布孔間距和抽采時長對K1指標的影響分析

王栓林趙 晶張志榮

(1.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院,北京市朝陽區,100013; 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院),北京市朝陽區,100013)

布孔間距和抽采時長對K1指標的影響分析

王栓林1,2趙 晶1,2張志榮1,2

(1.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院,北京市朝陽區,100013; 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院),北京市朝陽區,100013)

依據鉆屑瓦斯解吸指標K1值的數學表達式,分別求出K1值對瓦斯壓力和抽采時間的偏導數,分析其變化率表明:布孔間距對K1指標的影響程度大于抽采時間,且布孔間距越小,抽采時間越長,K1指標降低越大,消突鉆孔效果越顯著.通過在掘進工作面設計不同布孔間距的消突鉆孔進行測試和對比分析,結合技術經濟合理性分析,優化鉆孔施工工藝和工作面掘進工序,得到最佳消突鉆孔的布孔間距和抽排放時長.

瓦斯突出K1指標 布孔間距 抽采時長 突出預測 消突措施

鉆屑瓦斯解吸指標K1值被廣泛地應用于煤巷掘進和石門揭煤工作面突出危險性預測當中,眾多學者針對其臨界值、測定影響因素等進行分析研究.胡千庭分析認為以K1指標預測以地應力為主導因素的壓出、傾出類動力現象敏感性較差;陳建忠等對潘三礦突出指標的敏感性進行排序,并得出該礦鉆屑瓦斯解吸指標K1為不敏感指標;史廣山等研究表明K1能夠很好地反映瓦斯壓力的大小,并且與瓦斯壓力成冪指數關系;高新春等分析認為瓦斯含量與K1值成對數關系,并據此實現工作面瓦斯含量的快速測定;趙旭生等從鉆屑采樣、鉆孔布置、儀器操作等多方面分析K1值測定誤差的影響因素;孔勝利等通過理論分析確定礦井K1值的臨界值來指導工程實踐.

前人的研究多傾向于K1值在不同條件下的敏感性及其測定的影響因素,但在煤礦生產防突預測和消突鉆孔實施過程當中要實施“四位一體”的防突措施,受采掘接替緊張、防突鉆孔施工時間長、鉆孔抽排放時間短等因素的影響,且多數礦井采用《防治煤與瓦斯突出規定》中的0.5 m L/g·min1/2作為參考臨界值,措施鉆孔的布孔間距和抽排放時長直接影響礦井的安全成本和掘進進度,本文通過理論分析和現場實測對比分析布孔間距和抽采時長對K1指標的影響程度,優化了防突鉆孔施工工序,縮短了消突耗時,給巷道掘進工序提供優化參考建議,生產效益和經濟效益顯著.

1 K1指標理論分析

1.1K1指標的提出

研究表明煤與瓦斯突出主要由地應力、煤層瓦斯壓力和煤體的物理力學性質三方面的因素決定,K1值是目前區域和局部煤與瓦斯突出危險性預測和效果檢驗的主要指標之一,K1源于R.M.Barrer研究天然沸石對各種氣體的吸附速度基礎上測定:

式中:Qt——t時刻煤樣累計瓦斯解吸量,m L/g;

K1——煤樣暴露1 min內的瓦斯解吸量, m L·(g·min1/2)-1.

K1指標的物理意義相當于是煤樣暴露1 min內的瓦斯解吸量,測定出的K1值越大,則突出危險性越大.目前廣泛使用WTC和YTC突出參數測試儀進行K1指標測定,是測定10組數據后采用最小二乘法擬合計算得出的,其值的大小主要受煤樣的分鐘瓦斯解吸量影響.

1.2K1指標影響理論分析

當掘進工作面K1指標超過臨界值時,需要施工消突鉆孔,通過排放或者抽放來降低突出危險性.煤體瓦斯解吸規律是K1指標的基礎理論支撐,瓦斯在原始煤體中的賦存包括游離和吸附兩種狀態,并處于動態平衡狀態,當受到抽排放鉆孔施工等外界擾動影響時,吸附瓦斯會向游離態轉化,增加瓦斯解吸量,這種轉化遵循煤體瓦斯解吸規律.通常使用排放半徑或者抽放半徑作為消突鉆孔設計的基礎依據.

