薄煤層區(qū)域瓦斯壓力及抽采參數(shù)分析研究應(yīng)用

陳京+王燦華+陳忠明+李國玉

摘 要：為解決薄煤層區(qū)域瓦斯治理抽采難題，以龍門峽南煤礦為研究對(duì)象，通過對(duì)K1煤層瓦斯參數(shù)和瓦斯抽采半徑的考察、分析、研究、建立數(shù)據(jù)模型，科學(xué)的確定了穿層鉆孔和順層鉆孔的以抽采時(shí)間布置鉆孔方式及抽采半徑，為優(yōu)化鉆孔布置、確定礦井瓦斯治理方案、措施提供數(shù)據(jù)支撐，為實(shí)現(xiàn)“瓦斯抽采達(dá)標(biāo)”提供了可靠的科學(xué)依據(jù)，為瓦斯治理贏得了時(shí)間、空間和降低治災(zāi)成本。

關(guān)鍵詞：瓦斯壓力；抽采半徑；數(shù)據(jù)模型

中圖分類號(hào)：TD712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）01-0143-02

合理考察有效的瓦斯抽放鉆孔半徑，對(duì)掌握瓦斯抽采參數(shù)考察、分析、研究、建立數(shù)據(jù)模型，能科學(xué)的確定穿層鉆孔和順層鉆孔的以抽采時(shí)間布置鉆孔方式及抽采半徑，既不造成工程浪費(fèi)，又能有效防止煤與瓦斯突出事故，一直是煤礦瓦斯抽采技術(shù)難題之一，通過該項(xiàng)目研究達(dá)到既不造成工程浪費(fèi)，又能有效防止煤與瓦斯突出的目的，取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究總體思路

（1）在龍門峽南礦+310m北西翼底板抽采巷、+400m南西翼底板抽采巷、+478m南西翼底板抽采巷、3111機(jī)巷分別選取1～2個(gè)鉆場(chǎng)施工穿層和順層鉆孔測(cè)定不同標(biāo)高的煤層瓦斯壓力，在施工測(cè)壓鉆孔的同時(shí)，采取煤樣，然后送實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)、分析，得出煤層的瓦斯放散初速度、ab常數(shù)、煤的孔隙率、密度等相關(guān)參數(shù)，最后通過瓦斯壓力和相關(guān)參數(shù)計(jì)算出煤層瓦斯含量，在連抽期間對(duì)每個(gè)測(cè)壓孔的瓦斯壓力衰減情況進(jìn)行3個(gè)月的連續(xù)觀測(cè)。

（2）通過收集鄰近礦井瓦斯抽采鉆孔的布置方式，結(jié)合本礦原來的瓦斯治理方案、鉆孔布置，根據(jù)研究得出的結(jié)論。

2 技術(shù)方案

2.1 總體技術(shù)方案

測(cè)定基礎(chǔ)瓦斯參數(shù)→測(cè)定煤層原始瓦斯壓力→瓦斯壓力觀測(cè)→測(cè)定鉆孔瓦斯涌出量及其衰減系數(shù)→煤樣的實(shí)驗(yàn)室測(cè)定→測(cè)定抽采有效半徑→開發(fā)瓦斯抽采模擬軟件→收集鄰近礦井瓦斯抽采鉆孔布置相關(guān)資料→優(yōu)化瓦斯治理方案及瓦斯抽采鉆孔布置。

2.2 相關(guān)參數(shù)鉆孔施工設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)

（1）數(shù)據(jù)的測(cè)定采用相對(duì)壓力法測(cè)定，鉆孔布置如下：在煤巷沿煤壁中部打6個(gè)相互平行的測(cè)量鉆孔，孔徑87mm，孔深40m，并用水泥砂漿封孔，封孔長(zhǎng)度30m，封孔管為4分鍍鋅管，施工鉆孔過程中記錄開孔時(shí)間、終孔時(shí)間、開始封孔時(shí)間和封孔完成時(shí)間。

（2）順層測(cè)壓孔應(yīng)設(shè)在煤體完整、節(jié)理不發(fā)育、預(yù)抽影響小、開孔點(diǎn)及周圍50m的范圍不受采掘活動(dòng)影響的地點(diǎn)。

