寺家莊礦回采工作面預抽鉆孔抽采半徑考察研究

于寶種

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區，454003)

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寺家莊礦回采工作面預抽鉆孔抽采半徑考察研究

于寶種

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區，454003)

寺家莊礦通過在回采工作面制定多組不同間距的抽采鉆孔試驗方案，考察了預抽鉆孔的抽采半徑，得出在鉆孔有效抽采時間內，當抽采時間相同時，鉆孔間距越小，預抽率越高；預抽率隨時間延長有整體增加的趨勢，但增加的速度逐漸減小；對于一定間距的鉆孔而言，當抽采時間達到某一值時，抽采率的變化與抽采時間的延長無關，即存在一個合理預抽時間的概念；根據允許預抽時間的長短，由相關公式可得出合適的抽采半徑，為科學布置預抽鉆孔提供依據，保障礦井采、掘、抽平衡。

瓦斯抽采 抽采半徑 預抽率 抽采時間

礦井瓦斯災害嚴重威脅煤礦安全生產，而瓦斯又是潔凈高效能源和優質化工原料，瓦斯抽采不僅可以降低礦井瓦斯涌出量，防止瓦斯突出和瓦斯爆炸災害，而且抽出的瓦斯可作為潔凈能源加以利用，減少環境污染。抽采半徑是瓦斯抽采的重要參數，抽采半徑范圍的大小與煤質和瓦斯因素有關，應從實際的抽采中測定。抽采半徑過大，雖節約了工程量，但所需的達標抽采時間較長，而且容易留下抽采盲區，不利于突出危險的消除；抽采半徑過小，雖然縮短了抽采時間，能在較短時間內抽采達標，但是鉆孔的影響范圍重疊，效率不高，同時增大了工程量。因此，確定合理的抽采半徑，用最小的成本做好瓦斯抽采工作，為礦井瓦斯治理提供依據。通過考察寺家莊礦回采工作面預抽鉆孔的抽采半徑，指導現場的實際生產。

1 回采工作面預抽鉆孔抽采半徑考察現場試驗設計

15203工作面進風巷第3-4橫貫距離為197 m，在距3橫貫口20 m處開始布置順煤層預抽鉆孔，試驗鉆孔分3組布置，每組鉆孔的單排間距分別為2 m、3 m、4 m，鉆孔采用雙排三花眼布置，排間距1 m，孔深100 m，組間距為5 m，鉆孔有效布置范圍為135 m，每組鉆孔為8個，共布置鉆孔24個，鉆孔編號為1#～24#。

工作面的順煤層預抽鉆孔施工完畢，連接至抽采管路進行抽采。在預抽回采區域煤層瓦斯的同時考察預抽鉆孔的負壓、流量等抽采參數，考察的鉆孔直徑為94 mm，抽采鉆孔參數見表1。

表1 15203工作面回采區域鉆孔抽采半徑考察試驗參數表

2 回采工作面預抽鉆孔抽采半徑確定

考察不同鉆孔間距條件下百米鉆孔極限瓦斯抽采量與鉆孔間距、瓦斯抽采量衰減系數間的關系，需要采用按鉆孔間距分組測定方法，測定時，根據各組鉆孔的抽采瓦斯總量、混合瓦斯濃度和組內鉆孔總長，計算每100 m鉆孔平均瓦斯抽采純量qct，并結合組內鉆孔的平均抽采時間t形成測定數組(t，qct)。鉆孔間距2m時鉆孔百米瓦斯流量隨抽采時間的變化曲線如圖1所示。

圖1 2 m組鉆孔百米瓦斯流量隨抽采時間的變化曲線

通過對2m組瓦斯流量點的擬合，得出鉆孔瓦斯抽采量qct和瓦斯抽采量衰減系數β符合負指數關系，即2m組：

qct=qc0e-βt=0.17781e-0.02615t

(1)

