陽(yáng)泉五礦不同孔徑瓦斯鉆孔有效排放半徑對(duì)比研究

高 明

(潞安化工集團(tuán) 五礦，山西 陽(yáng)泉 045000)

排放鉆孔是我國(guó)在工作面局部防突中試驗(yàn)和應(yīng)用最早的一種措施，由于其適用性廣成為最常采用的措施之一[1-3]。同時(shí)，因其施工方便等優(yōu)點(diǎn)，在采煤工作面、掘進(jìn)工作面、石門(mén)揭煤等都成功應(yīng)用，還可作為局部防突措施，但在布置排放鉆孔時(shí)，若布置過(guò)疏，瓦斯排出效果不理想[4-7]；鉆孔過(guò)密又會(huì)導(dǎo)致工人工作量增加，造成資金和人力的浪費(fèi)。為了取得較好的防突效果，合理布置排放鉆孔，排放鉆孔的有效排放半徑成為問(wèn)題關(guān)鍵[8-10]。為準(zhǔn)確考察瓦斯排放半徑，以突出預(yù)測(cè)指標(biāo)法-鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2研究陽(yáng)泉五礦五采區(qū)15號(hào)煤8508工作面進(jìn)風(fēng)巷75 mm和94 mm兩種孔徑的有效排放半徑，確定不同孔徑的鉆孔有效排放半徑與時(shí)間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)工作面概況

陽(yáng)泉五礦五采區(qū)8508工作面平均標(biāo)高+488 m，走向長(zhǎng)度1 222 m，傾向長(zhǎng)度200 m，煤層總厚7.51～10.32 m，平均厚度8.86 m，純煤厚6.4 m；可采儲(chǔ)量為190萬(wàn)t，按照月產(chǎn)9.68萬(wàn)t計(jì)算，服務(wù)年限19.8個(gè)月。15號(hào)煤層整體為褶皺構(gòu)造，回采前期為背斜構(gòu)造，回采后期為向斜構(gòu)造，煤層傾角為2～15°，平均6°，煤層賦存穩(wěn)定，含夾矸3～4層。8508工作面回采期間最大風(fēng)排瓦斯絕對(duì)涌出量為14.52 m3/min。

2 瓦斯排放半徑考察方案

2.1 測(cè)定方法及原理

目前，排放鉆孔有效半徑測(cè)定方法有很多，如鉆孔瓦斯流量法、鉆孔瓦斯壓力降低法或鉆屑量指標(biāo)S、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1或Δh2的突出預(yù)測(cè)指標(biāo)法。鉆孔瓦斯流量法或壓力降低法在抽采半徑測(cè)定中普遍使用，其原理是布置1排平行間隔300～500 mm的測(cè)量鉆孔，測(cè)瓦斯流量或壓力，在規(guī)定距離內(nèi)打排放孔，根據(jù)測(cè)量孔內(nèi)的瓦斯流量或壓力降低率來(lái)綜合分析排放半徑，但缺點(diǎn)是費(fèi)時(shí)費(fèi)力、勞動(dòng)強(qiáng)度大、測(cè)量精度和封孔難度高。而突出預(yù)測(cè)指標(biāo)法的實(shí)質(zhì)是預(yù)測(cè)煤層排放鉆孔內(nèi)的突出指標(biāo)值來(lái)分析鉆孔有效排放半徑，它與鉆孔瓦斯流量法或壓力降低法類(lèi)似，分別打測(cè)量孔和排放孔，但測(cè)量?jī)?nèi)容是鉆屑突出指標(biāo)，機(jī)理是排放鉆孔排放瓦斯后，其孔內(nèi)圍巖一定范圍內(nèi)的壓力大大低于原始煤體應(yīng)力，形成卸壓區(qū)，卸載區(qū)內(nèi)的測(cè)量孔突出指標(biāo)比排放鉆孔排放前的突出指標(biāo)小，從而判斷排放孔的瓦斯排放半徑，該方法簡(jiǎn)單易操作、測(cè)量精度高。

2.2 鉆孔布置方案

根據(jù)目前五礦五采區(qū)開(kāi)拓部署情況，考慮現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)迎頭排放鉆孔和以往措施孔布置情況，測(cè)點(diǎn)布置在8508工作面靠近停采線(xiàn)未抽采區(qū)域，鉆孔位置考察測(cè)點(diǎn)布置如表1所示，共兩組考察鉆孔，主要區(qū)別是考察鉆孔孔徑和地點(diǎn)不同。

表1 五采區(qū)8508工作面進(jìn)風(fēng)巷排放半徑考察測(cè)點(diǎn)布置

每組考察鉆孔內(nèi)部分為3小組(A、B、C組)，共計(jì)8個(gè)鉆孔(1～8號(hào))，鉆孔長(zhǎng)度均為12 m，A小組為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)孔，B小組為4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)孔，C小組為7號(hào)、8號(hào)鉆孔，其中1號(hào)、4號(hào)、7號(hào)為排放鉆孔，2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、8號(hào)為考察鉆孔，鉆孔布置和參數(shù)如圖1所示。