史廣山等根據擴散理論和鉆屑瓦斯解吸指標K1的物理意義推導出:

式中:D——擴散系數,m2/s;

d——煤粒半徑,m;

a、b——吸附常數;

P——煤層瓦斯壓力,MPa;

Mad——水分,%;

Aad——灰分,%;

λ——孔隙率,%;

n——自然數,1,2,3,…;

γ——視密度,t/m3.

針對山西省呂梁宏巖煤礦6＃煤層運輸下山掘進面,將D＝1×10-10m2/s,d＝2 mm,n＝100,a＝29.942 m3/t,b＝0.750 MPa-1,Mad＝0.40%,Aad＝6.88%,λ＝19.26%,γ＝1.28 t/ m3代入式(2),得:

本文結合工作面掘進和抽排放鉆孔施工時間接續緊張的問題,主要從抽排放鉆孔布孔間距和抽采時長兩個方面進行理論分析,通過K1指標對P1的偏導數式(5)和K1指標對時間t的偏導數式(6)的比較,P1的變化率要大于時間t的變化率,推斷煤層瓦斯壓力比抽采時長對K1指標的影響程度大.

理論分析認為:布孔間距對K1指標的影響程度大于抽采時間,且布孔間距越小,抽采時間越長,K1指標降低越大,消突鉆孔效果越顯著.

2 K1指標測試分析

2.1 掘進工作面概況

山西省呂梁市宏巖煤礦設計產能90萬t/a,可采煤層為山西組4＃、5上＃煤層和太原組6＃、9＃、10＃煤層,目前主要開采9＃、10＃煤層.9＃煤層位于太原組下部,上距6＃煤層平均34.14 m,煤層厚度0.96～1.90 m,平均1.58 m,結構簡單,含0～1夾矸,頂板巖性為中砂巖、砂質泥巖、粉砂巖,底板為泥巖、砂質泥巖、炭質泥巖;10＃煤層位于太原組中部,上距9＃煤層平均2.85 m.煤層厚度3.89～6.80 m,平均5.09 m,結構復雜,含夾矸1～4層,煤層厚度大且穩定,屬穩定全區可采煤層,頂板為砂質泥巖、泥巖,底板為泥巖、砂質泥巖,在井田內東部與9＃煤層合并為9＃+10＃煤層,屬穩定全區可采煤層.運輸下山掘進工作面布置在9＃+10＃煤層中,沿10＃煤層底板掘進,巷道上部預留600 mm煤層,主要用于9＃+10＃煤層回采運輸.

運輸下山設計矩形斷面凈寬4.5 m,凈高4.5 m,凈斷面20.25 m2,巷道長度為1455 m,采用錨網噴+錨索+鋼帶聯合支護.

2.2 消突鉆孔設計

該礦井瓦斯等級鑒定為高瓦斯礦井,在掘進過程中加強了瓦斯基礎參數的測試,測定瓦斯含量為10 m3/t,煤的堅固系數值為0.14,瓦斯放散初速度為16.2～19.8 mm Hg,按照掘進工作面局部防突管理.

根據礦井采掘情況,及時測定瓦斯解吸指標K1值和鉆屑量S值,為方便對比分析,運輸下山掘進至420 m處(方案Ⅰ)時,施工?94 mm的抽排放鉆孔,間排距為0.8 m×0.8 m,具體鉆孔參數如表1所示,斷面布置如圖1(a)所示.當掘進至519 m處(方案Ⅱ)時,施工?94 mm的抽排放鉆孔,間排距為1.0 m×1.0 m,具體鉆孔參數如表1所示,斷面布置如圖1(b)所示.

