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杨柳矿穿层钻孔抽采半径测定

2022-11-05

山东煤炭科技 2022年10期
关键词:间距瓦斯半径

崔 魁

(淮北矿业集团,安徽 淮北 233600)

在矿井瓦斯抽采过程中,钻孔抽采间距的设计与瓦斯抽采效果的好坏有直接关系。其中,抽采半径在抽采钻孔间距设计过程中可以起到指导性作用,钻孔流场的控制范围又会影响钻孔最佳抽采间距[1-3]。钻孔抽采间距和抽采半径都与很多影响因素有关[4-6],故合理的钻孔间距应该在测定抽采有效半径的基础上确定,以便科学确定钻孔间距,确定抽采期[7-9]。

1 测试地点概况

测试地点选在淮北矿区杨柳矿1061 工作面,机抽巷位于10 煤底板,距10 煤法距21~30 m,岩性以粉砂岩和细砂岩为主。岩巷施工过程中揭露多条断层,其中3 条正断层。10 煤层赋存比较稳定,平均煤厚3.05 m,倾角在0~5°之间,有突出危险性,瓦斯参数见表1。

表1 部分瓦斯参数表

2 钻孔设计及施工参数

在1061 机抽巷帮岩壁依次施工2~5 号测试孔,穿过煤层全厚且进入煤层顶板至少0.5 m,孔底间距分别控制为2 m、4 m、6 m、8 m。待其压力稳定后施工一个1 号抽采孔,钻场断面钻孔布置方式如图1,观测孔封孔采用水泥砂浆封孔,抽采孔采用聚氨酯封孔,并记录封孔开始和完成时间。每天按时测定各测试孔的压力变化,待压力稳定后,对预抽孔联网进行预抽,持续观测2~5 号孔瓦斯压力。

图1 1061 机抽巷钻孔布置示意图(m)

2.1 测试结果及分析

钻孔压力全部稳定后,对预抽孔联网24 h 实施不间断抽放,对四个压力考察孔进行了为期5 个月的瓦斯压力数据实测,得到瓦斯流量实测数据,绘得观测孔瓦斯压力变化曲线图,如图2。MPa,开始抽放后很长时间没有明显变化,直至1个月以后压力才出现衰减,然后趋于稳定,至考察结束压力稳定在0.55 MPa,降幅35.3%。因此判断3#考察孔在1#孔的影响半径内,未达到抽采有效半径指标,故认定3#孔不在抽采有效半径范围内。

图2 观测孔瓦斯压力变化曲线图

综上所述,本次对杨柳矿10 煤层穿层钻孔抽采半径钻孔测试结果如下:4#和5#测试孔在1#抽采孔的有效抽采半径范围内;3#孔在1#孔的抽采影响半径以内,不在有效抽采半径以内;2#孔不在抽采影响半径范围内。因此,抽采120 d 的有效抽采半径为4 m,抽采影响半径为6 m。各压力观测孔虽然起始压力值各不同,但是随着抽放时间的延续,瓦斯压力衰减趋势基本相同,也证明了测试前采用相对压力指标作为抽放有效半径指标的正确性。通过线性回归得到各曲线的趋势线,进而确定其压力变化的幅度,具体数值见表2。

表2 观测孔压力变化幅度

由图2 可知:

(1)2#考察孔由于出现钻孔涌水现象,大部分时间未测得压力,只在开始负压抽采后出现压力小幅攀升趋势,最后压力稳定在0.05 MPa。可以断定2#孔不在抽采影响半径范围内。

(2)4#考察孔在抽采前,瓦斯压力经过升高然后稳定在1.02 MPa,抽采后,压力开始不断下降,稳定一段时间后继续下降稳定。由初期稳定时的1.02 MPa 至后期稳定时的0.47 MPa,下降幅度达53.9%,由此判断,4#考察孔(2 m)在1#抽采孔的抽采影响半径内,也在1#孔的有效半径范围内。

(3)5#考察孔与4#孔的衰减趋势基本相同,由初期表压稳定时的1.05 MPa 至最终稳定时的0.51 MPa,下降幅度达51.4%,达到抽采影响半径指标规定的相对瓦斯压力在原基础上下降19%的要求,也达到了抽采有效半径指标规定的瓦斯压力下降51%的要求,故认定5#孔(4 m)在1#抽采孔的影响半径内,也在1#孔的有效半径范围内。

(4)3#考察孔抽放前瓦斯压力稳定在0.85

图3 为单孔瓦斯抽放参数变化曲线图。从中可以看出,抽放前钻孔混合流量与纯流量呈加速上升趋势,抽放初期,纯流量值达到最大,之后瓦斯浓度与纯流量开始缓慢下降,而后加速下降;在连续抽放43 d 后瓦斯抽放浓度低于20%,再次趋于稳定后不久开始缓慢下降;瓦斯抽放混合流量在抽采负压一定时,流量值逐渐升高而后变化不大。

图3 单孔瓦斯抽放参数变化曲线图

2.2 极限抽采时间

钻孔抽采过程中瓦斯流量的衰减规律呈负指数变化,将单孔瓦斯抽采量的实测结果换算为百米钻孔抽采量,并采用以下公式进行回归分析[10]:

式中:q0表示百米钻孔瓦斯初始抽采量,m3/(hm·min);β表示抽采钻孔瓦斯涌出衰减系数;η表示预抽率,%;ρ表示煤体密度,t/m3。

预抽率、残余瓦斯压力与残余瓦斯含量的关系:

式中:η为瓦斯预抽率,%;Wc为残余瓦斯含量,m3/t;W为原始瓦斯含量,m3/t;α为煤层瓦斯含量系数,m3/(t·MPa1/2);Pc为残余瓦斯压力,MPa;P为原始瓦斯压力,MPa。

随着时间的延续,抽采影响范围是逐渐扩大的,但存在一个极限,达到这个范围所用的时间即为极限抽采时间,计算公式如式(3)。钻孔抽采时间一般不大于极限抽采时间。

钻孔见煤长度为2.7 m,用百米钻孔瓦斯抽采量表示为:)

最大原始瓦斯压力P=1.5 MPa 代入公式(1),得出预抽率η=58.19%,再由公式(3)算得极限抽采时间为375 d。在试验地点测得煤体瓦斯含量W=8.7 m3/t,密度ρ=1.33 t/m3,按公式(1)分析预抽时间分别为50 d、100 d、150 d、200 d、250 d、300 d 和350 d 时,有效抽采半径见表3。

表3 不同抽采时间下的有效抽采半径

从图4 看出,抽采150 d 之前,抽采半径变化率较大,随着时间延长开始减缓,350 d 之后基本不再变化。根据现场考察结果,当抽采120 d 时,有效抽采半径为4 m,这与数值计算当抽采时间为150 d、有效抽采半径为3.96 m 的结果基本吻合,所以设计抽采200 d 时,抽采半径为4.32 m,即钻孔合理布置间距为8.64 m,可取间距8 m 布置钻孔。

图4 不同抽采时间下抽采半径示意图

3 结论

(1)穿层钻孔的抽采半径常用测定方法较多,根据测试地点实际情况,对测定方法进行优化,采用相对压力指标法测定抽采半径。

(2)经现场实测,杨柳矿10 煤层抽采半径:当抽采120 d 时,有效抽采半径为4 m,数值计算当抽采时间为150 d 时,有效抽采半径为3.96 m,两种测试方法结果吻合,并求得极限抽采时间为375 d,得出抽采半径变化趋势为先增大后趋于稳定。

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