穿层钻孔各煤层瓦斯抽采比例计算方法及应用_徐青伟.pdf

第 44 卷 第 6 期煤田地质与勘探Vol. 44 No.6 2016 年 12 月COALGEOLOGY 2. Guizhou Qianxi Energy Development Co., LTD., Qinglong Coal Mine, Bijie 551700, China Abstract To measure the gas extraction ratio and the residual gas content of different seams during gas extraction of multiple seams through crossing boreholes, the paper put forward the corresponding solutions respectively. It was proposed that when calculating the gas extraction ratio of different seams during gas extraction of multiple seams through crossing boreholes, the product of the seam thickness, the primitive gas content and the permeability coefficient were used as the correlative parameter of gas extraction, Determining the multi-seam gas extraction borehole gas extraction ratio of each layer, proposed coal seam thickness, the original gas content, the product of permeability coefficient as the amount of extraction-related, the extraction-related normalized is calculated, considering the main influence factors of penetration borehole gas extraction. When prediction residual gas content of penetration borehole extraction multi-seam gas, the original gas content and gas extraction volume of each ton were used, gas extraction volume of each ton is related with penetration borehole total gas extraction quantity, gas extraction ratio in the coal seam, and the coal seam reserves. The results showed, the multi-seam gas extraction borehole gas extraction ratio of each layer proposed, the maximum relative error is 2.03 compared with measured results on site, can meet the need of engineering practice. Keywords penetration borehole; multi-seam gas extraction; gas extraction ratio; residual gas content 穿层钻孔预抽煤层瓦斯是煤与瓦斯突出矿井主 要区域的消突措施，对于保障矿井的安全生产具有 积极意义。在矿井具备煤层群开采的条件下，通常 用穿层钻孔同时抽采多煤层瓦斯来防治矿井的瓦斯 灾害。关于穿层钻孔预抽煤层瓦斯的研究，主要集 中在钻孔有效抽采半径的测定上，钻孔有效抽采半 ChaoXing 170煤田地质与勘探第 44 卷 径的测定方法有数值模拟法[1-3]、示踪气体法[4-5]及 基于瓦斯含量、瓦斯压力、瓦斯流量等参数的测定 方法[6-9]。钻孔有效抽采半径的测定，为矿井的安全 生产提供了保障，但穿层钻孔同时抽采多煤层瓦斯 时，穿层钻孔在各煤层瓦斯抽采比例的理论计算方 法及现场检验未见相关的研究报道。因此，迫切需 要研究穿层钻孔多煤层瓦斯抽采各煤层瓦斯抽采比 例的测定方法。 煤层残余瓦斯含量是瓦斯治理的重要基本参 数，也是矿井安全的重要考察指标之一。 煤矿安全 规程[10]和防治煤与瓦斯突出规定[11]将残余瓦 斯含量 8 m3/t 作为煤与瓦斯突出判定的临界值，因 此，准确测定煤层残余瓦斯含量对矿井安全生产具 有重要意义。对于煤层残余瓦斯含量的测定，普遍 采用井下直接法测定。