义城煤业3号煤层瓦斯抽采半径参数研究

2021-06-24孙际宏陈江龙左安家

华北科技学院学报 2021年2期

魏超，孙际宏，陈江龙，左安家

(华北科技学院安全监管学院，北京东燕郊 065201)

0 引言

目前，我国煤矿的瓦斯灾害防治成果显著，事故发生次数及伤亡人数大幅下降，但是煤矿瓦斯灾害防治形势仍不容乐观。尤其是随着矿井开采深度的不断增加，矿井瓦斯压力、含量及地应力不断增大，而煤层渗透率则进一步降低，抽采及治理瓦斯灾害的难度和复杂性日益增大，由此可见，瓦斯灾害防治还将是我国煤矿事故防治的重点及难点[1]。长期的理论研究和现场实践表明：煤层预抽瓦斯可有效地解决矿井瓦斯超限负担、消除煤与瓦斯突出的危险以及降低矿井瓦斯涌出量等[2]。

钻孔预抽煤层瓦斯作为目前最常用且有效的抽采措施之一，在矿井采掘活动中起着至关重要的作用。合理的抽采半径不仅可以指导抽采方法的选择、钻孔参数的确定，还为抽采效果的评价提供重要的依据[3]。舒龙勇等[4]提出井下预抽钻孔应合理布设间距，并非越密越好。李波等[5]提出过大的抽采孔布置间距，容易造成部分区域抽采不到的情况；间距布置过小，不但会出现抽采重叠区域，更会造成不必要的人力、物力资源浪费。此次通过对义城煤业3号煤层不同孔径抽放钻孔(Φ75 mm、Φ94 mm)瓦斯抽采有效半径的测定，分析其有效的抽采半径及影响因素，从而确保企业安全生产工作的顺利进行。

1 工程背景

义城煤业行政区划隶属于阳城县町店镇管辖，生产规模为0.9 Mt/a，矿井通风方法采用中央并列式、通风方式为机械抽出式。该矿开采煤层为3号和15号煤层，本次测定的为3号煤层，其中3号煤层赋存于山西组下部，其工业分析结果为特低～低灰、特低挥发分、特低硫、特高热值的无烟煤，3号煤层厚度3.21～6.49 m，平均5.51 m，为该矿稳定主采的煤层。3号煤层开采时，开采方式为综合机械化走向长壁采煤法，顶板管理采用全部垮落法。

2 测定方案

目前，国内外应用最广泛的钻孔抽采半径测定的方法有压力降低法、瓦斯流量法，其次气体示踪法和计算机模拟的方法也广泛应用开来[6-10]。通过参照义城煤业煤矿在3号煤层的瓦斯压力测定结果，3号煤层瓦斯最大压力为0.29 MPa，煤层瓦斯含量最大值为7.56 m3/t。因此为了更准确的测定本煤层瓦斯抽采有效影响半径，本次测定参考了一系列相关文献进行参数设计、测定，确定义城煤业3号煤层穿层钻孔的有效抽采半径测定采用压力降低法，其判断指标为：抽采影响半径的指标为瓦斯压力下降10%，抽采有效半径的指标为瓦斯压力下降51%[11]。

2.1 测定步骤

具体测定步骤如图1所示：

图1 有效抽采半径测定步骤图

2.2 钻孔施工工艺

本方案根据义城煤业3号煤层具体情况，选定测试地点。设定两组施工钻孔，一组测试地点抽采孔孔径采用φ94 mm作为抽采孔，为1号抽采孔；另一组测试地点抽采孔孔径采用75 mm作为抽采孔，为2号抽采孔。选在西运输大巷，1号抽采孔位于西运输大巷距3200阶段运输巷500 m处，2号抽采孔距离1号抽采孔30 m处，如图2所示。