式中：qc0——100m鉆孔初始瓦斯抽采量，m3/(min·hm)；

qct——抽采時間t下每100 m鉆孔平均瓦斯抽采量，m3/(min·hm)；

β——鉆孔瓦斯抽采量衰減系數，d-1；

t——鉆孔內平均瓦斯抽采時間，d。

將鉆孔間距為3 m、4 m的瓦斯抽采純量與各時間點擬合，得出鉆孔瓦斯抽采量qct和瓦斯抽采量衰減系數β符合負指數關系，即：

3m組：qct=0.20816e-0.0213t

(2)

4m組：qct=0.26272e-0.01706t

(3)

通過對以上百米鉆孔瓦斯抽采量數據與時間的關系分析可知，不同長度的鉆孔瓦斯抽采量與時間成負指數關系；羽狀鉆孔瓦斯抽采量衰減系數β在0.0170～0.0262d-1之間，鉆孔長度越長的鉆孔瓦斯抽采量衰減系數β越大。

2.1 抽采鉆孔不同間距瓦斯抽采量與時間關系

對鉆孔瓦斯流量在時間上積分可以得到不同抽采時間內的抽采總量，即對式(1)積分，可以得到任意時間t內鉆孔瓦斯抽采總量Q抽。不同間距組鉆孔任意時間t內鉆孔瓦斯抽采總量Q抽情況如圖2所示。

圖2 不同間距組鉆孔瓦斯抽采總量隨抽采時間的變化曲線

對不同時間內鉆孔抽采特征曲線進行擬合，得出一定抽采時間內瓦斯抽采的總量為：

2 m組：Q抽=qc0×(1-e-βt)

=20646(1-e-0.02821t)

(4)

3 m組：Q抽=qc0×(1-e-βt)

=28891(1-e-0.02368t)

(5)

4 m組：Q抽=qc0×(1-e-βt)

=35573(1-e-0.02136t)

(6)

式中：Q抽——t時間內瓦斯抽采總量，m3。

由圖2可知，不同鉆孔間距具有不同的瓦斯抽采量衰減系數和極限瓦斯抽采量，間距為2 m組鉆孔的瓦斯抽采量衰減系數為0.02821 d-1，極限瓦斯抽采量為20646 m3；間距為3 m組鉆孔的瓦斯抽采量衰減系數為0.02368 d-1，極限瓦斯抽采量為28891 m3；間距為4 m組鉆孔的瓦斯抽采量衰減系數為0.0213 d-1，極限瓦斯抽采量為35573 m3；隨著鉆孔間距的增加，鉆孔瓦斯抽采衰減系數隨之減小。

2.2 抽采鉆孔瓦斯抽采率與時間的關系

瓦斯預抽率是衡量鉆孔預抽煤層瓦斯效果的主要指標，是指在一定抽采時間下某一范圍內鉆孔瓦斯抽出量與該范圍內煤層瓦斯儲量之比，計算公式為：

(7)

式中：η——鉆孔瓦斯預抽率，%；

Q抽——t時間內鉆孔抽出純瓦斯量，m3；

L——鉆孔控制范圍，m；

l——抽采鉆孔平均長度，m；

M0——平均煤厚，取5.5 m；

r——煤的密度，取1.42 t/m3；

W0——煤層原始瓦斯含量，取實測值12.66 m3/t。

通過對寺家莊礦不同鉆孔間距布置情況下回采工作面瓦斯抽采率的統計，得出瓦斯抽采率與時間的變化關系，如圖3所示。

不同間距鉆孔瓦斯抽采率與時間的關系通過曲線擬合表述如下：

2 m組：η=37.47(1- e-0.028 t)

(8)

3 m組：η=37.38(1- e-0.023 t)

(9)

4 m組：η=27.91(1- e-0.021 t)

(10)

通過對以上抽采鉆孔瓦斯抽采率與抽采時間的關系分析可知：

(1)在鉆孔有效抽采時間內，當抽采時間相同時，鉆孔間距越小，預抽率越高。就是說，對不同間距的鉆孔而言，要達到相同的預抽率，間距大的鉆孔所需時間長，間距小的鉆孔所需時間短。

