鉆孔流量法在本煤層鉆孔抽采半徑考察中的應用

2019-02-19 13:03:46郭壽松

煤炭工程 2019年1期

郭壽松

(1.瓦斯災害監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有限公司，重慶 400037)

鉆孔瓦斯抽采半徑是指鉆孔內部在不同預抽時間內的有效影響范圍。對于高瓦斯礦井或者突出礦井，確定煤層的合理抽采半徑是實現礦井抽采達標和消除突出危險的最重要技術手段之一。準確掌握鉆孔有效抽采半徑是保障礦井正常采掘銜接及安全高效生產的重要支撐之一。

煤層瓦斯的抽采半徑是一個隨抽放時間變化的冪函數關系式[1-3]。目前瓦斯抽采半徑考察方法主要采用的是壓降法、流量法和示蹤氣體法三種[4-7]。壓降法需要在井下封孔并測定煤層瓦斯壓力，由于測壓封孔質量影響瓦斯抽采作用，時常會出現測壓鉆孔瓦斯壓力突然卸壓的現象，從而造成考察參數不準確，成功率不高。示蹤氣體法需要測定鉆孔內的示蹤氣體，目前從國內的測量設備來看，檢漏儀不能定量檢漏，而且設備對水蒸氣比較敏感，測量難度比較大。流量法則需要定時測定抽采鉆孔的瓦斯流量變化情況，測定工作量較大，投入時間較長。針對目前各種瓦斯抽采半徑考察方法的優缺點，結合肥田煤礦現場實際情況，提出采用鉆孔流量法測定本煤層鉆孔抽采半徑，為礦井抽采設計過程中的鉆孔布置提供參考依據。

1 測定原理

1.1 測定方法

鉆孔瓦斯抽采半徑主要與煤層的瓦斯含量、透氣性系數、抽采鉆孔大小、抽采負壓及抽采時間等因素有關。因此，在對煤層瓦斯含量測定的基礎上，若實現瓦斯抽采達標，通過相互之間的關系計算分析，就可確定鉆孔的瓦斯抽采半徑。在一般情況下，在特定的單元，鉆孔大小、抽采負壓、煤層厚度、透氣性系數均可默認為一定值；因此，鉆孔瓦斯抽采流量q與抽采時間t呈e-αt關系。

鉆孔瓦斯流動主要有徑向穩定流動和非穩定流動兩種，絕大多數煤層的瓦斯流動性質是非穩定流動，隨著鉆孔瓦斯流動時間的增加，鉆孔內瓦斯涌出的強度、鉆孔瓦斯流量衰減也隨之衰減。根據煤層瓦斯流動的理論，鉆孔瓦斯流量隨著時間的推移呈衰減的趨勢，其變化的規律基本上符合負指數方程。因此，鉆孔瓦斯流量與時間的關系式如式(1)所示，鉆孔瓦斯抽采總量如式(2)所示[9-12]。

qt=q0e-αt

(1)

式中，qt為抽采時間t時的鉆孔瓦斯流量，m3/min；q0為鉆孔初始瓦斯抽采量，m3/min；α為鉆孔瓦斯流量衰減系數，d-1；t為瓦斯流動時間，min；Qc為在t時間內鉆孔瓦斯抽采總量，m3。

根據抽采達標要求預測不同鉆孔間距抽采達標的時間，再通過現場實測抽采后的殘余瓦斯含量和計算瓦斯抽采率η得出不同鉆孔間距抽采達標的具體時間，從而得出本煤層抽采鉆孔間距與抽采時間的相關關系[13-15]。

式中，η為瓦斯抽采率，%；Q為有效半徑范圍內煤體瓦斯總儲量，m3。

1.2 測定依據

針對不同瓦斯賦存情況，根據《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》抽采效果應滿足以下標準[16]：

1)對瓦斯涌出量主要來自于開采層的采煤工作面，評價范圍內煤的可解吸瓦斯量滿足采煤工作面回采前煤的可解吸瓦斯量應達到的指標，具體指標見表1。

表1 采煤工作面回采前煤的可解吸瓦斯量應達到的指標

2)對于突出煤層，預期防突效果達標瓦斯壓力或瓦斯含量按煤層始突深度處的瓦斯壓力或瓦斯含量取值；沒有考察出煤層始突深度處的煤層瓦斯壓力或含量時，分別按照0.74MPa、8m3/t取值。