图2 有效抽采半径测定钻孔布置图

1～4号测压钻孔均平行布置并均垂直巷道。两组抽采钻孔孔径分别为94 mm和75 mm，均平行布置并均垂直巷道，施工参数如表1、表2所示。

表1 1号钻孔现场施工参数表

表2 2号钻孔现场施工参数表

施工过程中，钻孔按设计参数打孔，首先施工1～4号测压孔，并且及时使用囊袋式“两堵一注”的封孔工艺封孔。抽采孔等测压孔压力表数值稳定后再施工，参数与测压孔一致，并详细记录压力表随抽采时间的变化情况。根据现场地质情况，经过综合分析后，即决定采用U型压差计测定测压孔相对瓦斯压力，用光学甲烷检测仪测定钻孔瓦斯浓度。第二组测点施工工艺同上。

3 测定结果及分析

3.1 钻孔瓦斯压力分析

本次考察过程周期四个月，每四天记录一次U型压差计和光学甲烷检测仪数据，并将1、2号测点处不同抽采半径下的U型压差计数据随时间的变化规律作图，如图3、图4所示。

(1) 从图3可以看出，抽采半径为3 m时的钻孔初期变化最为明显，前8天下降幅度达61%左右，随后平稳下降，当抽采到第32天时，又呈直线下降趋势，下降幅度接近57%左右，抽采64天时首先降为0，说明3 m的环形区域内瓦斯已经充分抽采，3 m区域在钻孔抽采有效范围内。

抽采半径为4 m时的钻孔前期变化也较明显，但不及3 m时的那般变化剧烈，前期瓦斯压力降幅达50%左右，在抽采至第80天开始出现负压，说明该区域也在有效半径的影响范围内。

抽采半径为5 m时的钻孔整体下降趋势较为平稳，且保持一直下降趋势，当抽采至第120天时，测压孔压力趋近负压状态，根据变化趋势预计在第132天左右达到负压，说明5 m区域在有效影响半径范围之内。

抽采半径为6 m时的钻孔瓦斯压力在整个抽采过程中呈现缓慢无规律下降趋势，抽采至第120天时仍未达到负压值。但根据引用的文献[11]，其在第28天时以达到影响半径范围(下降10%)，根据变化趋势分析，压力在144天左右出现负压，说明6 m已经处于有效影响半径区域边缘处。

综合分析图3不同抽采半径下的U型压差计数据随时间的变化规律，其半径影响值应在5 m～6 m之间。

图3 1号测点不同抽采半径下瓦斯压力随时间变化趋势图

(2) 从图4可以看出，抽采半径为3 m时的钻孔在前8天变化最为明显，下降幅度达36%左右，随后稍有变缓，但仍然直线下降，当抽采至第42天时下降幅度达86%，第68天测压孔达负压值，说明3 m区域在半径有效影响区域内。

抽采半径为4 m时的钻孔在整个抽采阶段都变化平缓，基本成稳定下降趋势，在抽采至84天左右达负压值，随后略有增加，在负压作用下又迅速达负压状态，从第117天左右基本保持在零值附近不变。

抽采半径为5 m时的钻孔在第68天下降幅度达50%，第80天下降幅度达95%，根据变化趋势预测第120天以后达到负压，说明5 m属于有效半径的影响范围内。但已经靠近最大有效影响值。

抽采半径为6 m时的钻孔则在抽采120天期间一直没有达到抽采负压值，而且在整个抽采过程中下降较平缓，最后保持在2500 mm H2O附近保持不变，说明抽采有效半径未影响到6 m的区域。

综合分析图4不同抽采半径下的U型压差计数据随时间的变化规律，其半径影响值应在5 m左右。

图4 2号测点不同抽采半径下瓦斯压力随时间变化趋势图

3.2 瓦斯压力与瓦斯浓度的相关性分析

为避免只使用压降法测试造成的数据偏差，故使用瓦斯浓度指标法与压降法相结合的方式对抽采半径进行考察，在一定置信度下通过对有效半径内的瓦斯压力与瓦斯浓度二者拟合，分析二者拟合后的相互关系，得到二者的相关性系数，只要二者具有统计学意义，便可认为该测压孔位于瓦斯抽采有效半径范围内[12-13]。通过对数据处理分析，结果如图5～6所示。