基于初始釋放瓦斯膨脹能測定極限抽放半徑技術研究

蔣承林馮曉波張松山王寧博馮超輝

（1.中國礦業(yè)大學安全工程學院，江蘇省徐州市，221116；2.中國礦業(yè)大學煤礦瓦斯與火災防治教育部重點實驗室，江蘇省徐州市，221116；3.河南省新鄭煤電有限責任公司，河南省鄭州市，451184）

基于初始釋放瓦斯膨脹能測定極限抽放半徑技術研究

蔣承林1，2馮曉波1，2張松山1，2王寧博1，2馮超輝3

（1.中國礦業(yè)大學安全工程學院，江蘇省徐州市，221116；2.中國礦業(yè)大學煤礦瓦斯與火災防治教育部重點實驗室，江蘇省徐州市，221116；3.河南省新鄭煤電有限責任公司，河南省鄭州市，451184）

為解決高瓦斯突出煤層預抽煤層瓦斯過程中存在抽放鉆孔設計不合理易導致突出危險性未能消除的問題，通過對初始釋放瓦斯膨脹能和瓦斯壓力、瓦斯含量關系的分析，提出了基于初始釋放瓦斯膨脹能測定鉆孔極限抽放半徑的新技術，并在高河煤礦進行了現(xiàn)場應用。結果表明基于初始釋放瓦斯膨脹能測定鉆孔極限抽放半徑是一種簡單有效的方法，高河煤礦3#煤層北翼西回風巷極限抽放時間為150 d，極限抽放半徑為1.5 m。

初始釋放瓦斯膨脹能 瓦斯含量 抽放時間 抽放半徑

隨著淺部煤炭資源的逐漸枯竭，煤炭開采逐漸進入深部開采階段，煤與瓦斯突出災害也愈加嚴重。預抽煤層瓦斯已成為突出礦井常用的消突措施，目前測定抽放半徑主要采用相對壓力法，它是以抽放效率大于或等于30%為檢驗指標，用壓力與含量之間的拋物線關系得到抽放鉆孔半徑。而對于突出煤層或接近突出指標的高瓦斯煤層，由于其瓦斯含量高，當抽放效率大于30%時并不能保證煤層不存在突出危險性。

突出煤層或接近突出指標的高瓦斯煤層，預抽期比較長，若抽放間距過大，容易形成抽放盲區(qū)，若抽放間距過小，則造成人力和物力資源的巨大浪費，抽放鉆孔間距的確定必須以極限抽放半徑為基礎，由此筆者提出以初始釋放瓦斯膨脹能作為抽放效果檢驗指標，由初始釋放瓦斯膨脹能與瓦斯壓力和瓦斯含量的關系建立測定極限抽放半徑的新方法。

1　測定原理

鉆孔在預抽煤層瓦斯時，在煤層瓦斯壓力和負壓的共同作用下，鉆孔周圍煤體中的瓦斯不斷進入鉆孔被抽走，形成以鉆孔中線為軸心的類似圓形的卸壓圈，卸壓圈的半徑稱之為抽放影響半徑；隨著抽放時間的延長，抽放影響半徑會逐漸加大，直到煤層瓦斯壓力與孔底負壓之差不足以克服深部煤體瓦斯運移到鉆孔的阻力時為止，至此達到極限抽放影響半徑。在這個極限影響范圍內有一部分區(qū)域消除了煤與瓦斯突出危險性，這部分區(qū)域為有效區(qū)域，其半徑為極限抽放半徑。

1.1極限抽放時間

抽放半徑是關于抽放時間的函數(shù)，因此極限抽放半徑的確定要以極限抽放時間為基礎。根據煤層瓦斯流動理論，鉆孔瓦斯流量隨著時間的延長逐漸衰減，鉆孔瓦斯流量的變化規(guī)律基本上符合負指數(shù)函數(shù)，即百米鉆孔瓦斯流量函數(shù)為:

式中:q0——抽放鉆孔初始瓦斯流量，m3/min；

a——抽放鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)，d-1；

t——抽放鉆孔抽放時間，d。

鉆孔累計抽放瓦斯總量與時間的關系可表示為:

