張頤純 邢玉忠

(太原理工大學礦業(yè)工程學院,山西省太原市,030024)

低透氣性煤層交叉鉆孔預抽瓦斯合理孔距研究

張頤純 邢玉忠

(太原理工大學礦業(yè)工程學院,山西省太原市,030024)

利用交叉鉆孔抽放技術對山西昌達煤礦2#低透氣性煤層進行瓦斯預抽。為了既能取得較好的抽放效果又能節(jié)約成本,在12601工作面進行現(xiàn)場試驗研究,得到不同孔距交叉鉆孔的百米鉆孔瓦斯抽出量衰減規(guī)律,建立計算預抽率的理論方程,推算得出各孔距鉆孔在預抽期為220 d時的預抽率。結果表明,在預抽期為220 d、預抽率為25%的要求下,孔距為3 m和孔距為4 m的交叉鉆孔均為合理,但后者較前者工程量少,取得明顯的經(jīng)濟效益,故孔距為4 m時最為理想。在相鄰工作面進行應用,結果表明與研究相符,因此可以在本煤層其他工作面推廣應用。

交叉鉆孔 透氣性 合理孔距 效果分析 預抽率

采用高壓水力壓裂以及水力割縫等增流提透技術可以改善低透煤層的瓦斯抽采問題,但由于工藝相對復雜且投入較大,在井下操作不方便,難以推廣應用。國內(nèi)外的研究表明,采用交叉鉆孔技術預抽煤層瓦斯可以提高瓦斯抽放量,但針對不同的地質條件和煤層賦存狀況,不同的布孔間距預抽煤層瓦斯效果也不同。本文根據(jù)山西昌達煤礦南六采區(qū)2#煤層松軟低透的特點,在12601工作面劃分4組不同孔距的區(qū)段進行交叉鉆孔預抽煤層瓦斯試驗研究,確定合理鉆孔間距。

1 試驗區(qū)概況

本次試驗地點為昌達煤礦12601工作面,該面走向長1060 m,傾斜長度為183 m,所采煤層為南六采區(qū)2#煤層,煤層傾角12°～16°,煤層厚度4.2～4.5 m,平均厚度4.3 m,采高3.8 m。煤層直接頂為泥巖,厚度約為1.5～2 m;基本頂為砂巖,平均厚度為8.6 m;直接底為砂質泥巖,平均厚度為3.8 m。煤層原始瓦斯含量9.53～12.75 m3/t,煤體堅固性系數(shù)為0.17～0.48,煤層透氣性系數(shù)為1.1532×10-7m2/(MPa2·d),具有松軟低透特點。

2 試驗區(qū)鉆孔布置及抽放效果考察分析

2.1 鉆孔布置方案

為測試不同孔距交叉鉆孔預抽煤層瓦斯效果,找出合理的布孔間距,在12601工作面劃分4個區(qū)段,布置4組孔距分別為3 m、4 m、5 m、6 m的交叉鉆孔,依次分別記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。鉆孔總長為22670.3 m,共280個鉆孔,每組交叉鉆孔由35個平行鉆孔和35個斜向鉆孔構成。其中一孔與工作面平行,另一孔從平行孔下方穿過與工作面斜交,呈空間立體交叉。平行孔開孔位置距離煤層底板1.2 m,鉆孔方向與軌道巷垂直,每組間隔30 m。交叉鉆孔兩孔間的高程差是影響預抽瓦斯效果的重要因素,取鉆孔直徑的5～8倍為宜。本次試驗鉆孔直徑為78 mm,因此高程差控制在0.4～0.6 m之間。平行孔鉆孔長度為75～80 m,平均長度為77 m,斜向孔鉆孔長度80～85 m,平均長度為83.5 m,全部交叉鉆孔都采用聚氨酯材料進行封孔,封孔深度為4 m,封孔長度為1 m,每組鉆孔均設有孔板流量計,定期記錄瓦斯抽放濃度和負壓。

2.2 鉆孔抽放效果考察分析

依據(jù)各組鉆孔的瓦斯抽采總量,瓦斯抽采濃度以及鉆孔總長度,計算出各組交叉鉆孔的百米鉆孔瓦斯抽出純量qc,并結合時間形成測定數(shù)組(t, qc)。qc與時間t的關系遵循指數(shù)衰減規(guī)律：

式中：qc——在抽放時間為t時,百米鉆孔瓦斯抽出量,m3/min·hm;

qc0——百米鉆孔初始瓦斯抽出量, m3/min·hm;

b——百米鉆孔瓦斯抽出量衰減系數(shù),d-1;

t——鉆孔抽放瓦斯時間,d。

同時可計算出當t→∞時,百米鉆孔極限瓦斯抽出量QCJ。12601工作面4組不同孔距交叉鉆孔的百米鉆孔瓦斯抽出量隨時間的變化曲線如圖1所示。

圖1 不同孔距交叉鉆孔百米鉆孔瓦斯抽出量隨時間的變化情況

圖中擬合曲線按以下兩個原則處理：

(1)鉆孔在初始3 d或4 d出現(xiàn)抽放量比較大的現(xiàn)象,主要原因是鉆孔在成孔后沒有立即進行抽放,導致在較長時間內(nèi)由于解吸瓦斯的積聚,造成了初始抽放量過大的問題。因此在進行曲線回歸分析時舍棄了這部分數(shù)據(jù)。