间接法测定煤层瓦斯含量的 研究较少，其原理是建立在煤吸附瓦斯理论的基础 上，朱红青等[12]、朱拴成等[13]基于此预测了煤层残 余瓦斯含量；刘永涛等[14]对现有的瓦斯含量测定系 统进行了改进。 但对于穿层钻孔多煤层瓦斯抽采时， 各煤层残余瓦斯含量的预测未见研究报道。因此， 穿层钻孔多煤层瓦斯抽采时，需要对各煤层残余瓦 斯含量的预测方法进行研究。 为了解决上述两个问题， 本文提出了一种穿层 钻孔多煤层瓦斯抽采各煤层瓦斯抽采比例的计算 方法，而且进行了现场验证，并将此计算方法应用 于穿层钻孔多煤层瓦斯抽采时煤层残余瓦斯含量 的预测。 1穿层钻孔多煤层瓦斯抽采各煤层瓦斯抽采比 例计算方法 1.1问题的提出 若矿井具备煤层群开采的条件，且各煤层之间 的间距不是太大，通常用穿层钻孔同时抽采多煤层 瓦斯，既节省大量人力及物力成本，又提高了穿层 钻孔单孔的瓦斯抽采量。底抽巷向上穿层钻孔抽采 多煤层瓦斯的示意图如图 1 所示。 图 1穿层钻孔多煤层瓦斯抽采剖面示意图 Fig.1The schematic diagram of borehole multi-seam gas drainage 从底抽巷施工的穿层钻孔同时穿过多个煤层进 行瓦斯抽采图 1。穿层钻孔抽采多煤层瓦斯时，需 要掌握一个重要的参数，即穿层钻孔在各煤层的瓦 斯抽采比例。得到了穿层钻孔在各煤层的瓦斯抽采 比例，可以进行煤层残余瓦斯含量的预测，也可为 矿井的其他措施提供基础依据。 1.2穿层钻孔在各煤层瓦斯抽采比例的计算方法 穿层钻孔抽采多煤层瓦斯时，影响钻孔在各个煤 层瓦斯抽采量的因素是多方面的，主要包括煤层厚度、 原始瓦斯含量及煤层透气性系数等因素穿层钻孔抽采 多煤层瓦斯时，各煤层的钻孔抽采孔径相等，抽采负 压相等，并假设各煤层温度相等，地质构造相同。其 中，煤层厚度越大，穿层钻孔在该煤层的瓦斯抽采量 越大；原始瓦斯含量越大，穿层钻孔在该煤层的瓦斯 抽采量越大；煤层透气性系数越大，穿层钻孔在该煤 层的瓦斯抽采量也越大，即穿层钻孔在各个煤层的瓦 斯抽采量与该煤层的厚度、原始瓦斯含量及透气性系 数是成正相关的关系。假设常数C 瓦斯抽采相关量 是煤层的厚度、原始瓦斯含量、透气性系数 3 个因素 的乘积，该数值的大小与穿层钻孔在该煤层的瓦斯抽 采量相对应，表达式如式1 abc iiii CA L W1 式中 i C表示第i层煤的瓦斯抽采相关量； i L表示第 i层煤的厚度， m； i W表示第i层煤的原始瓦斯含量， m3/t； i 表示第i层煤的透气性系数，m2/MPa2d； A表示系数，, ,a b c表示参数。  12 ,,, n C CC假设穿层钻孔抽采的煤层数为 n表示穿层钻孔在各煤层的瓦斯抽采相关量，归一 化 可 得 穿 层 钻 孔 在 各 煤 层 的 瓦 斯 抽 采 比 例  12 ,,, n u uu 12, , i i n C u CCC   2 2穿层钻孔在各煤层瓦斯抽采比例的检验 2.1试验地点 在青龙煤矿进行穿层钻孔多煤层瓦斯抽采各煤 层瓦斯抽采比例的检验工作，青龙煤矿位于贵州省 黔西县谷里镇，属于煤与瓦斯突出矿井，生产能力 120万t/a，16、18号煤层为主要可采煤层。16号煤 层平均埋深为166 m，煤层倾角12，距离下方的 18号煤层平均间距24 m。 为了更有效地治理16、18号煤层的瓦斯问题， 从底抽巷施工的穿层钻孔同时抽采16、18号煤层 的瓦斯，因此有必要考察穿层钻孔在16、18号煤 层的瓦斯抽采比例， 为残余瓦斯含量的预测工作提 ChaoXing 第6期徐青伟等穿层钻孔各煤层瓦斯抽采比例计算方法及应用171 供基础。 为了考察穿层钻孔在16、18号煤层的瓦斯抽采 比例，在11615底抽巷施工一组两个穿层钻孔， 两个穿层钻孔相隔20 m，底抽巷穿层钻孔抽采16、 18号煤层瓦斯的示意图如图2。 图 2穿层钻孔抽采 16、18 号煤层瓦斯剖面示意图 Fig.2The penetration borehole extraction No.16，18 coal seam gas 在施工的两个穿层钻孔中，一个钻孔只对16号 煤层的瓦斯进行抽采，另一个钻孔只对18号煤层的 瓦斯进行抽采。16、18号煤层的煤层瓦斯参数见表1。 表 1煤层瓦斯参数表 Table 1Coal seam gas parameters 煤层厚度/m 原始瓦斯含量 /m3t–1 透气性系数 /m2MPa2d –1 162.8815.627.62 183.1816.417.05 2.2穿层钻孔在各煤层瓦斯抽采比例的理论计算 已知各煤层的厚度、原始瓦斯含量、透气性系数等 参数后， 便可按照式1、式2求得穿层钻孔在各煤层的 瓦斯抽采比例。但式1中系数A及参数, ,a b c仍未知， 需要进行多组现场试验方可确定其取值，由于本文仅进 行了一组现场试验，故需对式1进行简化。假设系数A 及参数, ,a b c都取值常数1，则式1可简化为 iiii CLW3 由表1中16、18号煤层的厚度、 原始瓦斯含量、 透气性系数及式3可得16、18号煤层的瓦斯抽采 相关量为342.79,367.90 由式2归一化处理可得0.482,0.518 即穿层钻孔在16、18号煤层的瓦斯抽采比例分 别为48.2、51.8。 