式中:Q0——抽放鉆孔極限抽放瓦斯量，m3；

Q1——抽放鉆孔累計抽放瓦斯量，m3。

隨著抽放時間越來越接近極限抽放時間T，累計抽放量Q1也越來越接近極限抽放量Q0，為評價抽放的有效性，定義一個抽放有效性系數(shù)N:

式中:N——抽放有效性系數(shù)。

取N=95%，由式（3）可得極限抽放時間T:

式中:T——極限抽放時間，d。

1.2極限抽放半徑

《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》規(guī)定殘余瓦斯壓力小于0.74 MPa或殘余瓦斯含量小于8 m3/t為無突出危險區(qū)。但是突出的發(fā)生不僅僅與瓦斯壓力或瓦斯含量有關，還與地應力和煤的強度有關，因此采用單一指標不能準確確定煤層是否具有突出危險性。

蔣承林提出的煤與瓦斯突出的球殼失穩(wěn)理論中，初始釋放瓦斯膨脹能綜合反映了地應力、瓦斯壓力及煤體強度在突出中的作用，能夠更加合理地表征突出危險性，可用其作為控制極限抽放半徑的指標。

采用初始釋放瓦斯膨脹能作為控制指標并不方便，要根據煤層內的殘余瓦斯壓力多次做試驗才能確定其初始釋放瓦斯膨脹能，如果獲得了煤樣的初始釋放瓦斯膨脹能與瓦斯壓力之間的變化規(guī)律，根據發(fā)生突出的初始釋放瓦斯膨脹能臨界值反推抽放半徑邊界的安全殘余瓦斯壓力值，從而為極限抽放半徑的確定提供了基礎。研究表明，初始釋放瓦斯膨脹能與瓦斯壓力呈正比關系:

式中:WP——單位質量煤樣初始釋放瓦斯膨脹能，mJ/g；

P——煤層瓦斯壓力，MPa；

K——與煤的破壞程度有關系數(shù)，mJ/（g·MPa）。

煤層瓦斯壓力的測定對封孔質量要求高，并且各孔之間還能相互影響，因此其測定是比較困難的。在保證工業(yè)應用誤差允許前提下，采用周世寧院士提出的拋物線方程來近似取代煤層瓦斯壓力曲線，即:

式中:X——煤層瓦斯含量，m3/t；

α——煤層瓦斯含量系數(shù)，m3/（t· MPa0.5）。

為得到初始釋放瓦斯膨脹能與瓦斯含量的關系，將式（5）代入式（6）得:

根據蔣承林對突出危險性的劃分，初始釋放瓦斯膨脹能達到42.98 mJ/g是發(fā)生弱突出的臨界值，將其代入式（7）即可得到控制極限抽放半徑的安全臨界瓦斯含量。

在抽放時間達到極限抽放時間T時，在抽放鉆孔周圍施工多個與抽放鉆孔參數(shù)相同的取樣鉆孔，測定煤樣的瓦斯含量。如果取樣鉆孔的瓦斯含量小于安全臨界瓦斯含量，則說明該取樣孔在抽放鉆孔的抽放半徑內，直到找出離抽放鉆孔最遠的瓦斯含量小于安全臨界值的取樣鉆孔，該鉆孔到抽放鉆孔的距離即為極限抽放半徑。

2　現(xiàn)場實測

2.1安全臨界瓦斯含量確定

高河煤礦為近水平煤層，平均煤層厚度6.71 m，屬于厚煤層，局部地區(qū)為特厚煤層，該煤層全區(qū)可采，厚度變化不大，屬穩(wěn)定型煤層，瓦斯抽放主要以順層鉆孔為主。高河煤礦3#煤層突出危險性區(qū)域劃分結果表明，3#煤層的北西部瓦斯含量和初始釋放瓦斯膨脹能接近臨界值，為非突出向突出的過渡區(qū)，因此選定3#煤層的北翼西回風巷進行抽放半徑的試驗。

首先在巷道壁上施工一個測壓兼取樣鉆孔1，方位角90°，傾角5°，鉆孔長度20 m，開孔位置距底板1 m。鉆孔打完之后立即取煤樣，在取樣過程中，取樣器內管中的圓柱狀煤樣將保留地應力作用的痕跡，將取得的煤樣裝入不透氣的煤樣袋中保存，注意在運送的過程中不被破壞。到達實驗室后，即可進行瓦斯參數(shù)的測定。

