瓦斯抽放钻孔有效抽放半径的测定.pdf

收稿日期2009- 05- 09 基金项目 江苏省高等学校大学生实践创新训练计划 S2008018 作者简介 曹新奇 1987- , 男, 湖北随州人, 现在就读于中国矿业大学采矿工程专业。 瓦斯抽放钻孔有效抽放半径的测定 曹新奇 1, 辛海会2, 徐立华3, 翟 成2, 林柏泉2 11中国矿业大学 矿业工程学院, 江苏 徐州 221116;21中国矿业大学 安全工程学院, 江苏 徐州 221116; 31中国矿业大学 信电学院, 江苏 徐州 221116 摘 要 通过研究抽放瓦斯钻孔有效抽放半径的测定方法,为瓦斯抽放钻孔的布置提供科学 依据,提高了防突措施的有效性。以平煤十三矿为背景, 以瓦斯抽放钻孔的防突机理为指导,合 理选择了相对压力指标法进行现场实践。 关键词 瓦斯抽放; 有效抽放半径; 压力指标法; 含量指标法; 相对压力指标法 中图分类号 TD712 16 文献标识码B 文章编号1671- 09592009 0920088203 0 引 言 我国 200多对突出矿井中, 仅有三分之一的矿井具有 开采保护层条件。随着采掘深度的增加,由于有些保护层 转变为有突出危险, 使具有开采保护层条件的突出矿井越 来越少, 从而导致矿井突出危险日益严重。预抽煤层瓦斯 是大多数突出矿井采取的防突措施, 有效抽放半径是该措 施的一个重要参数, 直接关系到预抽钻孔密度和预抽时间 的长短, 影响瓦斯抽放的效果。所以, 比较准确地确定该 参数, 对采取预抽瓦斯防治突出具有十分重要的意义。 瓦斯在煤体内的存在状态可分为两种 吸附状态和游 离状态。钻孔抽放瓦斯就是在岩巷内向煤层打穿透全煤厚 的钻孔, 利用瓦斯抽放泵的抽放压力使游离瓦斯抽出、被 吸附瓦斯解析, 从而使煤体中的瓦斯含量降到安全值以下, 可以在煤层内进行采掘活动, 以达到消突的目的。 目前认为, 煤矿进行瓦斯抽放不仅是降低工作面瓦斯 涌出量, 防止瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出灾害的重要措施, 而且抽出的瓦斯还可以作为新的能源加以开发利用。因此, 从 20世纪 50年代开始, 进行瓦斯抽放得到世界上各主要 产煤国的极大重视, 瓦斯抽放工作得到了较快的发展。 1 瓦斯抽放钻孔有效性抽放半径的测定方法 目前应用的钻孔瓦斯抽放影响半径的测试方法主要有 钻孔测试法和计算机模拟法及二者相结合的方法。在有效 性指标的确定上,钻孔测试法国内外采用的指标主要有以 下三种 瓦斯压力指标、瓦斯含量指标、相对瓦斯压力指 标。计算机模拟法主要应用的指标有含量指标和压力指标。 111 压力指标法 用压力指标来测定钻孔的有效半径的方法 首先在煤 层打一排测压孔, 如图 1所示 2 、 3、 4, ,n均为测压孔, d2、d3, , dn为相邻测压孔之间的距离 ; 然后在测压孔上 装入压力表, 再将测压孔封闭严密, 当压力稳定后在 2号 瓦斯逸散积蓄瓦斯潜能的作用, 在突出时起到了推波助澜 的作用; 采掘活动打破了瓦斯吸附与解析的平衡条件, 岩 巷周围煤体因开挖卸压存在高压解析瓦斯加剧了突出危险 程度; 采掘工作面为煤、岩、瓦斯潜能释放提供了空间。 其中地质构造和构造软煤的发育程度及其空间展布, 对潘 三矿煤与瓦斯突出的发生有着极为重要的影响。在煤与瓦 斯突出防治过程中,把握矿区突出发生的规律, 准确掌握 大到矿区、矿井, 小到采区、工作面的地质构造、构造煤 分布规律以及地质构造的影响范围是煤与瓦斯突出防治的 重中之重。 参考文献 [ 1] 5煤矿安全手册 第二篇 6[M]. 北京 煤炭工业出版社, 1994 . [2] 周云霞, 曹代勇, 等. 淮南矿区潘三矿构造发育规律定量研 究 [ J]. 中国煤田地质,2002 ,1434 6 . [3] 刘衡秋, 刘钦甫, 等. 淮南潘三矿区 13- 1煤层空间分布特 征及稳定性研究[ J]. 煤田地质与勘探,2004,32121 23 . [4] 孙叶, 谭成轩, 等. 