圖1 運輸下山巷道斷面抽排放鉆孔

表1 運輸下山420 m和519 m處抽排放鉆孔參數

2.3K1值測試方案

2015年4月25日開始在運輸下山掘進工作面測定K1值,4月27日測試K1值為0.52 m L/g· min1/2,超過臨界值0.5 m L/g·min1/2,5月1日-6日依據消突鉆孔設計在運輸下山420 m處正前施工抽排放鉆孔23個,5月31日-6月3日在運輸下山519 m處施工抽排放鉆孔14個,依據《鉆屑瓦斯解吸指標測定方法(AQ/T1065-2008)》進行瓦斯解吸指標K1值和鉆屑量S值跟蹤測試.

2.4 測試結果對比分析

將運輸下山跟蹤測試的鉆屑解吸指標K1值和鉆屑量S值的測定數據繪制成曲線見圖2.

圖2中Ⅰ位置為420 m處施工23個鉆孔的位置,Ⅱ位置為519 m處施工14個鉆孔的位置,施工后在掘進過程當中K1值均能夠降到參考臨界值0.5 m L/g·min1/2以下,但是由于位置Ⅰ抽排放鉆孔布孔間距小于位置Ⅱ,位置Ⅰ后續掘進期間K1值明顯小于位置Ⅱ,且在掘進的100 m過程當中,K1值一直處于0.2～0.3 m L/g·min1/2的低位水平,測試表明抽排放鉆孔的布孔間距對K1指標有很大影響,布孔間距越小,檢驗消突工作面突出危險性效果的K1指標測定值越小,鉆屑量S值變化不明顯.

圖2 K1和S值跟蹤測試曲線

3 技術經濟分析

將方案Ⅰ和方案Ⅱ設計的消突鉆孔分別作為局部消突措施時,對各方案的鉆孔施工時間、月度有效掘進時間、掘進進尺、鉆孔施工成本4方面進行對比,具體見表2,并繪制施工進度見圖3.

表2 方案Ⅰ和方案Ⅱ對比分析

圖3 抽排放鉆孔施工月進度

通過方案Ⅰ和方案Ⅱ的對比分析,方案Ⅰ的鉆孔施工成本較高,方案Ⅱ的有效掘進時間較長,在均能達到消突效果的前提下,方案Ⅰ巷道掘進的防突瓦斯治理成本為1682.54元/m,方案Ⅱ為851.95元/m,從技術經濟的角度出發考慮,方案Ⅱ要優于方案Ⅰ,因此在實際中要考慮抽排放鉆孔的合理間距,以達到技術經濟最優化.

4 結論

(1)理論分析和現場測試表明:抽排放鉆孔的布孔間距對K1指標的影響程度大于抽采時間,且布孔間距越小,抽采時間越長,K1指標降低越大,消突鉆孔效果越顯著.

(2)在局部消突鉆孔設計布置過程當中,除考慮以抽采半徑為基礎之外,還要結合技術經濟比較來確定抽排放鉆孔的合理間距.

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(責任編輯 張艷華)

Analysis of influence of borehole layout and drainage duration on K1index

Wang Shuanlin1,2,Zhao Jing1,2,Zhang Zhirong1,2
(1.Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute,Chaoyang,Beijing 100013,China; 2.State Key Laboratory of Efficient Exploitation and Utilization of Coal Resources (China Coal Research Institute),Chaoyang,Beijing 100013,China)

Based on the mathematics equation for gas desorption index of drilling chips (K1),partial derivative ofK1value on gas pressure and pumping time was calculated and analysis of its variation ratio indicated that the extent of influence of hole spacing onK1index is greater than that of drainage time,and smaller borehole spacing and longer drainage duration meant smallerK1index,which reflected more significant outburst control performance.Comparative measurement and analysis of outburst removing conditions with different design spacing layout at driving face,associated with technical and financial feasibility analysis,helped optimize drilling techniques and driving procedures at working face,figuring out optimum borehole layout and drainage duration for outburst-removing.

gas outburst,K1index,borehole layout,drainage duration,outburst prediction,outburst removing

TD713

A

王栓林(1983-),男,山西繁峙人,助理研究員,碩士,主要從事煤礦瓦斯治理與利用工程技術方面的科研和管理工作。