取煤樣完成之后，可采用中國礦業(yè)大學研制的膠囊黏液封孔器封孔進行測壓。測得煤樣瓦斯放散初速度為10.8 m L/s，堅固性系數(shù)0.43，瓦斯壓力0.77 MPa，瓦斯含量系數(shù)7.55 m3/（t· MPa0.5），破壞類型Ⅲ。

為測定煤樣在不同瓦斯壓力下的初始釋放瓦斯膨脹能，在0～2 MPa范圍內選取9個不同壓力點對煤樣進行充氣吸附平衡和測定。單位煤樣初始釋放瓦斯膨脹能與煤層瓦斯壓力關系式為:

即K=67.082 mJ/（g·MPa），R2=0.9921，相關系數(shù)為0.9921表明高河煤礦3#煤層北翼西回風巷煤樣的初始釋放瓦斯膨脹能與瓦斯壓力是密切相關的，K值是合理的。對測定的數(shù)據進行擬合得到圖1。

圖1　高河煤礦3#煤層煤層瓦斯壓力與瓦斯膨脹能關系曲線

現(xiàn)場測得3#煤層瓦斯壓力為0.77 MPa，由式（8）得到其對應的膨脹能為51.65 mJ/g，因其大于臨界值42.98 mJ/g，有突出危險性。為避免生產過程中發(fā)生突出，在開采前應預抽瓦斯，將瓦斯含量降到安全臨界瓦斯含量以下。

將K=67.082 mJ/（g·MPa），α=7.55 m3/（t·MPa0.5），Wp=42.98 mJ/g代入式（7）得到安全臨界瓦斯含量X=6.04 m3/t。

2.2極限抽放時間的確定

在1號孔測壓完成后按照抽放鉆孔的封孔方式進行封孔，封孔方式采用合成樹脂與水泥漿加壓注漿聯(lián)合封孔，封孔完畢后立即與抽放管路連接進行抽放，1 h后測定瓦斯純流量。由于單孔瓦斯抽采流量衰減緩慢且波動較大，每隔5 d測定一次單孔瓦斯流量，取當天3班所測瓦斯流量的平均值為當天瓦斯純流量。瓦斯流量的觀察時間一般為2～3個月，本次觀測80 d，測定結果按負指數(shù)關系擬合曲線如圖2。

圖2　抽放鉆孔抽放時間與瓦斯純流量關系曲線

由擬合結果可知a=0.02 d-1，由式（4）得到極限抽放時間T=150 d。

2.3極限抽放半徑的確定

在1號孔抽放150 d之后，在1號鉆孔兩側施工7個取樣鉆孔，如圖3所示，2，3，…，8都為取樣孔，除1號和2號取樣孔間距為0.5 m外，其余取樣孔間距都為1 m，設計參數(shù)同1號鉆孔。

圖3　測量鉆孔與抽放鉆孔之間的位置關系

測定2～8號取樣鉆孔的新鮮煤樣的瓦斯含量，分別為4.4274 m3/t、5.3631 m3/t、5.9028 m3/t、6.3730 m3/t、6.6952 m3/t、6.7607 m3/t、6.9536 m3/t。由以上瓦斯含量數(shù)值可以看出，2～4號取樣孔煤樣瓦斯含量小于安全臨界瓦斯含量6.04 m3/t，而5～8號取樣孔煤樣瓦斯含量則大于6.04 m3/t，因此高河煤礦3#煤層北翼西回風巷抽放鉆孔的極限抽放半徑確定為1.5 m。

3　結論

（1）通過基于初始釋放瓦斯膨脹能測定極限抽放半徑的技術，測定高河煤礦3#煤層北翼西回風巷抽放鉆孔的極限抽放半徑確定為1.5 m，極限抽放時間為150 d，為高河煤礦瓦斯抽放的設計提供指導性參數(shù)。