圖1 排放鉆孔布置示意

2.3 測(cè)定方案

采用突出預(yù)測(cè)指標(biāo)法-鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2對(duì)有效排放半徑進(jìn)行測(cè)定，步驟如下：

1) 在8508工作面進(jìn)風(fēng)巷距巷道口170 m、175 m、180 m處垂直巷道右?guī)透魇┕?個(gè)沿煤層傾向的排放孔，鉆孔初始直徑為42 mm，即1號(hào)、4號(hào)、7號(hào)。打鉆過(guò)程中使用YTC-120/2000型瓦斯突出參數(shù)測(cè)定儀測(cè)定并記錄1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m、10 m、12 m鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2。

2) 測(cè)定結(jié)束后，立即使用75 mm的鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔，作為排放孔，孔深12 m。

3) A小組鉆孔中，在1號(hào)排放孔施工完成2 h和4 h后分別施工2號(hào)考察孔和3號(hào)考察孔，鉆孔角度為4°；B小組鉆孔中，在4號(hào)排放鉆孔施工完成6 h和8 h后分別施工5號(hào)考察孔和6號(hào)考察孔，角度與A組相同；C小組鉆孔中，在7號(hào)排放鉆孔施工完成10 h后施工8號(hào)考察孔，角度與A組相同；同時(shí)測(cè)定每米鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2，并記錄數(shù)據(jù)。

4) 對(duì)同一組內(nèi)的測(cè)試孔與排放孔的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，第Nm后測(cè)試孔的指標(biāo)均小于同一深度排放孔排放前的指標(biāo)，通常以下降率不小于10%為判定標(biāo)準(zhǔn),煤粉鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2小于200 Pa時(shí)，則可確定考察鉆孔某一時(shí)間的有效排放半徑。

第2組排放半徑考察鉆孔參照上述步驟，考察孔與排放孔角度為5°實(shí)施并記錄數(shù)據(jù)。排放半徑考察試驗(yàn)第1組、第2組的具體鉆孔布孔參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 排放半徑考察鉆孔參數(shù)

3 不同孔徑條件下的瓦斯排放規(guī)律

3.1 孔徑75 mm鉆孔瓦斯排放規(guī)律

根據(jù)75 mm鉆孔排放半徑考察數(shù)據(jù)(見(jiàn)表3)得到鉆孔排放時(shí)間與Δh2下降率的關(guān)系曲線(xiàn)(見(jiàn)圖3～7)。從圖中可以看出：隨著排放時(shí)間的增加，孔內(nèi)鉆孔排放距離不斷延深，同一深度的排放率增加，測(cè)定范圍內(nèi)的Δh2明顯降低。

從圖3可知，排放2 h時(shí)，孔內(nèi)0～3 m的范圍測(cè)定的Δh2明顯降低，且測(cè)定排放后Δh2最大值為100 Pa，而4～12 m后續(xù)孔段的Δh2值下降率為0，部分深度甚至有所上漲，因此可以認(rèn)為排放2 h時(shí)75 mm鉆孔的有效影響范圍為2號(hào)孔0～3 m對(duì)應(yīng)的最大半徑。

圖3 排放鉆孔排放2 h

表3 8508工作面進(jìn)風(fēng)巷第1組75mm孔徑排放考察鉆孔考察Δh2分析 單位:Pa

從圖4可知，排放4 h時(shí)，孔內(nèi)0～7 m的范圍測(cè)定Δh2明顯降低，且測(cè)定排放后Δh2最大值為160 Pa，即排放4 h時(shí)75 mm鉆孔的有效影響范圍為3號(hào)孔0～7 m對(duì)應(yīng)的最大半徑。

圖4 排放鉆孔排放4 h

從圖5可知，排放6 h時(shí)，孔內(nèi)0～9 m的范圍測(cè)定Δh2明顯降低，且測(cè)定排放后Δh2最大值為160 Pa，即排放6 h時(shí)75 mm鉆孔的有效影響范圍為5號(hào)孔0～9 m對(duì)應(yīng)的最大半徑。

圖5 排放鉆孔排放6 h

從圖6可知，排放8 h時(shí)，孔內(nèi)0～10 m的范圍測(cè)定Δh2明顯降低，且測(cè)定排放后Δh2最大值為160 Pa，即排放8 h時(shí)75 mm鉆孔的有效影響范圍為6號(hào)孔0～10 m對(duì)應(yīng)的最大半徑。

