔施工結(jié)束后，水力沖孔鉆孔沖煤量不小于0.5 m3/m，水力沖孔鉆孔進(jìn)行沖孔后連接抽采管路，設(shè)置單獨(dú)的流量計(jì)，并測(cè)試抽采氣體的濃度。

2.3.2 瓦斯含量法鉆孔布置

根據(jù)測(cè)試地點(diǎn)的地質(zhì)條件，對(duì)13 采區(qū)、15 采區(qū)、1511 采區(qū)的水力沖孔進(jìn)行設(shè)計(jì)鉆孔具體布置參數(shù)見表4。

表4 汾西煤礦13、15、1511 采區(qū)水力沖孔瓦斯抽采影響半徑測(cè)試鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

瓦斯含量法測(cè)試流程：在達(dá)到設(shè)定抽采天數(shù)60、120、180 d 時(shí)，分別平行于D、E、F 抽采孔隔4 m 施工取樣孔，取樣孔間距0.5 m，鉆孔編號(hào)分別為D-1、D-2、D-3、D-4、D-5、E-6、E-7、E-8、E-9、E-10、F-11、F-12、F-13、F-14、F-15 號(hào)檢查不同距離的瓦斯殘余含量。

3 有效抽采半徑測(cè)定結(jié)果分析

3.1 流量法實(shí)測(cè)結(jié)果分析

3.1.1 鉆孔瓦斯純量抽采結(jié)果

通過抽采數(shù)據(jù)的記錄及處理得到了1513 下巷底板抽放巷、1515 下巷底板抽放巷以及1511 采區(qū)的水力沖孔鉆孔測(cè)點(diǎn)處，作瓦斯抽采純量隨時(shí)間變化圖如圖1- 圖3 示。

圖1 汾西煤礦13 采區(qū)鉆孔抽采純量隨抽采時(shí)間變化規(guī)律

圖2 汾西煤礦15 采區(qū)鉆孔抽采純量隨抽采時(shí)間變化規(guī)律

圖3 汾西煤礦1511 采區(qū)鉆孔抽采純量隨抽采時(shí)間變化規(guī)律

3.1.2 流量法有效抽采半徑的確定

表5 汾西煤礦13 采區(qū)水力沖孔抽采半徑

將穿層鉆孔單個(gè)鉆孔瓦斯流量衰減指數(shù)方程qct=qc0e(-βt)代入到公式（4）、（5）中得到以抽采率作為指標(biāo)確定瓦斯有效抽采半徑。

表6 汾西煤礦15 采區(qū)水力沖孔抽采半徑

表7 汾西煤礦1511 采區(qū)水力沖孔抽采半徑

3.2 瓦斯含量法實(shí)測(cè)結(jié)果分析

3.2.1 原始瓦斯含量測(cè)試結(jié)果

在抽采鉆孔施工的同時(shí)，測(cè)定各采區(qū)抽采鉆孔原始瓦斯含量，測(cè)定結(jié)果見表8- 表10。

表8 13 采區(qū)原始瓦斯含量測(cè)定結(jié)果

表9 15 采區(qū)原始瓦斯含量測(cè)定結(jié)果

表10 1511 采區(qū)原始瓦斯含量測(cè)定結(jié)果

3.2.2 瓦斯含量法有效抽采半徑的確定

從本次測(cè)定的瓦斯含量可以看出，原始瓦斯含量均小于8 m3/t，已滿足《基本指標(biāo)》的要求。因此，本次抽采半徑考察以《煤礦安全規(guī)程》（2010）第一百八十八條第（二）款之規(guī)定，預(yù)抽率大于30%為抽采有效。本著既要減少鉆孔工程量又要保證抽采效果的原則，選擇瓦斯預(yù)抽率為60%是一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理的數(shù)值。

在抽采60、120、180 d 時(shí)，在D、E、F 抽采孔4 m 處，開始間隔0.5 m 施工取樣孔檢查不同距離的殘余瓦斯含量，見表11—表13 和圖4—圖6。

圖6 汾西煤礦1511 采區(qū)水力沖孔抽采后殘余瓦斯含量與抽采半徑關(guān)系曲線

表11 水力沖孔抽采后13 采區(qū)不同位置測(cè)得的殘余瓦斯含量

表13 水力沖孔抽采后1511 采區(qū)不同位置測(cè)得的殘余瓦斯含量

圖4 汾西煤礦13 采區(qū)水力沖孔抽采后殘余瓦斯含量與抽采半徑關(guān)系曲線

通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算，可得出在13 采區(qū)沖孔抽采60、120 、180 d 時(shí)，預(yù)抽率大于60 %的抽采半徑分別為5.23、5.68、5.89 m。

表12 水力沖孔抽采后15 采區(qū)不同位置測(cè)得的殘余瓦斯含量

圖5 汾西煤礦15 采區(qū)水力沖孔抽采后殘余瓦斯含量與抽采半徑關(guān)系曲線

通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算，可得出在15 采區(qū)沖孔抽采60、120 、180 d 時(shí)，預(yù)抽率大于60 %的抽采半徑分別為5.34、5.72、5.93 m。

通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算，可得出在15 采區(qū)沖孔抽采60、120、180d 時(shí)，預(yù)抽率為60%的抽采半徑分別為5.44、5.81、5.96 m。

4 結(jié) 論

1）通過在汾西煤礦13、15、1511 采區(qū)布置測(cè)點(diǎn)，分別利用瓦斯流量法和瓦斯含量法測(cè)試15 號(hào)煤層水力沖孔有效抽采半徑，其中水力沖孔鉆孔沖煤量不小于0.5 m3/m。在抽采率為60%的條件下，流量法在60、120、180 d 時(shí)，有效抽采半徑分別為5、5.6、5.7 m。瓦斯含量法在60、120、180 d 時(shí)，有效抽采半徑分別為5.4、5.8、6.0 m。

2）在相同抽采時(shí)間條件下，利用瓦斯含量法得到的煤層瓦斯有效抽采半徑比流量法的大。為保證瓦斯抽采的可靠性和安全性，選擇較小的測(cè)試結(jié)果作為煤層的有效抽采半徑，因此以流量法的測(cè)試結(jié)果作為汾西煤礦二2 煤層的瓦斯有效抽采半徑，即汾西煤礦二2 煤層水力沖孔鉆孔抽采時(shí)間為60 d時(shí)，合理有效的抽采半徑為5.0 m；抽采時(shí)間為90 d時(shí)，合理有效的抽采半徑為5.5 m；抽采時(shí)間為120 d時(shí)，合理有效的抽采半徑為5.6 m；抽采時(shí)間為180 d時(shí)，合理有效的抽采半徑為5.7 m。