突出危險性煤層瓦斯抽采長鉆孔合理間距的確定

王雪芹，鄭 雷

(烏海職業技術學院，內蒙古 烏海 016000)

突出危險性煤層瓦斯抽采長鉆孔合理間距的確定

王雪芹，鄭 雷

(烏海職業技術學院，內蒙古 烏海 016000)

為了確定具有突出危險性煤層瓦斯抽采走向長鉆孔的合理間距，選擇試驗場地后利用六氟化硫氣體示蹤法測定抽放影響范圍，通過對現場施工示蹤氣體注氣鉆孔進行連續對比觀測和分析，確定了瓦斯抽采走向長鉆孔在具有突出危險性煤層中布置的合理間距，為科學布孔提供了依據，避免了瓦斯抽放空白帶的出現，防突效果明顯。

瓦斯抽采； 突出危險性； 長鉆孔； 合理間距

1 前言

在具有突出危險性煤層進行開采之前，需要先進行煤層瓦斯的預抽工作，降低其瓦斯涌出量，以便在煤炭開采時能夠有效地避免或消除各種瓦斯事故，進而保證礦井的安全生產[1]。根據煤層內瓦斯流動的特性，鉆孔瓦斯徑向流動可用式(1)來表示：

(1)

在前人的理論研究當中，鉆孔瓦斯流量Q與煤層厚度M、煤層透氣性系數λ、煤層原始瓦斯壓力p0、鉆孔內瓦斯壓力pr0、標準大氣壓力pb、鉆孔半徑r0、抽放半徑R等因素有關。在式(1)中，若增大鉆孔孔徑，能夠起到增加瓦斯抽放量的效果，但它們之間的增加關系非常緩慢[2]，而實際現場施工中又不可能無限擴大鉆孔孔徑，這樣做費工費時且難以實現。還有一種方法是利用提高抽放負壓來增加抽采率[3]，則根據式(1)，由于煤層原始瓦斯壓力和鉆孔內瓦斯壓力都與鉆孔瓦斯流量成正比，而煤層原始瓦斯壓力要比鉆孔瓦斯壓力大很多，所以就算抽到真空狀態也不會對抽采率的增加產生多大的影響[4]。通常在限定的預抽期間內，煤層內瓦斯抽采率往往決定于抽采鉆孔的設計參數[5]。

2 礦井煤層概況

內蒙古烏海市平溝煤礦主采煤層為太原組16#煤層，地層構造為向西單斜構造，走向176°，平均傾角8.6°。煤層頂板巖性為碳頁巖、泥頁巖，底板巖性為沙質頁巖、頁巖、碳頁巖，煤層賦存相對穩定，無大的地質構造帶。該煤層透氣性系數為0.129～0.611m2/(MPa2·d)，絕對瓦斯涌出量為44.3m3/min，相對瓦斯涌出量為14.1m3/t，瓦斯含量為11.67m3/t，屬于透氣性低瓦斯含量高的煤層，實測16#煤層瓦斯壓力3.89MPa，大大高于《防治煤與瓦斯突出規定》中煤層瓦斯壓力臨界值0.74MPa的要求，該煤層有煤與瓦斯突出的危險。

3 布孔間距理論分析

3.1 鉆孔瓦斯流量的衰減規律

依據煤層瓦斯流動理論，當流動性質是非穩定狀態時，鉆孔內的瓦斯流量會隨著時間t的增加呈現出衰減的變化規律，這個規律可以用式(2)來表示：

q(t)=q0e-at

(2)

式中：q(t)——鉆孔瓦斯流量，m3/(min·hm)；

q0——鉆孔的初始瓦斯流量，m3/min；

a——鉆孔瓦斯流量衰減系數，d-1。

3.2 布孔間距方程式的推導

利用式(2)可推算出經t(d)時間單個鉆孔瓦斯抽放總量為：

(3)

式中：Qc——經t(d)時間單個鉆孔瓦斯抽放的總量，m3；

L——鉆孔長度，m；

q(t)——鉆孔經t時間排放的瓦斯流量，m3/(min·hm)。

鉆孔抽采范圍內控制的瓦斯儲量QH可用式(4)表示：

QH=ρMHW

(4)

式中：ρ——煤的密度，t/m3；

M——煤層平均厚度，m；

H——鉆孔間距，m；

W——煤層原始瓦斯含量，m3/t。

利用式(3)和式(4)經t(d)時間瓦斯抽采率η可表示為：

(5)