2.3穿层钻孔在各煤层瓦斯抽采比例的现场检验 在11615底抽巷施工两个穿层钻孔后进行瓦斯 抽采，并记录每个穿层钻孔每日的瓦斯抽采量。 2015-05-012015-05-31日穿层钻孔每日的瓦斯抽 采量较稳定， 故选取穿层钻孔在2015年5月份的瓦 斯抽采量进行统计分析。分别单独抽采16、18号煤 层瓦斯的穿层钻孔2015年5月份每日的瓦斯抽采量 见图3。 图 3穿层钻孔日瓦斯抽采量 Fig.3The penetration borehole gas extraction quantity everyday 单独抽采16号煤层瓦斯的穿层钻孔2015年5 月份的瓦斯抽采量为8 944 m3，单独抽采18号煤 层瓦斯的穿层钻孔2015年5月份的瓦斯抽采量为 9 244 m3，可得穿层钻孔在16、18号煤层的瓦斯抽 采比例分别为49.2、50.8。 2.4结果分析 穿层钻孔在16、18号煤层的瓦斯抽采比例，其 理论计算值与现场实测值如表2。 表 2瓦斯抽采比例结果 Table 2The result of gas extraction ratio 项目 瓦斯抽采比例/ 16号煤层 18号煤层 理论计算48.251.8 现场实测49.250.8 由表2可知， 穿层钻孔进行多煤层瓦斯抽采时， 其理论计算结果与现场实测结果较为接近，最大相 对误差仅为2.03，能够满足工程实践的需要，可 见本文提出的穿层钻孔多煤层瓦斯抽采各煤层瓦斯 抽采比例的计算方法是正确的。 3穿层钻孔多煤层瓦斯抽采各煤层残余瓦斯含 量预测方法 得到穿层钻孔多煤层瓦斯抽采各煤层瓦斯抽采 比例，可根据煤层原始瓦斯含量及吨煤瓦斯抽采量 计算煤层残余瓦斯含量。穿层钻孔多煤层瓦斯抽采 各煤层残余瓦斯含量预测公式为 r iii WWW c 4 式中 r i W表示第i层煤的残余瓦斯含量，m3/t； i W表 示第i层煤的原始瓦斯含量，m3/t， c i W表示穿层钻 孔在第i层煤的吨煤瓦斯抽采量，m3/t。 ChaoXing 172煤田地质与勘探第44卷 穿层钻孔在第i层煤的吨煤瓦斯抽采量计算公 式为 c c i i i Q u W G 5 式中 c Q表示穿层钻孔总的瓦斯抽采量，m3； i u表 示穿层钻孔在第i层煤的瓦斯抽采比例； i G表示第i 层煤的质量，t。 第i层煤的质量计算方法如下 iii GSL6 式中S表示考察区域的面积，m2； i L表示第i层煤 的煤层厚度，m； i 表示第i层煤的密度，t/m3。 4结 论 a. 为了计算穿层钻孔多煤层瓦斯抽采各煤层瓦 斯抽采比例，通过将煤层厚度、原始瓦斯含量、透气 性系数的乘积归一化处理来获得，考虑了穿层钻孔多 煤层瓦斯抽采的主要影响因素，符合矿井实际情况。 b. 通过理论计算与现场实测穿层钻孔多煤层瓦 斯抽采各煤层瓦斯抽采比例可知，其结果较为接近， 最大相对误差仅为2.03， 能够满足工程实践的需要。 c. 将穿层钻孔多煤层瓦斯抽采各煤层瓦斯抽采 比例的计算方法，用于穿层钻孔多煤层瓦斯抽采各煤 层残余瓦斯含量的预测，为煤层残余瓦斯含量的预测 提供一种新途径， 丰富了煤层残余瓦斯含量预测理论。 d. 若现场进行了多组穿层钻孔多煤层瓦斯抽 采各煤层瓦斯抽采比例的实测工作，可进一步确定 式 abc iiii CA L W中系数A及参数, ,a b c的取值，使 得本文提出的穿层钻孔多煤层瓦斯抽采各煤层瓦斯 抽采比例计算方法更加完善。 参考文献 [1] 王兆丰， 周少华， 李志强. 瓦斯抽采钻孔有效抽采半径的数值 计算方法[J]. 煤炭工程，2011，43682‒ 84. WANG Zhaofeng，ZHOU Shaohua，LI Zhiqiang. Numerical calculation of effective drainage radius for gas drainage borehole[J]. Coal Engineering，2011，43682‒ 84. [2] 刘世通. 辛置煤矿水力压裂卸压增透影响半径数值模拟研究[J]. 中国安全生产科学技术，2013，9244‒ 48. LIU Shitong. Numerical simulation of pressure relief and antireflection radius influenced by hydraulic fracturing in Xinzhi coal mine[J]. Journal of Safety Science and Technology，2013， 9244‒ 48. [3] 袁奎，何启林，李同锁，等. 正明矿穿层钻孔有效抽放半径的 研究[J]. 中国安全生产科学技术，2014，10192‒ 97. YUAN Kui，HE Qilin，LI Tongsuo，et al. Study on effective drainage radius of layer drilling at Zhengming mine[J]. Journal of Safety Science and Technology，2014，10192‒ 97. [4] 郝天轩， 宋超. 数值模拟结合 SF6示踪法确定煤层钻孔瓦斯抽 采有效半径[J]. 