羊东矿瓦斯抽采半径考察研究

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　　摘  要：为了考察羊东矿瓦斯抽采半径，以合理布置抽采间距。通过压降法测定穿层钻孔瓦斯有效抽采半径，同时用SF6气体示踪法现场实测了同一煤层顺层钻孔的有效抽采半径。现场测试结果表明，试验煤层在12kPa抽采负压，抽采半径6.5m时两种抽采方式的抽采天数分别为75d，61d。穿层钻孔的有效抽采半径明显小于顺层钻孔的有效抽采半径，这对抽采设计中合理选择钻孔间距具有十分重要的意义。
　　关键词：抽采半径;顺层钻孔;穿层钻孔;SF6气体示踪;瓦斯抽采
　　中图分类号：TD712         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）10-0067-04
　　Abstract： In order to determine the extraction radius of Yangdong coal mine， the effective extraction radius of the drill hole through the seam was measured by the pressure drop method， and the effective extraction radius of the drill hole along the seam was measured by the SF6 gas tracing method in the field. The field test results show that the extraction days of the two methods are 75d and 61d respectively when the negative pressure is 12kPa and the extraction radius is 6.5m. The effective extraction radius of the through hole is obviously smaller than that of the along hole， which is very important for the reasonable selection of the drilling spacing in the extraction design.
　　Keywords： extraction radius; drilling along the layer; drilling through the layer; SF6 gas tracing; gas extraction
　　煤礦瓦斯抽采是降低矿井瓦斯涌出量、降低煤层瓦斯压力以及防止煤与瓦斯突出灾害的重要技术措施[1-6]。合理布置抽采钻孔间距是保证抽采效果的重要因素[7-8]。
　　地质资料表明：羊东煤矿2#煤层透气性系数0.18～0.82m2/（MPa2·d），钻孔瓦斯流量衰减系数 0.0048～0.0488d-1，属于可抽放煤层，回采工作面最大绝对瓦斯涌出量为10.4m3/min。
　　为了确定2#煤层有效抽采半径，本次采用现场实测法，通过瓦斯压力降低法对穿层钻孔抽采半径及SF6气体示踪法[10]对顺层钻孔抽采半径随抽采时间变化情况进行考察，为指导煤矿钻孔间距布置提供理论依据。
　　1 钻孔抽采半径的界定
　　《煤矿安全规程》关于预抽瓦斯防治突出效果检验的指标之一是煤层瓦斯预抽率大于30%，即抽采后的瓦斯含量小于抽采前的30%以上。《煤矿瓦斯抽采基本指标》（AQ1026-2006）规范中要求，在没有考察出煤层始突深度的煤层瓦斯含量时，煤层瓦斯含量必须降到8m3/t以下。
　　在《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》中，抽采后煤的残余瓦斯压力与瓦斯含量存在函数关系如下：
　　 式中：Wcy-残余瓦斯含量，7.947m3/t;a，b-吸附常数，a=32.546m3/t，b=0.682MPa-1;Pcy-煤层残余相对瓦斯压力，MPa;Pa-标准大气压力，0.101325MPa;Ad-煤的灰分，%，Ad=18.32%;Mad-煤的水分，%，Mad=0.66%;π-煤的孔隙率，%，π=4.00%;？酌-煤的容重（假密度），t/m3，？酌=1.68t/m3。