進而可推導出由抽采率η為主要考慮因素的布孔間距為：

(6)

鉆孔間距與抽采率存在一定范圍內的比例關系，而鉆孔間距又與鉆孔的有效抽放半徑直接相關，隨著抽放時間t的增長，鉆孔的有效抽放半徑會漸漸增大(即擴大了抽放區域)，但當抽放時間t增長到臨界值時，鉆孔的有效抽放半徑就會達到極值[6](即極限抽放半徑)。如果兩個鉆孔的間距大于這個極限抽放半徑兩倍以上，則盡管抽放時間不斷增長，但兩個鉆孔之間煤層中的瓦斯總是存在抽不出的空白部分。相反，如果兩個鉆孔間距太小，即布孔過密，就會導致鉆孔在抽放瓦斯過程中容易出現串孔現象，并且使鉆孔成本升高[7]。由此可見，鉆孔間距選擇的合理與否是非常關鍵的。

4 走向長鉆孔布置間距確定

測定具有突出危險性煤層瓦斯抽采走向長鉆孔合理間距時包括如下步驟。

(1)在具有瓦斯突出危險性煤層走向長鉆孔間距設置的較大區域內，選一圍巖穩定、空間大、巷道坡度小、地勢比較平坦的地方布置試驗場地，設置這一區域相鄰的且間距較大的走向長鉆孔作為六氟化硫示蹤氣體抽放測試鉆孔。

(2)在對示蹤氣體抽放測試鉆孔封孔時先插入一根注氣管，然后再將一根蛇皮管捆綁鐵絲后作為注漿管下入示蹤氣體抽放測試鉆孔中，用手動注漿泵灌入水泥砂漿及水玻璃的混合物進行封孔。其中，水和水泥質量比為0.6∶1.0，水泥砂漿與水玻璃的體積比為1.0∶0.7。注漿時，需要一邊注一邊緩慢退蛇皮管，直至封孔完成，注漿凝固時間不低8h。然后在示蹤氣體抽放測試鉆孔外裝配相應編號的閥門、壓力表和氣體濃度鑒定管。

(3)封好示蹤氣體抽放測試鉆孔后，需要在其兩側分別打六氟化硫示蹤氣體注氣鉆孔QK1與QK2。在打測試鉆孔時，采用ZDY2400液壓鉆機施工，為防止出現鉆孔坍塌和穿層現象，施工時要嚴格進行直壁施工，確保成孔，同時不要反復進鉆退鉆，要壓力適中，輕壓慢轉，連接鉆桿時注意對準絲扣，避免歪斜，鉆桿要上緊卡牢，要人工撤接鉆桿，必須在安完第一根后再安下一根，施工過程中需要隨時監測排粉量。成孔后，注氣鉆孔QK1距抽放測試鉆孔的距離設為KJ1，注氣鉆孔QK2距抽放測試鉆孔的距離設為KJ2，并令KJ2>KJ1，用步驟(2)所示過程留好注氣管和氣體濃度鑒定管，并按照AQ1027- 2006《煤礦瓦斯抽放規范》將六氟化硫示蹤氣體注氣鉆孔進行封孔，封孔長度為6m，封孔材料為聚氨酯。

(4)打開示蹤氣體注氣裝置，并打開兩個示蹤氣體注氣鉆孔的注氣閥門，注入六氟化硫示蹤氣體，當兩個注氣鉆孔內的壓力穩定后，關閉注氣閥門。

(5)將六氟化硫氣體抽放測試鉆孔解除封孔，進行氣體抽放操作，檢測示蹤氣體抽放測試鉆孔中六氟化硫氣體濃度變化情況，與此同時，檢測示蹤氣體注氣鉆孔QK1和QK2中六氟化硫氣體濃度變化情況，此外，為了便于比對檢測效果需同時檢測示蹤氣體抽放測試鉆孔左右相鄰的兩個走向長鉆孔中的六氟化硫氣體濃度變化情況。

