“三軟”低透氣性突出煤層有效排放半徑測定方法的探討

賈泉敏

(1.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院，重慶 400037)

煤與瓦斯突出是煤礦企業(yè)的重大災害之一。當煤層預測有突出危險性時，應采取防治突出措施。《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》第八十九條明確規(guī)定[1]：“……預抽鉆孔或超前排放鉆孔的孔數(shù)、孔底間距等應當根據(jù)鉆孔的有效抽放或排放半徑確定……”。因此，確定超前排放鉆孔的有效排放半徑對正確合理的設計超前排放鉆孔具有重要的現(xiàn)實意義。

1 有效排放半徑的概念、原理及測定方法

有效排放半徑是指超前排放鉆孔排放一定的時間后能消除突出的范圍。 這個范圍用以超前排放鉆孔為中心的半徑來表示。超前排放鉆孔在一定的排放條件下，其有效排放半徑是由排放瓦斯有效性指標和排放時間決定的。

目前，超前排放鉆孔有效排放半徑常用的測定方法主要有：鉆孔瓦斯流量法和鉆屑指標法。其中，鉆屑指標包括鉆屑量指標S與鉆屑解吸指標K1或△h2。

兩種方法測定超前排放鉆孔有效排放半徑的原理是相同的，即用測量鉆孔的指標檢驗超前排放鉆孔消除突出的影響范圍。超前排放鉆孔排放一定的時間后在其周圍一定范圍內(nèi)形成一個卸壓圈，卸壓圈內(nèi)的地應力大大降低、煤層的透氣性增大、瓦斯也得到了進一步的釋放，從而使超前排放鉆孔周圍形成了一個影響圈。在影響圈內(nèi)，測量鉆孔的瓦斯流量會增大、鉆屑指標則會減小。影響圈的最大范圍即此超前排放鉆孔的有效排放半徑[2]。

1.1 鉆孔瓦斯流量法操作步驟

1)在掘進工作面的軟分層中沿掘進方向施工3～5個相互平行的測量鉆孔，孔徑42mm，孔長8～10m，測量鉆孔與超前排放鉆孔的間距應根據(jù)試驗工作面煤層的具體情況來確定，一般在0.3～0.5m之間，試驗鉆孔的布孔位置可參考圖1。

2)每施工完一個測量鉆孔，立即對其封孔，封孔時應保證測量室長度為1m，封孔長度一般不小于2m。

3)測量鉆孔封孔完畢后，立即測定該鉆孔的瓦斯流量，并每隔2～10min測定1次，每一個測量鉆孔的測定次數(shù)不得小于5次。

4)在測量鉆孔中心，平行于測量鉆孔施工一個待考察的超前排放鉆孔，在施工超前排放鉆孔的過程中，記錄其長度、施工時間和各測量鉆孔中的瓦斯流量變化。

5)超前排放鉆孔施工完畢后，在2h內(nèi)每隔2～10min測定一次各測量鉆孔的瓦斯流量。

1-超前排放鉆孔；2、3、4、5-測量鉆孔

6)繪制出各測量孔的瓦斯流量變化趨勢圖。

7)在施工完超前排放鉆孔后，如果在同一測量鉆孔內(nèi)，連續(xù)3次測定的瓦斯流量都比施工超前排放鉆孔前增大10%，即表明該測量孔處于超前排放鉆孔的有效排放半徑之內(nèi)，符合此條件的測量孔距超前排放鉆孔的最遠距離，即為該超前排放鉆孔的有效排放半徑。

1.2 鉆屑指標法操作步驟

1)沿垂直掘進工作面方向的軟分層中施工一個預測鉆孔(1#孔)，孔徑42mm，孔長8～10m，在預測鉆孔施工過程中，測定其每米的鉆屑指標，試驗鉆孔的布孔位置可參考圖2。

1-預測孔；2-測試孔；3-超前排放孔

2)預測鉆孔測定結(jié)束后，將其擴大到超前排放鉆孔的直徑(3#孔)，進行擴孔排放。

3)按照實際生產(chǎn)要求，確定一定的排放時間(一般為2h)。當?shù)竭_排放時間后，在該鉆孔附近的軟分層中施工一個與1#孔有一定角度的測試孔(2#孔)，并在施工過程中測定其每米的鉆屑指標。

4)將2個鉆孔同一深度范圍內(nèi)所測到的鉆屑指標和兩點的間距進行分析，當2#孔在第Nm后所測定的鉆屑指標均小于1#孔同一深度所測得的指標時，則可確定鉆孔在Nm處所對應的鉆孔間距為超前排放鉆孔的有效排放半徑[2]。

2 有效排放半徑現(xiàn)場測定情況及問題

2.1 試驗地點煤層概況

測定地點選擇在河南某礦區(qū)，該礦區(qū)煤層屬于典型的“三軟”低透氣性突出煤層。煤層透氣性系數(shù)在0.028～0.053 m2/MPa2·d-1之間，衰減系數(shù)在0.4026～0.727 d-1之間，煤層平均厚4.7m，層位穩(wěn)定，結(jié)構簡單。直接頂板多為泥巖及砂質(zhì)泥巖，偶為粉砂巖或炭質(zhì)泥巖；基本頂一般為中粒長石石英砂巖。直接底板以泥巖為主，偶為粉砂巖；基本底多為粉砂巖，偶為砂質(zhì)泥巖或細粒砂巖。