3)對于瓦斯涌出量主要來自于突出煤層的采煤工作面，要同時滿足防突和瓦斯含量達標要求。

4)對瓦斯涌出量主要來自于鄰近層或圍巖的采煤工作面，計算的瓦斯抽采率需滿足采煤工作面瓦斯抽采率應達到的指標，具體指標見表2。

表2 采煤工作面瓦斯抽采率應達到的指標

2 現場試驗考察

2.1 試驗區域概況

現場試驗考察選擇在貴州肥田煤礦的16號煤層，工作面日產量1800t。16號煤層位于龍潭組中段中部，煤層厚度在1.45～2.25m范圍內，平均1.76m，煤層厚度整體變化幅度不大，煤層賦存穩定，為全區可采煤層，鄰近可采煤層有6號、7號、20號、23號。16號煤層平均傾角約為30°，平均厚度約1.8m，平均瓦斯含量10.80m3/t；煤層透氣性系數為0.0529m2/(MPa2·d)，鉆孔流量衰減系數為0.311d-1。肥田煤礦為突出煤層群開采，工作面瓦斯涌出中鄰近層占較大比例，根據礦井瓦斯涌出量預測16號煤層鄰近層瓦斯涌出占56%，開采層瓦斯涌出占44%，工作面瓦斯涌出量為18.46m3/min。

由于肥田煤礦16號煤層始突深度的煤層瓦斯含量、始突深度瓦斯壓力均無實測數據，因此防突預抽效果按照瓦斯含量8m3/t取值；同時瓦斯涌出主要來自鄰近層，根據《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》要求考察計算的采煤工作面瓦斯抽采率需要大于30%。

2.2 考察鉆孔布置

在11161工作面設計4組考察鉆孔，每組4個鉆孔，每組間距8m，實際施工過程中，每組都需測定原始瓦斯含量，鉆孔具體施工參數見表3，試驗區域鉆孔布置如圖1所示。

表3 抽采鉆孔施工參數表

圖1 11161工作面試驗鉆孔布置圖

由圖1所示，在試驗區域由11161運輸巷向工作面施工本煤層考察鉆孔，順層鉆孔設計全煤段長度為60m。自11161運輸巷K0+60m位置向西依次施工4組鉆孔，每組鉆孔間距分別為4m、3m、2m、1m；鉆孔編號依次為1#—16#。為保證每個試驗組之間相互獨立，互不影響，在每個試驗組之間預留8m的空白區域。

鉆孔施工過程中，每組選擇一個鉆孔實測原煤瓦斯含量，并做記錄；鉆孔施工后，采用“兩堵一注”封孔方式進行封孔并及時接收。

2.3 考察結果

對上述4個試驗組鉆孔單孔瓦斯濃度、鉆孔抽采流量及抽采負壓數據進行長期觀測；通過數據的收集及整理并結合式(1)對鉆孔抽采量與抽采時間的關系進行擬合，形成瓦斯抽采流量的衰減模型。不同鉆孔間距百米鉆孔抽采量q與抽采時間t的關系式如下所示：

鉆孔間距1m：q=68.303e-0.0114t(R2=0.8123)

鉆孔間距2m：q=72.516e-0.0113t(R2=0.9293)

鉆孔間距3m：q=75.072e-0.0114t(R2=0.9604)

鉆孔間距4m：q=80.841e-0.0094t(R2=0.8813)

式中，q為平均百米鉆孔抽采量，m3/(d·100m)；t為抽采時間，d。

具體實測參數擬合的瓦斯流量衰減關系式曲線如圖2所示。

2.4 取樣驗證

根據現場實測參數計算分析得出的抽采鉆孔瓦斯流量衰減規律模型，結合式(2)對不同抽采半徑抽采達標8m3/t的時間進行預計。預測鉆孔間距4m、3m、2m、1m抽采達標的抽采時間分別為315d、168d、86d、37d。

圖2 平均百米鉆孔抽采量與抽采時間關系

根據預測時間，進行煤層殘余瓦斯含量的測定及抽采率的計算，測定鉆孔布置于兩個抽采鉆孔之間，取樣鉆孔布置如圖3所示，抽采達標時殘余含量為8m3/t；根據式(3)對工作面抽采達標率進行計算，需同時滿足工作面抽采率η>30%，殘余瓦斯含量測定及工作面抽采達標率計算結果見表4。

圖3 殘余瓦斯含量測點鉆孔布置圖

驗證結果表明通過現場實測參數形成的瓦斯流量衰減模型是非常穩定和可靠的。在一定的瓦斯含量條件以下，本煤層抽采鉆孔間距為4m、3m、2m、1m所對應的實際抽采達標時間分別約為318d、168d、89d、37d。根據以上實測數據繪制抽采半徑R與抽采時間t之間的關系曲線，如圖4所示。由圖4可以看出肥田煤礦16號煤層瓦斯抽采半徑R與抽采時間t成對數關系，有效抽采半徑隨著時間增加而增大，抽采時間為37d、89d、168d、318d對應的有效抽采半徑為0.5m、1m、1.5m、2m，具體關系式為：R=0.7005lnt-2.0749。