(6)令最大可能抽放影響范圍等于所有未被有效影響到的示蹤氣體注氣鉆孔中距所述示蹤氣體抽放測試鉆孔距離的最小值(即示蹤氣體抽放測試鉆孔沒有檢測到示蹤氣體注氣鉆孔QK1和QK2中的六氟化硫氣體)，最小可能抽放影響范圍等于所有被有效影響到的示蹤氣體注氣鉆孔中距所述示蹤氣體抽放測試鉆孔距離的最大值(即示蹤氣體抽放測試鉆孔均檢測到示蹤氣體注氣鉆孔QK1和QK2中的六氟化硫氣體，示蹤氣體注氣鉆孔QK1和QK2中的六氟化硫氣體濃度有不同程度變化)，如果在所處的測定階段沒有被有效影響到的示蹤氣體注氣鉆孔，則可以說明最小可能抽放影響范圍為零。

(7)如果在所處的測定階段中最小可能抽放影響范圍等于KJ2，則需重復以上所有步驟重新打鉆孔，要求在示蹤氣體注氣孔QK2遠離示蹤氣體抽放測試鉆孔一側開打示蹤氣體注氣鉆孔QK3，距示蹤氣體抽放測試鉆孔距離為KJ3(如果試驗孔之間距離較近，在重復新打鉆孔步驟時，可在示蹤氣體抽放測試鉆孔左右相鄰的兩個走向長鉆孔外側進行打孔施工)。其中，KJ3>KJ2，并且與示蹤氣體注氣鉆孔QK2和QK3分別對應的兩個抽放測試鉆孔之間的距離大于這兩個注氣鉆孔到抽放測試鉆孔的距離之和。

(8)如果最大可能抽放影響范圍與最小可能抽放影響范圍的差值小于或等于所述示蹤氣體抽放測試鉆孔所處煤層氣體抽放有效范圍的允許誤差時，結束測試工作，抽放有效范圍等于最小可能抽放影響范圍；否則進行步驟(9)。

(9)在所述示蹤氣體抽放測試鉆孔與最大可能抽放影響范圍所對應的示蹤氣體注氣鉆孔的連線上距所述示蹤氣體抽放測試鉆孔的距離為(最大可能抽放影響范圍+最小可能抽放影響范圍)/2處開設新的示蹤氣體注氣鉆孔，重新確定最大可能抽放影響范圍和最小可能抽放影響范圍，然后進行步驟(8)；經過一段時間監測后，如果示蹤氣體注氣鉆孔中的六氟化硫氣體濃度急劇下降，即認為所述示蹤氣體注氣鉆孔被有效影響到，如果六氟化硫氣體濃度沒有發生明顯變化則認為所述示蹤氣體注氣鉆孔未被有效影響到。

測試過程施工圖如圖1所示。

圖1 測試過程施工示意圖

5 結語

鉆孔有效的抽放影響范圍直接影響著鉆孔的布置間距。鉆孔間距對于極限抽放量和最大預抽率影響較大[8]，抽放鉆孔布置間距合理能夠確保煤層在預抽期達到所期望的抽采率，從而防止煤層煤與瓦斯突出的發生。通過在16#煤層試驗場地區域內實施測定方案數據的研究，確定了走向長鉆孔的布置間距為17m，在后期應用該走向長鉆孔抽采間距過程中，使得該煤層瓦斯預抽率有效提升至43%，其煤層殘余瓦斯壓力和殘余瓦斯含量與《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》中對突出采面的要求相符，說明此鉆孔間距對具有突出危險性煤層瓦斯抽放是行之有效的。

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[2] 關聯合,高 亮.本煤層瓦斯抽采半徑測定技術研究與實踐[J].中國煤炭,2014,(9):111-113.

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[8] 李 波,孫東輝,張路路，等.煤礦順層鉆孔瓦斯抽采合理布孔間距研究[J].煤炭科學技術,2016,44(8):121-126,155.

Determination of reasonable spacing of long borehole in coal seam with gas outburst danger

In order to determine the reasonable spacing of strike long borehole in coal seam with gas outburst danger, choosing test site and using SF6 gas tracing method measured the influence range of gas drainage. Through continuous contrast observation and analysis of injected gas borehole, the reasonable distance of long drainage borehole in coal seam with gas outburst danger was determined. This provided a basis for the scientific distribution of gas drainage boreholes and avoided blank zone of gas drainage. The outburst prevention effect is obvious.

gas drainage; outburst danger; long borehole; reasonable distance

TD713+.3

A

2017-- 02-- 13

王雪芹(1981-)，女，講師，長期從事采礦工程教學與礦業系統工程研究工作。

內蒙古自治區高等學校科學研究項目(NJZY364)

1672-- 609X(2017)04-- 0034-- 04