煤瓦斯突出研究现状及其研究方向探讨 [J]. 地质力学学报,2008 ,142117 1341 [5] 周为军. 芦岭煤矿煤与瓦斯突出的地质因素分析及防治对策 [J]. 湘潭师范学院学报 自然科学版 ,2009 ,311108 110 . 责任编辑 李泽荃 88 研究探讨 煤 炭 工 程 2009年第 9期 孔一侧打抽放钻孔, 为 1号孔, 并在 1号孔进行抽放, 定 期观察测压孔的瓦斯压力。如果 a a 2 、 3, ,n号测压 孔以及 a号测压孔之前的测压孔的压力均小于预抽瓦斯有 效性指标 P0, 而 a 号孔之后的测压孔的压力大于 P0, 那么 d d1 d2 d3 , , da- 1, 这里的 d就是钻孔的有效抽 放半径。 图 1 测试钻孔布置示意图 112 含量指标法 煤层的瓦斯含量等于游离瓦斯含量与吸附瓦斯含量 之和 X Xx Xy abP 1 bP e n t0- t 1 1 0131W 100- A- W 100 V PT0 TP0N 1 式中 X 煤层原始瓦斯含量,m3/t ; Xx 煤的吸附瓦斯含量, m3/t ; Xy 煤的游离瓦斯含量, m3/t ; V 单位重量煤的孔隙容积, m3/t ; P 煤层瓦斯压力, MPa ; T0、P0 标准状况下绝对温度与压力; T 瓦斯绝对温度, K; N 瓦斯压缩系数; a、b 吸附常数; t0 测定煤的吸附常数时的实验温度, e ; t 煤层温度, e ; A 、W 煤中得灰分和水分, ; n 系数, 按下式计算n 0102 01993 0107P 。 用含量指标来测定钻孔有效半径的方法 首先在煤层 打一排测压孔, 如图 1所示,在每个测压孔装上压力表, 同时按煤层破坏结构分层采取一定的新鲜煤样, 并测得其 相关参数, 包括煤体坚固性系数、煤层瓦斯吸附常数及瓦 斯放散初速度等。根据每个测压孔的煤样参数以及它的瓦 斯压力, 通过 1式计算可得到该测压孔的瓦斯含量 X2、 X3、X4, , Xn。如果 a a 2、 3, ,n号孔以及 a 号测压 孔的的瓦斯含量均大于或等于 30 , 而 a 号孔之后的测压 孔的瓦斯含量均小于 30, 那么 d d1 d2 d3 , , da- 1, 这里的 d就是钻孔的有效抽放半径。 113 相对压力指标法 11311 相对压力指标法的理论依据 5煤矿安全规程6 明确规定 预抽煤层瓦斯后, 必须对 预抽瓦斯防治突出效果进行检验, 其检验的指标之一是煤 层瓦斯预抽率大于 30, 即抽放后的瓦斯含量小于抽放前 的 30 以上 [ 3]。在保证工业应用误差允许前提下, 瓦斯压 力 P 和瓦斯含量 X存在着一个抛物线关系。 首先提出用抛物线方程来近似取代煤层瓦斯含量曲线, 即 X A P 2 式中 X 煤层瓦斯含量,m3/t ; A 煤层瓦斯含量系数, m3/ t MPa1 /2; P 煤层瓦斯压力, MPa 。 因此, 抽放前后瓦斯含量降低的比例和瓦斯压力降低 的比例也是存在抛物线关系的。如果煤层预抽率为 30, 即残余瓦斯含量为原始瓦斯的 70 , 通过计算知此时残余 瓦斯压力为原始瓦斯压力值的 49,瓦斯压力下降量为 51。相对压力指标法测定钻孔的有效半径就是依据这个 原理来进行的。 11312 相对压力指标的测定方法 首先在煤层打一排测压孔, 如图 1所示, 在每个测压 孔装上压力表,记录每个测压孔的原始压力 P1、P2、P3 , , Pn; 然后进行抽放。观察各个测压孔瓦斯变化情况, 将瓦斯压力下降到稳定压力 10以上的钻孔视为抽放影响 范围内钻孔, 将距抽放钻孔最远的一个抽放影响范围内钻 孔到抽放钻孔的距离视为抽放影响半径。 定期观察每个测压孔的瓦斯压力 Pc1、Pc2、Pc3, , Pcn。根据每个测压孔的原始压力和抽放后的压力,可以得 到每个测压孔的预抽率。如果 a a 1、2、 3, , n号孔以 及 a号孔之前的每个测压孔的瓦斯压力下降量都大于或等 于 51 , 而 a号孔之后的测压孔都小于 51, 那么 d d1 d2 d3 , , da- 1, 这里的 d 就是钻孔的有效抽放半 径。 