在該礦區(qū)受采動影響較小的掘進工作面采用鉆孔瓦斯流量法及鉆屑指標法分別測定直徑為75mm的超前排放鉆孔的有效排放半徑，測量鉆孔直徑為42mm，深度均為10m。

2.2 鉆孔瓦斯流量法現(xiàn)場測定情況及問題

結(jié)合試驗工作面煤層具體條件和實際生產(chǎn)經(jīng)驗，確定試驗鉆孔布置參數(shù)。具體鉆孔布置參數(shù)見表1，鉆孔布置圖如圖1所示。

表1 鉆孔流量法測定有效排放半徑鉆孔布置參數(shù)表

為了保證測定精度，使用兩臺煤電鉆同時施工。施工過程保證兩臺鉆機不受影響，施工測量鉆孔時間確保在30min內(nèi)完成。測量鉆孔施工完畢之后，應立即封孔并對其鉆孔瓦斯流量進行測定。測定30min后施工超前排放鉆孔(1#孔)，同時繼續(xù)考察各測量鉆孔瓦斯流量變化，超前排放鉆孔施工完畢后，在2h內(nèi)每隔2～10min測定一次各測量鉆孔的瓦斯流量并繪制出各測量鉆孔的瓦斯流量變化趨勢圖。具體操作步驟見上文。

現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的主要問題：

1)塌孔問題。試驗地點煤質(zhì)較軟，極易出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，如果試驗鉆孔間距過小，會導致試驗鉆孔之間發(fā)生聯(lián)通影響試驗結(jié)果。

2)封孔問題。在“三軟”煤層中采用膠囊封孔器封孔，因膠囊長度較短，鉆孔卸壓圈裂隙很容易泄露一部分瓦斯，從而影響試驗鉆孔瓦斯流量測定的準確性[3]。

3)測量儀器精度問題。該煤層透氣性較低，瓦斯流量較小，要求瓦斯流量計有較高的測量精度。如果流量計測量精度太低，則測定結(jié)果會受很大的影響。

4)現(xiàn)場操作問題。試驗所需設備和人員較多，測量鉆孔施工完畢后，需同時觀察其流量變化，現(xiàn)場操作較繁瑣，用時較長。

2.3 鉆屑指標法現(xiàn)場測定情況及問題

結(jié)合試驗工作面煤層具體條件和實際生產(chǎn)經(jīng)驗，確定試驗鉆孔布置參數(shù)。具體鉆孔布置參數(shù)見表2，鉆孔布置圖如圖2所示。

表2 鉆屑指標法測定排放半徑鉆孔參數(shù)表

為保證測定精度，施工鉆孔時必須保證鉆孔的傾角和夾角與設計保持一致。1#鉆孔鉆屑指標測定完畢后，將其擴至直徑為75mm的排放鉆孔，待排放一定時間(一般為2h)之后，開始測定2#鉆孔的鉆屑指標。具體操作步驟見上文。

現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的主要問題：

1)鉆屑取樣深度難以保證。鉆屑是在鉆孔施工過程中取得的，在孔口取得的煤樣無法避免的會混入一些已經(jīng)暴露的煤屑，而且鉆孔越深，鉆屑取樣深度越難保證[4]。

2)鉆孔的施工角度較難準確掌握。

3 對比分析

針對“三軟”低透氣性突出煤層，利用上述兩種方法對直徑為75mm的超前排放鉆孔的有效排放半徑分別進行了測定。從試驗過程及試驗準確度等方面分析，可以得出兩種測定方法在該煤層中運用的優(yōu)缺點。這兩種方法的對比情況見表3。

表3 兩種方法對比情況

由表3可知：在“三軟”低透氣性突出煤層中測定有效排放半徑，這兩種方法各有優(yōu)缺點。但相對而言，鉆屑指標法則更勝一籌。

4 結(jié)論及建議

1)有效排放半徑是指超前排放鉆孔排放一定的時間后能消除突出的范圍，超前排放鉆孔在一定的排放條件下，有效排放半徑是由排放瓦斯有效性指標和排放時間決定的。

2)有效排放半徑測定常用的方法有：鉆孔瓦斯流量法和鉆屑指標法。

3)在“三軟”低透氣性突出煤層中測定有效排放半徑可優(yōu)先選用鉆屑指標法。

4)測定有效排放半徑時，建議多做幾組試驗，以提高鉆屑指標法的準確性。

[1] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局,國家煤礦安全監(jiān)察局.防治煤與瓦斯突出規(guī)定 [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2009.

[2] 周厚權，汪東，陳賓.鉆屑指標法K1值測定煤層鉆孔排放半徑淺析[J].煤礦安全，2010(12)：82-83.

[3] 陳金玉，孔一繁.鉆屑指標法測定瓦斯有效排放半徑[J]煤，1995,4(6):46-48.

[4] 趙旭生，劉勝.鉆屑瓦斯解吸指標K1值測定誤差的影響因素[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2002,29(2)：3-5.