（2）基于初始釋放瓦斯膨脹能測定極限抽放半徑的技術，避免了以抽放效率為指標測定抽放半徑的弊端，能夠更好地達到預抽煤層瓦斯的目的，即消除突出危險性。

（3）與相對壓力法測定抽放半徑相比，該方法更容易操作，結果更加準確，鉆孔之間不存在相互影響，避免了相對壓力法中封孔不嚴導致壓力下降對測定結果的影響。

［1］ 曹召丹，林柏泉，趙世偉等.基于鉆孔影響半徑的保護層卸壓效果考察［J］.中國煤炭，2012（5）

［2］ 袁亮.瓦斯治理理念和煤與瓦斯共采技術 ［J］.中國煤炭，2010（6）

［3］ 星寧江.全煤巷鉆孔卸壓技術的應用 ［J］.中國煤炭，2011（3）

［4］ 胡勝勇，周福寶，夏同強等.超前頂板巷卸壓消突技術的試驗及應用研究［J］.中國煤炭，2010（3）

［5］ 蔣承林，俞啟香.煤與瓦斯突出的球殼失穩(wěn)機理及防治技術［M］.徐州:中國礦業(yè)大學出版社，1998

［6］ 蔣承林，王智立，李曉偉.穿層鉆孔有效排放半徑測定新方法［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2014（3）

［7］ 韓穎，蔣承林.初始釋放瓦斯膨脹能與煤層瓦斯壓力的關系［J］.中國礦業(yè)大學學報，2005（5）

［8］ 曹新奇，辛海會等.瓦斯抽放鉆孔有效抽放半徑的測定［J］.煤炭工程，2009（9）

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（責任編輯 張艷華）

2014年全國煤炭產量超公告能力6.1億t

日前，國家發(fā)改委經濟運行調節(jié)局副局長魯俊嶺在國家發(fā)改委召開的媒體通氣會上表示，煤礦違法違規(guī)建設和生產的問題比較突出。據有關部門統(tǒng)計，2014年全國煤炭產量超公告能力6.1億t，此外，違法違規(guī)建設煤礦總規(guī)模還有約7億t/a，部分煤礦不安全生產等行為尚未完全得到制止。

魯俊嶺指出，這些問題既擾亂了正常的市場秩序，也加劇了市場供需失衡矛盾，成為制約煤炭行業(yè)走出困境和實現(xiàn)健康持續(xù)發(fā)展的一個重要原因。魯俊嶺表示，2014年下半年，我國圍繞制止煤礦違法違規(guī)建設生產和超能力生產、限制劣質煤流通使用等方面，采取了一系列措施，取得一定成效。2015年上半年，全國煤炭產量減少1.1億t。

他強調，在當前煤炭市場供大于求矛盾突出的情況下，仍有部分煤礦嚴重超能力生產，以量補價，惡性競爭，加劇了市場供需失衡，損害了行業(yè)整體利益。為了從源頭上遏制部分企業(yè)產量逆勢擴張、依法調控供應總量，迫切需要采取措施，通過規(guī)范治理建設生產秩序，把違法違規(guī)的產量降下來。

Study on the technique for determination of the ultimate drainage radius based on the initial releasing gas expansion energy

Jiang Chenglin1，2，F(xiàn)en Xiaobo1，2，Zhang Songshan1，2，Wang Ningbo1，2，F(xiàn)en Chaohui3
（1.School of Safety Engineering of China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2.The Ministry of Education Key Laboratory of Gas and Fire Control for Coal Mines，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；3.Henan Xinzheng Coal and Power Co.，Ltd.，Zhengzhou，Henan 451184，China）

To solve the problem that the unreasonable design of the gas drainage hole is prone to causing the gas outburst in the process of gas pre-drainage in the high and outburst coal seam.The relations between the initially releasing gas expansion energy，gas pressure and gas content were analyzed.A new technique for the determination of the ultimate gas drainage radius was put forward based on the initially releasing gas expansion energy and carried out in Gaohe Coal Mine.The results show that this technique is simple and effective，and the ultimate gas drainage time is 150 d and the maximum drainage radius is 1.5 m for west air return roadway of north wing of No.3 coal seam in Gaohe Coal Mine.

initially releasing gas expansion energy，gas content，gas drainage time，gas drainage radius

D712.6

A

蔣承林（1956-），男，安徽黃山人，教授，博士生導師，主要從事煤與瓦斯突出機理及防治技術方面的研究工作。