中国安全科学学报，2013，23122‒ 27. HAO Tianxuan ， SONG Chao. Determining gas extraction effective radius of bore-hole in coal seam by numerical simulation and SF6gas tracer [J]. China Safety Science Journal，2013，23122‒ 27. [5] 关联合，高亮. 本煤层瓦斯抽采半径测定技术研究与实践[J]. 中国煤炭，2014，409111‒ 113. GUAN Lianhe ， GAO Liang. Research and practice of radius measurement technology of gas drainage from active coal seam [J]. China Coal，2014，409111‒ 113. [6] 刘三钧，马耕，卢杰，等. 基于瓦斯含量的相对压力测定有效 半径技术[J]. 煤炭学报，2011，36101716‒ 1719. LIU Sanjun ， MA Geng ， LU Jie ， et al. Relative pressure determination technology for effective radius found on gas content[J]. Journal of China Coal Society ， 2011 ， 3610 1716‒ 1719. [7] 李子文， 林柏泉， 郭明功. 基于一维径向流动确定钻孔瓦斯抽 采有效影响半径[J]. 煤炭科学技术，2014，421262‒ 64. LI Ziwen，LIN Baiquan，GUO Minggong，et al. Determination on effective influence radius of gas drainage through borehole based on one-dimensional radial flow[J]. Coal Science and Technology，2014，421262‒ 64. [8] 魏国营， 秦宾宾. 煤体钻孔瓦斯有效抽采半径测定技术[J]. 辽 宁工程技术大学学报自然科学版，2013，326755‒ 758. WEI Guoying ， QIN Binbin. Technology for determining effective drainage radius of coal seam drill hole[J]. Journal of Liaoning Technical UniversityNatural Science，2013，326 755‒ 758. [9] 余陶，卢平，孙金华，等. 基于钻孔瓦斯流量和压力测定有效 抽采半径[J]. 采矿与安全工程学报，2012，294596‒ 600. YU Tao， LU Ping， SUN Jinhua， et al. Measurement of effective drainage radius based on gas flow and pressure of boreholes[J]. Journal of Mining and Safety Engineering，2012，294 596‒ 600. [10] 国家安全生产监督管理总局国家煤矿安全监察局. 煤矿安 全规程[M]. 北京煤炭工业出版社，2011. [11] 国家安全生产监督管理总局国家煤矿安全监察局. 防治煤 与瓦斯突出规定[M]. 北京煤炭工业出版社，2009. [12] 朱红青，潘凤龙，王宁，等. 被保护煤层残余瓦斯含量计算的 探讨[J]. 煤矿安全，2012，4312169‒ 172. ZHU Hongqing，PAN Fenglong，WANG Ning，et al. Study on remained gas content calculation in protected coal seam[J]. Safety in Coal Mine，2012，4312169‒ 172. [13] 朱拴成， 刘永茜， 史小卫. 保护层开采条件下煤层残余瓦斯含 量预测方法研究[J]. 中国煤炭，2008，34617‒ 18. ZHU Shuancheng，LIU Yongqian，SHI Xiaowei. A research on the forecast of residue gas in coal seams after mining in protective seams[J]. China Coal，2008，34617‒ 18. [14] 刘永涛，李鹏，王辉俊，等. 智能煤层瓦斯含量快速预测系统[J]. 煤田地质与勘探，2013，41381‒ 83. LIU Yongtao，LI Peng，WANG Huijun，et al. Intelligent coal seamgascontentforecastsystem[J].CoalGeology Exploration，2013，41381‒ 83. 责任编辑 聂爱兰 ChaoXing