　　因此，抽采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正相关性。如果煤层瓦斯预抽率达到30%（即残余瓦斯含量为原始瓦斯含量值的70%），将煤层相关吸附常数、孔隙率等参数带入公式中，从而得到残余瓦斯压力与原始瓦斯压力的比率，求出煤层瓦斯预抽率达到30%时对应的煤层瓦斯压力下降量。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判定。
　　通过将羊东矿2#煤层相关参数带入公式（1）中，计算得出当煤层瓦斯预抽率为30%时，瓦斯压力为原始瓦斯压力的60.38%。
　　2 现场测试及结果分析
　　2.1 试验钻孔
　　使用相对瓦斯压力指标法测定2#煤层瓦斯抽采半径的方法，来实现回采工作面预抽、区域防突预抽等情况。抽放钻孔布置地点可以是回采工作面、矿井主要大巷以及矿井高位或者低位抽瓦斯巷内。
　　通过现场调研分析，结合煤矿井下实际情况，确定在五一回风下山121～125点区间进行穿层钻孔抽采半径考察工作;在X5-8460-2陷落柱治理巷以里95m处进行顺煤层钻孔抽采半径考察。
　　（1）穿层钻孔
　　穿层钻孔抽采半径考察布置1个抽采孔和6个测压孔，布置方式见图1。
　　（2）顺层钻孔
　　顺层钻孔布置图见图2，其中抽采孔6个，SF6注气孔3个。
　　2.2 穿层抽采钻孔数据分析 　　瓦斯抽放考察孔于2018年6月底开始施工，待测压孔瓦斯压力稳定后进行抽采孔施工，同时并接入井下瓦斯预抽系统，抽采负压12kPa，记录各测压孔瓦斯压力变化数据。抽采孔抽采半径测量时间为7.19～10.26，累计101d;通过对检测数据汇总分析，数据拟合，绘制钻孔压力变化曲线图，图3为抽采间距为6.5m考察钻孔压力变化图。
　　通过图3可以得出以下规律：钻孔瓦斯压力在钻孔开始抽采后，总体呈现降低趋势;观测孔与抽采钻孔间距越大，所需抽采时间就越长。
　　钻孔抽采半径测定结果见表1。
　　分析表1中数据可知，对抽采有效时间与抽采半径进行幂指数线性拟合，得到拟合曲线如图4所示，得到拟合曲线公式：
　　有效抽采半径：Rc=1.7842t0.3358
　　式中：Rc-抽采有效半径，m;t-抽采时间，d。
　　分析可知：通过穿层钻孔对8#煤层进行抽采，当抽采时间为75d时，抽采半径达到6.5m;并且穿层钻孔瓦斯抽采半径与抽采时间存在Rc=1.78240.3358的指数相关性。
　　2.3 顺层抽采钻孔数据分析
　　顺层钻孔抽采半径考察孔于2018年6月上旬開始施工，封孔后，向注气孔注入SF6气体，并关闭注气阀门，并将抽采孔接入矿井已有的预抽管路进行抽采，每天采集抽采孔气样，检测气样中是否含有SF6。其中：抽采孔抽采半径测量记录时间跨度为7月18号到9月27日末共计70d;根据各抽采孔检测出SF6日期，确定顺层钻孔抽采半径随抽采时间变化情况。
　　抽采孔内SF6浓度如图5所示：
　　顺层抽采半径测定结果见表2。
　　将表2中抽采有效时间与抽采半径进行幂指数线性拟合，拟合曲线如图6所示，可以得出如下公式：
　　有效抽采半径：Rc=1.0532t0.4142
　　式中：Rc-抽采有效半径，m;t-抽采时间，d。
　　根据以上得出：抽采时间为61d时，抽采半径为6.5m.在负压12kPa下，顺层钻孔瓦斯抽采半径与抽采时间存在Rc=1.4576t0.95082的关系。
　　2.4 差异性原因分析
　　上述研究可知：当顺层钻孔和穿层钻孔在相同抽采条件下抽采半径有较大差异，顺层钻孔的抽采半径明显大于穿层钻孔抽采半径，主要受到钻孔中瓦斯渗流场影响。对于穿层钻孔则是以沿煤层层理方向流动的径向流为主（图7a中实线箭头），抽采影响范围呈圆形。而对于顺层钻孔，除了径向流动以外（图7b中实线箭头），还有沿煤层层理方向流动的单向流动（图7b中虚线箭头），综合影响范围下影响范围呈椭圆形，造成其抽采半径在钻孔水平平面范围扩大。
　　3 结论
　　（1）利用压降法对2#煤层穿层钻孔进行抽采半径测试，抽采时间为75d时，抽采半径为6.5m。在抽采负压12kPa，钻孔直径Φ113mm下，抽采有效时间与抽采半径的关系为：Rc=1.0422t0.4145。
　　（2）利用SF6法对2#煤层顺层钻孔进行抽采半径考察，抽采时间为61d时，抽采半径达到6.5m，在抽采负压12kPa，钻孔直径Φ113mm下，顺层钻孔瓦斯抽采半径与抽采时间存在Rc=1.4576t0.95082的关系。
　　（3）相同时间、负压、煤层的条件下穿层钻孔抽采半径要小于顺层钻孔的抽采半径，主要原因是瓦斯渗流差异的原因。
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