因此, 确定钻孔瓦斯抽放影响半径的指标为瓦斯压力 下降 10 以上, 确定抽放有效半径的指标为瓦斯压力下降 51以上。 2 现场实践 211 测定方法的选择 十三矿己三采区 13031工作面煤层赋存比较稳定, 煤 层厚 518m, 倾角在 6 10b之间; 顶底板均为砂质泥岩, 煤 层节理比较发育, 工作面构造较为复杂,多条断层在采面 发育且落差较大、延伸较长,对掘进和回采都将造成极大 影响。 由于受煤层地质条件和周围开采扰动的影响, 在测试 煤层参数时瓦斯压力起伏很大, 所以瓦斯压力值和瓦斯含 量值难以实现连续、准确的测试, 使得采用绝对压力指标 法和绝对含量指标法失去了可能性。但是当抽放钻孔作业 时, 其周边的测压孔压力值会相应的降低, 因此, 可以选 用相对压力指标法进行测试。 212 具体布置情况 考虑到整个测试阶段约 50 100d, 并且平煤十三矿的 煤层均为低透气性煤层, 所以推测钻孔的有效抽放范围较 小。根据十三矿目前所采用抽放方法的实际情况, 布置抽 89 2009年第 9期 煤 炭 工 程 研究探讨 放观察孔与抽放孔选择 1m、 115m、2m和 215m不同间距。 实验钻场分为两组, 分别设在 13031风巷和 13031机巷。钻 场布置观察孔和抽放孔间距情况如图 2和 3。 钻孔施工参数见表 1和表 2。 表 1 13031风巷钻孔施工参数表 钻孔编号钻孔地点倾角 /b水平角 /b见煤深度 /m穿煤深度 /m终孔深度 /m封孔深度 /m 1- 1 风巷高位巷皮带机头 向里 42m处 - 39021313241311 1- 2 风巷高位巷皮带机头 向里 43m处 - 39017218191813 1- 3 风巷高位巷皮带机头 向里 45m处 - 37020313231312 1- 4 风巷高位巷皮带机头 向里 4615m 处 - 37020317231714 1- 5 风巷高位巷皮带机头 向里 4715m 处 - 37018215201512 表 2 13031机巷钻孔施工参数表 钻孔编号钻孔地点倾角 /b水平角 /b见煤深度 /m穿煤深度 /m终孔深度 /m封孔深度 /m 2- 1 机巷高位巷皮带机头 向里 60m处 - 4001915313221816 2- 2 机巷高位巷皮带机头 向里 6215m 处 - 40020313231316 2- 3 机巷高位巷皮带机头 向里 6315m 处 - 40023313261314 十三矿钻孔施工要求 1 钻孔必须施工在同一水平线上, 测压钻孔孔径为 5 75mm, 所有钻孔均穿过煤层并进入顶板 115m以上; 2 先施工测压孔, 施工钻孔时岩石段用水辅助排渣, 在干孔中取煤样做实验室分析; 3 施工完测压孔后立即进行封孔, 施工完后等测压孔 压力均稳定后, 施工抽放孔,抽放孔倾角及挂孔高度与测 压孔一致, 将抽放孔进行抽放, 并详细记录抽放参数及测 压孔瓦斯压力随时间变化情况。 3 结 论 通过记录的数据参照相对压力指标法的标准可以分析 得出瓦斯抽放钻孔有效抽放半径和影响范围,避免了在设 计抽放钻孔布置过程中出现空白带和钻孔的无效重叠, 提 高了钻孔的施工质量, 有利于提高煤层瓦斯的抽放率, 大 大了降低矿井的突出危险性。上述研究方案对于指导平煤 十三矿瓦斯抽放和防突工作具有十分重大的意义, 其它矿 井可根据具体情况, 选择合适的测定方法确定钻孔有效抽 放半径。 参考文献 [1] 周世宁, 林柏泉. 煤层瓦斯赋存与流动理论[M ].北京 煤炭工业出版社,1999. [2] 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,2001. [3] 徐三民. 确定瓦斯有效抽放半径的方法探讨[ J].煤炭工 程师,1996 ,343 45. 责任编辑 李泽荃 90 研究探讨 煤 炭 工 程 2009年第 9期