(2)原始數(shù)據(jù)波動較大,影響了指數(shù)函數(shù)回歸的相關性,因此對原始數(shù)據(jù)進行了適當?shù)暮Y選,波動過大的點不參與回歸分析,保證了相關性系數(shù)R2在0.8以上。

從圖1中可以看出：

(1)交叉鉆孔抽放瓦斯衰減程度分為兩個階段,第一階段抽放量有明顯衰減,第二階段衰減明顯變緩,分析原因認為在抽放了一段時間后,隨著煤體水分的不斷排出,加大了煤層的透氣性,同時隨著瓦斯不斷向外排出,促使煤體發(fā)生了收縮變形,使煤體在一定程度上卸壓。在以上兩種原因的共同作用下,抵消了瓦斯抽放流量隨時間的衰減速率。

(2)隨著孔距從3 m到6 m不斷增大,其相應的交叉鉆孔的百米鉆孔瓦斯抽出量衰減系數(shù)呈增大趨勢。當孔距為6 m時,其抽出量衰減系數(shù)是其他孔距的1.23～1.31倍。而交叉鉆孔的百米鉆孔極限瓦斯抽出量隨著孔距增大不斷降低,孔距為3 m時最大,瓦斯抽出量為5018.824 m3,孔距為6 m時最小,瓦斯抽出量為3009.439 m3,前者是后者的1.67倍。由此可見,孔距是影響交叉鉆孔瓦斯抽出量的重要影響因素。減小鉆孔間距,可以增強鉆孔周圍應力相互作用的區(qū)域,增強煤層的透氣性。

(3)在進行數(shù)據(jù)整理繪制變化規(guī)律圖像時,可以發(fā)現(xiàn)在某個時間內(nèi),交叉鉆孔百米瓦斯自然涌出量突然有所增加,主要原因可能是此時鉆孔正處于瓦斯富集帶,產(chǎn)生噴孔。

3 鉆孔合理孔距確定

預抽率是衡量鉆孔預抽煤層瓦斯效果的重要指標之一,指在一定的抽放時間和某一范圍內(nèi),鉆孔瓦斯抽出量與該范圍煤層瓦斯儲存量之比。《煤礦瓦斯抽采基本指標》(AQ1026-2006)(簡稱標準)規(guī)定了礦井采用不同的方法抽采煤層瓦斯應達到相應的瓦斯抽采率指標,標準指出預抽回采工作面瓦斯的抽采率應達到25%。因此可以根據(jù)試驗得到的各孔距鉆孔的百米鉆孔瓦斯抽出量隨時間變化的衰減規(guī)律方程式,結合礦井由于采掘接替和巷道維護允許的預抽期以及相關的參數(shù)計算出不同孔距的交叉鉆孔在預抽期內(nèi)預抽本煤層瓦斯的預抽率。

特別指出,在以往計算鉆孔的預抽率時通常認為各鉆孔的預抽時間是一樣的,即所有鉆孔同時開始預抽。實際上在計算預抽率時需要考慮鉆機打鉆和鉆孔預抽是同時進行的,鉆孔分批打鉆,分批投入抽放。因此結合本礦井實際情況,由于作業(yè)緊張,只有一臺鉆機工作逐批進行打鉆即一批鉆孔形成后立馬進行抽采。在規(guī)定預抽期內(nèi),鉆孔預抽瓦斯總量：

式中：Qc——鉆孔預抽瓦斯總量,m3;

n——鉆孔分批投入抽采的批數(shù);

qc——百米鉆孔經(jīng)t時抽放時瓦斯流量, m3/min·hm;

ti——第i批鉆孔預抽瓦斯時間,d;

Li——第i批鉆孔總長度,m。

而關于每批鉆孔預抽瓦斯時間：

式中：t0——滿足采掘交替和巷道維護的預抽期, d;

tji——鉆機從開始打完1批鉆到打完第i批鉆的時間,d。

鉆孔預抽范圍內(nèi)煤體瓦斯儲量QH為：

式中：QH——鉆孔預抽范圍內(nèi)煤體瓦斯含量, m3/t;

m——煤層厚度,m;

γ——煤的容量,t/m3;

z——煤層瓦斯含量,m3/t;

Lc——交叉鉆孔預抽煤體瓦斯范圍沿工作面推進方向長度,m;