圖6 排放鉆孔排放8 h

從圖7可知，排放10 h時(shí)，孔內(nèi)0～11 m的范圍測(cè)定Δh2明顯降低，且測(cè)定排放后Δh2最大值為180 Pa，即排放10 h時(shí)75 mm鉆孔的有效影響范圍為8號(hào)孔0～11 m對(duì)應(yīng)的最大半徑。

圖7 排放鉆孔排放10 h

3.2 孔徑94 mm鉆孔瓦斯排放規(guī)律

根據(jù)直徑94 mm鉆孔的排放半徑考察數(shù)據(jù)(見(jiàn)表4)得到鉆孔排放時(shí)間與Δh2下降率的關(guān)系曲線(xiàn)(見(jiàn)圖8～12)。從圖中可以看出：隨著排放時(shí)間的增加，孔內(nèi)鉆孔排放距離不斷延深，同一深度的排放率在增加，測(cè)定范圍內(nèi)的Δh2明顯降低。

表4 8508工作面進(jìn)風(fēng)巷第2組94 mm孔徑排放考察鉆孔考察Δh2分析 單位:Pa

從圖8可知，排放2 h時(shí)，孔內(nèi)0～4 m的范圍測(cè)定的Δh2明顯降低，且測(cè)定排放后Δh2最大值為120 Pa，而5～12 m后續(xù)孔段的Δh2值下降率為0，部分深度甚至有所上漲，因此可以認(rèn)為排放2 h時(shí)，94 mm鉆孔的有效影響范圍為2號(hào)孔0～4 m對(duì)應(yīng)的最大半徑。

圖8 排放鉆孔排放2 h

從圖9可知，排放4 h時(shí)，孔內(nèi)0～7 m的范圍測(cè)定的Δh2明顯降低，且測(cè)定排放后Δh2最大值為140 Pa，即排放4 h時(shí)，94 mm鉆孔的有效影響范圍為3號(hào)孔0～7 m對(duì)應(yīng)的最大半徑。

圖9 排放鉆孔排放4 h

從圖10可知，排放6 h時(shí)，孔內(nèi)0～8 m的范圍測(cè)定的Δh2明顯降低，且測(cè)定排放后Δh2最大值為160 Pa，即排放6 h時(shí)，94 mm鉆孔的有效影響范圍為5號(hào)孔0～8 m對(duì)應(yīng)的最大半徑。

圖10 排放鉆孔排放6 h

從圖11可知，排放8 h時(shí)，孔內(nèi)0～9 m的范圍測(cè)定的Δh2明顯降低，且測(cè)定排放后Δh2最大值為160 Pa，即排放8 h時(shí)，94 mm鉆孔的有效影響范圍為6號(hào)孔0～9 m對(duì)應(yīng)的最大半徑。

圖11 排放鉆孔排放8 h

從圖12可知，排放10 h時(shí)，孔內(nèi)0～10 m的范圍測(cè)定的Δh2明顯降低，且測(cè)定排放后Δh2最大值為160 Pa，即排放10 h時(shí)，94 mm鉆孔的有效影響范圍為8號(hào)孔0～10 m對(duì)應(yīng)的最大半徑。

圖12 排放鉆孔排放10 h

4 不同孔徑的有效瓦斯排放半徑確定

根據(jù)突出預(yù)測(cè)指標(biāo)法確定排放半徑原理，結(jié)合8508工作面進(jìn)風(fēng)巷不同孔徑、不同排放時(shí)間對(duì)應(yīng)的有效排放影響范圍，分析得到對(duì)應(yīng)的排放半徑,見(jiàn)表5。

表5 8508工作面進(jìn)風(fēng)巷排放半徑考察結(jié)果

考慮五礦一般排放時(shí)間至少在6 h以上，綜合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際和考察分析結(jié)果，五礦五采區(qū)8508工作面進(jìn)風(fēng)巷若采用75 mm的排放措施鉆孔時(shí)，有效排放半徑可取0.93～1.07 m；若采用94 mm的排放措施鉆孔時(shí)，有效排放半徑可取1.00～1.17 m。

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)對(duì)五礦8508工作面進(jìn)風(fēng)巷不同孔徑(75 mm和94 mm)、不同排放時(shí)間及鉆孔深度的瓦斯排放規(guī)律的分析，得到：

1) 在同一排放時(shí)間，排放鉆孔孔徑越大則對(duì)應(yīng)有效排放半徑越大；而同一排放孔徑時(shí)，排放鉆孔有效影響半徑隨排放時(shí)間呈正增長(zhǎng)趨勢(shì)。

2) 確定了不同孔徑鉆孔有效排放半徑，采用75 mm的排放鉆孔時(shí)，有效排放半徑可取0.93～1.07 m；采用94 mm的排放措施鉆孔時(shí)，有效排放半徑可取1.00～1.17 m。