（3）在底板瓦斯抽采巷向K1煤層打抽采孔，抽采孔兩側(cè)各布置3個(gè)觀測(cè)孔，終孔位置間距均衡布置。

（4）測(cè)定裝置。本次測(cè)定中使用專業(yè)氣表作為鉆孔流量測(cè)量?jī)x器。煤氣表的量程根據(jù)預(yù)計(jì)的單孔瓦斯流量確定，本煤層預(yù)抽鉆孔使用J2.5型煤氣表，其最大允許的瓦斯流量為66L/min，最小流量一般在1L/min以下。

（5）測(cè)定步驟。記錄抽采初始的瓦斯流量、負(fù)壓、濃度情況，然后每2天對(duì)該孔進(jìn)行測(cè)量，期間每天派人對(duì)抽采負(fù)壓進(jìn)行調(diào)校，確保其工作負(fù)壓為恒定值，保持在35KPa，每天調(diào)校次數(shù)不少于6次。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施步驟

3.1 瓦斯壓力測(cè)定

通過對(duì)+310m北西翼底板抽采巷鉆場(chǎng)實(shí)地考察，在底板抽采巷22#鉆場(chǎng)6個(gè)鉆孔的瓦斯壓力觀測(cè)。

3.2 穿層鉆孔抽采半徑考察

在+310m北西翼底板瓦斯抽采巷22#鉆場(chǎng)的測(cè)壓鉆孔進(jìn)行穿層瓦斯抽采半徑考察。通過對(duì)+310m北西翼底板抽采巷22#鉆場(chǎng)6個(gè)鉆孔的瓦斯壓力觀測(cè)，所有鉆孔的瓦斯壓力均已出現(xiàn)下降趨勢(shì)，立即在3#鉆孔與4#鉆孔之間距3#鉆孔1.0m、距4#鉆孔0.5m處施工了1個(gè)抽采孔，并將抽采鉆孔與安裝在+310m北西翼底板瓦斯抽采巷抽采管連接，安排專人對(duì)抽采期間壓力的變化連續(xù)3個(gè)月觀測(cè)。通過對(duì)觀測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算，最后得穿層鉆孔在不同抽采時(shí)間內(nèi)的瓦斯抽采半徑；利用matlab軟件對(duì)6個(gè)測(cè)壓孔的絕對(duì)瓦斯壓力隨時(shí)間變化的關(guān)系進(jìn)行擬合，并得出擬合函數(shù)。各個(gè)曲線擬合公式如表1所示。

3.3 順層鉆孔瓦斯抽采半徑考察

2015年5月，在3111機(jī)巷里程400m處施工了3個(gè)平行的順層瓦斯抽采鉆孔，角度為真傾斜，深度80m，封孔深度10m，并與礦井瓦斯抽采系統(tǒng)的主管道連通，安排專人進(jìn)行測(cè)流。7月又在3111機(jī)巷里程800m處施工了3個(gè)順層抽采鉆孔，并封孔、連抽和測(cè)流。在鉆孔連抽1個(gè)月后，陸續(xù)在每個(gè)抽采鉆孔右側(cè)施工5個(gè)測(cè)試鉆孔，1#抽采孔與第1個(gè)測(cè)試鉆孔的間距0.5m，其余測(cè)試孔之間的間距為0.5m；2#～6#抽采鉆孔與第1個(gè)測(cè)試孔之間的間距1.0m，測(cè)試孔之間的間距0.5m。施工測(cè)試孔時(shí)，分別在不同的深度取芯，測(cè)定煤層的殘余瓦斯含量，然后對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別按殘余瓦斯含量和瓦斯抽采率30%繪制出瓦斯抽采時(shí)間與抽采半徑的關(guān)系曲線，最后得出抽采不同時(shí)間內(nèi)順層鉆孔瓦斯抽采半徑。

3.4 煤層透氣性測(cè)試

鉆孔流量衰減系數(shù)，是衡量煤層預(yù)抽瓦斯難易程度的一種指標(biāo)，它反映不受采動(dòng)影響條件下，煤層內(nèi)鉆孔瓦斯流量隨時(shí)間呈衰減變化的特性。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的鉆孔瓦斯流量數(shù)據(jù)上表煤層鉆孔瓦斯流量數(shù)據(jù)繪制瓦斯流量衰減曲線，抽采瓦斯純量隨時(shí)間的增加而逐漸變小。對(duì)瓦斯流量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出鉆孔衰減系數(shù)。