圖3 不同間距抽采鉆孔瓦斯抽采率與時間的關系曲線

(2)預抽率隨時間延長有整體增加的趨勢，但增加的速度逐漸減小；對于一定間距的鉆孔組而言，當抽采時間達到某一值時，抽采率的變化與抽采時間的延長無關，即存在一個合理預抽時間的概念，在時間無限大的情況下，不論在何種鉆孔間距下，同一煤層其極限抽采率都是相同的。

2.3 回采工作面預抽鉆孔抽采半徑的確定

(1)15203工作面為煤與瓦斯突出工作面，要進行生產必須達到《防治煤與瓦斯突出規定》的消除突出危險的要求。15203工作面巷道實測瓦斯含量為12.66 m3/t，要消除突出危險，必須使瓦斯含量降至8 m3/t以下，據此可確定寺家莊礦15203工作面的目標預抽率為36.8%。

通過瓦斯抽采率與時間的關系曲線可以計算出當煤體消除突出危險時2 m組、3 m組及4 m組鉆孔所需要的抽采時間分別為195 d、290 d和495 d。

(2)抽采半徑是影響瓦斯抽采效果的重要因素，直接關系到預抽鉆孔密度和預抽時間的長短。準確地測定順層鉆孔的瓦斯抽采有效影響半徑對礦井的瓦斯抽采工作起著至關重要的作用。

為了更好地指導實際的礦井生產工作，根據考察的抽采參數與抽采達標的時間確定瓦斯抽采達標時抽采半徑及預抽時間之間的關系，如圖4所示。

由2 m組、3 m組及4 m組鉆孔抽采到目標抽采率時的時間關系可以得出寺家莊礦的抽采半徑與時間為指數關系：

T=69.94×1.63r

(11)

式中：T——達到目標抽采率所需要的時間，d；

r——抽采半徑，m。

圖4 達標時的抽采半徑與抽采時間的關系曲線

3 結論

(1)在鉆孔有效抽采時間內，當抽采時間相同時，鉆孔間距越小，預抽率越高。就是說，對不同間距的鉆孔而言，要達到相同的預抽率，間距大的鉆孔所需時間長，間距小的鉆孔所需時間短。

(2)預抽率隨時間延長有整體增加的趨勢，但增加的速度逐漸減小；對于一定間距的鉆孔而言，當抽采時間達到某一值時，抽采率的變化與抽采時間的延長無關，即存在一個合理預抽時間的概念，在時間無限大的情況下，不論在何種鉆孔間距下，同一煤層的極限抽采率都是相同的。

(3)根據允許預抽時間的長短，由T=69.94×1.63r可得出合適的抽采半徑，為科學布置預抽鉆孔提供依據，保障礦井采掘抽平衡。這一成果對現場生產實踐意義重大，可以在類似礦井進行推廣應用。

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(責任編輯 張艷華)

Investigation study on drainage radius of pre-extraction boreholes at mining work face of Sijiazhuang Mine

Yu Baozhong

(China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute, Shapingba, Chongqing 454003, China)

Experimental schemes with different distances between drainage boreholes at mining work face in Sijiazhuang Mine inspected the drainage radius of pre-extraction boreholes and figured out that when the effective drainage time was the same, the smaller borehole distance indicated higher pre-extraction rate. The pre-extraction rate increased with time, but the rate of increase decreased gradually. For boreholes with certain distance, there was no correlation between pre-extraction rate and drainage time when drainage time reached a certain value, which means there exists the concept of reasonable pre-extraction time. According to the length of allowable pre-extraction time and related formula, suitable drainage radius could be calculated and provided guidance for scientific layout of pre-extraction boreholes, guaranteeing the balance between mining, driving and drainage.

gas drainage, drainage radius, pre-extraction rate, drainage time

國家科技重大專項(2016ZX05067001-004)，國家自然科學基金(51374236)

于寶種. 寺家莊礦回采工作面預抽鉆孔抽采半徑考察研究[J].中國煤炭，2017,43(7)：139-142. Yu Baozhong. Investigation study on drainage radius of pre-extraction boreholes at mining work face of Sijiazhuang Mine[J]. China Coal, 2017，43(7):139-142.

TD712

A

于寶種(1984-)，男，河北黃驊人，助理研究員，碩士，研究方向為礦井瓦斯防治。