瓦斯抽放半徑測定方法在黃白茨煤礦的實踐與應用

【摘要】本文詳細地介紹了相對瓦斯壓力測定法測定瓦斯抽放半徑的工作原理，并利用相對瓦斯壓力測定法對黃白茨煤礦1295綜采工作面的瓦斯抽放鉆孔的瓦斯抽放半徑進行了測定，通過現場測定確定了鉆孔的瓦斯抽放半徑，為順層瓦斯抽放鉆孔間距的設計提供了合理依據，確保了工作面的安全生產。

【關鍵詞】瓦斯抽放半徑；測定；實踐與應用

0.前言

煤礦瓦斯抽放是降低礦井瓦斯涌出量、防止瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出災害的重要措施。衡量瓦斯抽放工作優劣的兩個主要指標是瓦斯抽放率和瓦斯抽放量[1]。提高抽放瓦斯效果的主要途徑：一是在瓦斯抽放時盡可能地設法多抽瓦斯，不斷擴大抽放瓦斯的范圍；二是在提高煤層透氣性上加強研究，不斷改進和提高抽放工藝、系統和設備。鉆孔間距是影響瓦斯抽放效果的重要因素，鉆孔間距過大，在抽放范圍內容易形成抽放盲區；鉆孔間距過小，容易造成人力和物力的浪費。所以瓦斯抽放鉆孔的布置應以鉆孔的有效抽放半徑為依據，而抽放半徑的測定目前還沒有一個規范的標準，如何考察測定是當前瓦斯抽放設計中急需解決的主要問題。本論文主要是通過運用相對瓦斯壓力測定法來測定瓦斯抽放半徑收到了較好的效果。

1.問題的提出

神華集團烏海能源有限責任公司黃白茨煤礦位于烏達礦區中部，隸屬內蒙古自治區烏海市管轄，礦井核定生產能力為200萬t/a；該礦通風方式為中央分列式，主扇的工作方式為抽出式。礦井由主井、副井、行人斜井三個井筒進風，10#、11#兩個風井分別承擔12層盤區和9層盤區排風。黃白茨煤礦的礦井絕對瓦斯涌出量為44.45m3/min，根據2011年新出版的《煤礦安全規程》第一百三十三條規定[2]：“礦井的相對瓦斯涌出量大于10m3/t或礦井絕對瓦斯涌出量大于40m3/min 時就是高瓦斯礦井”可以判定黃白茨煤礦為高瓦斯礦井，因此必須在礦井通風合理的基礎上加強礦井的瓦斯綜合抽放才能確保礦井的安全生產。該礦為了提高瓦斯抽放效率在12#煤層的1295綜采工作面實施順層瓦斯抽放鉆孔預抽煤層瓦斯。在進行預抽煤層瓦斯時鉆孔的瓦斯抽放半徑如何確定始終是困擾瓦斯抽放設計的一個技術難題，為此該礦積極研究和探索新方法、新工藝，最后運用相對瓦斯壓力測定法來測定瓦斯抽放半徑收到了較好的效果。

2.相對瓦斯壓力測定法測定瓦斯抽放半徑的工作原理及其具體應用

2.1相對瓦斯壓力測定法的工作原理

圖1 測試鉆孔布置圖

相對瓦斯壓力測定法的理論依據《煤礦安全規程》明確規定：預抽煤層瓦斯后，必須對預抽瓦斯防治突出效果進行檢驗，其檢驗的指標之一是煤層瓦斯預抽率大于30%，即抽放后的瓦斯含量小于抽放前的70%以上。在保證工業應用誤差允許前提下，瓦斯壓力P和瓦斯含量X存在著一個拋物線關系。

首先提出用拋物線方程來近似取代煤層瓦斯含量曲線，即：

因此，抽放前后瓦斯含量降低的比例和瓦斯壓力降低的比例也是存在拋物線關系的。如果煤層預抽率為30%，即殘余瓦斯含量為原始瓦斯的70%，通過計算知此時殘余瓦斯壓力為原始瓦斯壓力值的49%，瓦斯壓力下降量為51%。相對壓力指標法測定鉆孔的有效半徑就是依據這個原理來進行的。首先在煤層打一排測壓孔，如圖1所示，在每個測壓孔裝上壓力表，記錄每個測壓孔的原始壓力P1、P2、P3……Pn；然后進行抽放。觀察各個測壓孔瓦斯變化情況，將瓦斯壓力下降到穩定壓力10%以上的鉆孔視為抽放影響范圍內鉆孔，將距抽放鉆孔最遠的一個抽放影響范圍內鉆孔到抽放鉆孔的距離視為抽放影響半徑。定期觀察每個測壓孔的瓦斯壓力P′1、P′2、P′3……P′n。根據每個測壓孔的原始壓力和抽放后的壓力，可以得到每個測壓孔的預抽率。如果a（a=1、2、3……n）號孔以及a號孔之前的每個測壓孔的瓦斯壓力下降量都大于或等于51%，而a號孔之后的測壓孔都小于51%，那么d=d1+d2+d3+……+da-1，這里的d就是鉆孔的有效抽放半徑。因此，確定鉆孔瓦斯抽放影響半徑的指標為瓦斯壓力下降10%以上，確定抽放有效半徑的指標為瓦斯壓力下降51%以上[3]。