由表2可知，K1煤層瓦斯抽采鉆孔流量衰減系數(shù)為0.01818 ～0.05107d-1，平均為0.03336d-1。

4 實(shí)施效果

4.1 瓦斯壓力測(cè)定

在+310m北西翼底板瓦斯抽采巷22#鉆場(chǎng)的6個(gè)測(cè)壓鉆孔的壓力表值穩(wěn)定并開始下降時(shí)，在3#、4#鉆孔之間按設(shè)計(jì)施工了1個(gè)φ87mm的瓦斯抽采鉆孔，然后進(jìn)行封孔、連抽，觀察連抽后測(cè)壓鉆孔的瓦斯壓力變化情況，最后根據(jù)抽采負(fù)壓、煤層瓦斯壓力變化、抽采時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行分析、研究、建立數(shù)據(jù)模型，從而得出了穿層鉆孔在不同抽采時(shí)間段間隔內(nèi)的抽采半徑。

4.2 順層鉆孔瓦斯抽采半徑考察與研究

在3111機(jī)巷施工了2組鉆孔進(jìn)行順層抽采半徑考察與研究，通過鉆孔施工、封孔、連抽和抽采負(fù)壓、流量等數(shù)據(jù)觀測(cè)，進(jìn)行分析、研究、建立數(shù)據(jù)模型，得出了不同抽采時(shí)間內(nèi)的順層鉆孔瓦斯抽采有效半徑。

4.3 瓦斯抽采效果模擬及軟件開發(fā)

本次研究建立了以原始瓦斯含量、煤層吸附常數(shù)、煤層透氣系數(shù)、抽采鉆孔間距、抽采負(fù)壓、抽采時(shí)間為基礎(chǔ)參數(shù)的瓦斯抽采預(yù)測(cè)模型，今后，可利用已測(cè)得的瓦斯抽采有效半徑、鉆孔瓦斯流量等數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的瓦斯抽采參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證和改進(jìn)。

4.4 鄰近礦井瓦斯抽采相關(guān)數(shù)據(jù)收集

廣安煤礦屬高瓦斯礦井，在地面建有1套固定瓦斯抽采系統(tǒng)，主要用于抽采K1煤層瓦斯；龍灘煤電公司屬煤與瓦斯突出礦井，該礦地面建有1套固定瓦斯抽采系統(tǒng)，且井下也建有1個(gè)瓦斯抽采泵站，其瓦斯抽采以順層抽采為主，煤巷掘進(jìn)前，在煤巷磧頭施工13～15個(gè)長(zhǎng)度不小于60m的順層抽采鉆孔，鉆孔的終孔間距為2×2m。

5 結(jié)語

（1）經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得出薄煤層瓦斯絕對(duì)壓力為1.32～1.53MPa時(shí)，應(yīng)取最大值1.53MPa作為治災(zāi)依據(jù)；同時(shí)，得出薄煤層瓦斯抽放鉆孔流量衰減系數(shù)為0.01818～0.05107d-1，平均為0.03336d-1，薄煤層透氣性系數(shù)為0.521m2/MPa2·d。

（2）經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性得出穿層鉆孔抽采薄煤層瓦斯時(shí)，有效抽放半徑（x）與抽放天數(shù)（y）函數(shù)關(guān)系為y=9.886e^（1.0382x），該函數(shù)關(guān)系可計(jì)算出17天、28天、47天、80天、134天、225天的有效抽放半徑分別達(dá)0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m；薄煤層順層鉆孔瓦斯含量降到6.9m3/t（對(duì)應(yīng)壓力0.74MPa）以下作為抽采指標(biāo)，得到抽采60天、65天、80天的有效抽采半徑依次為1.31m、1.22m、1.55m，抽采86天、108天、110天的有效抽放半徑依次為2.38m、2.95m、3m。

（3）以抽采率30%作為抽放半徑考察指標(biāo)，得到薄煤層抽放60天、65天、80天的有效抽放半徑依次為0.95m、1.23m、1.5m，抽采86天、108天、110天的有效抽放半徑依次為1.85m，2.4m，2.5m。endprint