Lg——工作面含瓦斯帶有效寬度(考慮到瓦斯排放帶,小于工作面長度),m。

則交叉鉆孔瓦斯預抽率為：式中：η——交叉鉆孔瓦斯預抽率,%。

昌達煤礦允許的預抽時間為220 d,將工作面煤層的相關特征參數(shù)代入式(5)可得,孔距為3 m的交叉鉆孔的預抽率為28.32%,孔距為4 m的鉆孔預抽率為27.43%,孔距為5 m的鉆孔預抽率為23.12%,孔距為6 m的鉆孔預抽率僅為21.12%。故可知孔距為3 m和孔距4 m的交叉鉆孔的預抽率均可滿足在預抽期內(nèi)抽采率達標要求。

但鉆孔間距越小,鉆孔工程量和施工成本就越大?？拙酁? m和孔距為4 m時相比,經(jīng)計算4 m孔距所需施工鉆孔總費用比3 m孔距減少120.23萬元。故綜合考慮交叉鉆孔預抽本煤層瓦斯的合理孔距為4 m。

4 相鄰工作面應用

12602工作面是12601工作面的相鄰工作面,其自然條件與12601工作面相似,在12602工作面布置孔距為4 m的交叉鉆孔預抽本煤層瓦斯,經(jīng)過220 d的預抽期,根據(jù)瓦斯抽采效果對12602工作面進行評價：瓦斯預抽率達到26.57%,略低于理論計算值,主要是因為在實際的抽采過程中,由于煤層松軟,個別交叉鉆孔出現(xiàn)了塌孔現(xiàn)象,并沒有完全發(fā)揮抽采能力,同時理論計算的過程具備理想化特點,因此兩者出現(xiàn)了數(shù)值差異。但瓦斯預抽率滿足大于25%的要求,即該工作面瓦斯預抽達標。通過此次工作面瓦斯抽采效果得知,可以在本煤層的其他工作面或者自然條件相似的相鄰礦井推廣應用,解決煤層透氣性低,瓦斯難抽采問題。

5 結論

(1)通過試驗研究得出孔距為3 m、4 m、 5 m、6 m時百米鉆孔瓦斯抽出量隨時間的衰減規(guī)律。根據(jù)計算預抽率的理論方程式推算得出預抽期為220 d時,各孔距交叉鉆孔預抽工作面瓦斯的預抽率。

(2)孔距為3 m和孔距為4 m的交叉鉆孔均可滿足規(guī)定預抽期為220 d時,抽采率達到25%的達標要求,綜合考慮鉆孔工程量和施工成本,確定鉆孔合理孔距為4 m。

(3)在相鄰的12602工作面布置孔距為4 m的交叉鉆孔預抽瓦斯,對預抽效果進行驗證,在規(guī)定預抽期220 d內(nèi)抽采率為26.57%,與理論值相差不大,故可以在本煤層的其他工作面推廣應用。

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(責任編輯 張艷華)

中央企業(yè)煤炭資產(chǎn)管理平臺公司成立運行

為貫徹落實黨中央、國務院關于供給側結構性改革重大部署,推動中央企業(yè)化解煤炭過剩產(chǎn)能和實現(xiàn)煤炭產(chǎn)業(yè)脫困發(fā)展,近日,中國國新、誠通集團、中煤集團、神華集團出資組建的中央企業(yè)煤炭資產(chǎn)管理平臺公司即國源煤炭資產(chǎn)管理有限公司成立運行(以下簡稱“國源公司”)。國源公司的主要任務是配合落實中央企業(yè)化解煤炭過剩產(chǎn)能,推動優(yōu)化整合涉煤中央企業(yè)煤炭資源,促進涉煤中央企業(yè)瘦身健體、提質增效、結構調整和改革脫困。

中央企業(yè)煤炭資產(chǎn)管理平臺公司身上承擔著新一輪國有資產(chǎn)管理體制改革的歷史使命。與誠通、國新兩家平臺公司不同的是,這家平臺公司的主要業(yè)務范圍聚焦在煤炭行業(yè)內(nèi)。

Research on reasonable hole spacing of pre-drainage cross drilling borehole in low permeability coal seam

Zhang Yichun,Xing Yuzhong
(College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi 030024,China)

Cross drilling drainage technology was utilized for gas pre-drainage at No.2 low permeability coal seam in Changda Coal Mine,Shanxi.Aiming at achieving optimum drainage effect and saving costs at the same time,in-situ experiment was taken at 12601 work face,figuring out attenuation law of gas drainage amount at 100-meter borehole for different 100-meter cross boreholes spacing and establishing theoretical equation of pre-drainage rate,finally computing pre-drainage rate of drilling boreholes with each hole spacing when drainage period is 220 days.The results showed that cross boreholes with 3 and 4 meters hole spacing are both reasonable under the requirement of 220 days drainage period and 25%pre-drainage rate.However,the latter one has less project work amount than the former,which means much better economic benefits,so it is optimum when holes spacing is 4 meters.Results from neighboring work faces came up to this research,further confirming that the research outcomes could be applied to other work faces at this coal seam.

cross drilling,gas permeability,reasonable bore spacing,effect analysis,predrainage rate

TD712.62

A

張頤純(1990-),男,山西太原人,在讀碩士研究生,主要從事礦井通風及災害防治方面研究。