2.2相對瓦斯壓力指標法測定瓦斯抽放半徑的方法和具體步驟

2.2.1相對瓦斯壓力指標法所需材料和物資

（1）鉆機一臺，Ф75mm鉆桿25m，Ф94mm三翼合金鉆頭3個。

（2）測定瓦斯壓力的壓力表8個，U型壓差計3個，乳膠管適量。

（3）封孔使用的Ф50mm鋼管36m（每個孔封孔長度為6m）。

（4）封孔用的馬麗散800kg。

（5）高濃度瓦斯檢定器2臺。

（6）煤氣表2個，連接抽放孔用的橡膠軟管和接頭適量，變徑擋板2個。

（7）計時用表1塊，記錄本1個。

2.2.2相對瓦斯壓力指標法的操作步驟

（1）在1295綜采工作面回風順槽巷道比較平直、無雜物、距離瓦斯抽放管的三通位置較近的地方開始施工1個瓦斯抽放鉆孔煤壁選定位置，然后以間距為1m的標準自抽放孔向外依次施工5個觀測孔；鉆孔的施工參數如表1所示，鉆孔布置圖如圖2所示。

表1 鉆孔施工參數表

圖2 鉆孔布置示意圖

（2）每打好一個孔必須立即進行封孔，封孔后在每個孔的封孔管的外口及時安裝1個壓力表，待瓦斯壓力穩定后及時觀測孔內的原始瓦斯壓力，并且做好瓦斯壓力觀測記錄。

（3）當所有鉆孔的原始瓦斯壓力測定完畢后，將抽放孔用橡膠軟管和接頭與1295回風順槽的瓦斯抽放管相連接，開始進行抽放試驗。

（4）瓦斯抽放鉆孔開始帶抽后，每天安排專人對5個觀測孔內的瓦斯壓力進行測定，并做好詳細的觀測記錄。

（5）試驗鉆孔的觀測時間為20～50d，觀察各個測壓孔瓦斯變化情況，將瓦斯壓力下降到穩定壓力10%以上的鉆孔視為抽放影響范圍內鉆孔，將距抽放鉆孔最遠的一個抽放影響范圍內鉆孔到抽放鉆孔的距離視為抽放影響半徑。定期觀察每個測壓孔的瓦斯壓力P′1、P′2、P′3……P′5。根據每個測壓孔的原始壓力和抽放后的壓力，可以得到每個測壓孔的預抽率。如果a（a=1、2、3、4、5）號孔以及a號孔之前的每個測壓孔的瓦斯壓力下降量都大于或等于51%，而a號孔之后的測壓孔都小于51%，那么d=d1+d2+d3+……+da-1，這里的d就是鉆孔的有效抽放半徑。因此，確定鉆孔瓦斯抽放影響半徑的指標為瓦斯壓力下降10%以上，確定抽放有效半徑的指標為瓦斯壓力下降51%以上。

2.3瓦斯抽放半徑數值的確定

在最初測定觀測孔原始瓦斯壓力時發現1#～5#觀測孔的原始瓦斯壓力極其不穩定，尤其是1#觀測孔最初測定的瓦斯壓力達到400Pa左右，但隨后在抽放孔沒有抽放的情況下又迅速降到負值。經過現場分析和研究決定將瓦斯抽放孔甩掉，將1#觀測孔改為瓦斯抽放孔，將2#～5#孔改為1#～4#觀測孔，來觀測在抽放的情況下其瓦斯壓力的變化情況。改孔后當瓦斯抽放鉆孔的瓦斯抽放負壓達到17KPa時觀測1#～4#觀測孔的數據如表2所示。首先我們通過觀測發現1#、2#、3#、4#觀測孔的原始瓦斯壓力分別為500Pa、60Pa、60Pa、0.1MPa，根據相對瓦斯壓力測定法的原理確定抽放有效半徑的指標為瓦斯壓力下降51%以上，則當瓦斯抽放孔開始帶抽后1#、2#、3#、4#觀測孔原始瓦斯壓力的51%的值分別為255 Pa、30.6Pa、30.6Pa、0.051MPa。在瓦斯抽放孔開始帶抽的情況下我們通過現場實測各個觀測孔的數據發現1#觀測孔在2010年12月14日降到248Pa，這個數值已經小于255Pa，這表明瓦斯抽放鉆孔的抽放半徑已經影響到了1#觀測孔，通過現場實測發現2#觀測孔、3#觀測孔分別于12月17日、12月20日降為負值，同理可以表明瓦斯抽放鉆孔的抽放半徑已經影響到了2#觀測孔、3#觀測孔；我們又連續進行了觀測發現4#觀測孔始終保持0.1MPa的瓦斯壓力，這就表明瓦斯抽放鉆孔的抽放有效半徑始終沒有影響到第4#觀測孔，由于我們設計的鉆孔間距為1m，抽放孔鉆孔距3#觀測孔的距離為3m，由此我們根據相對瓦斯壓力測定法確定出瓦斯抽放鉆孔的抽放半徑為3m，這樣我們設計順層抽放鉆孔的間距為6m最為合理。

3.結語

我們通過用相對瓦斯壓力測定法來測定順層瓦斯抽放鉆孔的抽放半徑，這就為設計順層瓦斯抽放鉆孔的瓦斯抽放間距提供了合理依據，優化了瓦斯抽放設計，提高了采煤工作面的瓦斯抽放效率。2011年10月份黃白茨礦1295綜采工作面在沒有采取相對瓦斯壓力測定法優化順層瓦斯抽放設計之前工作面上隅角瓦斯濃度經常保持在0.8%左右，由于瓦斯的影響嚴重制約了工作面的安全生產；采用相對瓦斯壓力測定法優化順層瓦斯抽放設計以來工作面上隅角瓦斯濃度基本上保持在0.2%～0.4%之間，有效地治理了采空區及上隅角的瓦斯，促進了工作面的安全生產。

【參考文獻】

[1]徐永圻.采礦學.中國礦業大學出版社，2003，07.

[2]煤礦安全規程.國家安全生產監督管理總局.2010，01.

[3]杜澤生，羅海珠.煤礦瓦斯有效抽放半徑的測定計算方法[J].煤炭科學技術，2009，02.