示踪气体法确定抽采半径在顾北煤矿的应用

胡金涛，吉丹妮

(1.安徽理工大学能源与安全学院，安徽淮南 232001;2.华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601)

0 引言

目前，我国瓦斯抽采存在抽采率较低等问题［1］，而确定煤层瓦斯合理抽采半径是实现矿井抽采达标最重要的技术工作之一。合理的抽采半径或抽采钻孔间距，是通过在一定条件下充分利用允许的预抽时间，减少钻孔工程量，提高抽采效率的优化参数［2］。但在实际应用中，瓦斯抽采半径的确定还没有形成统一的认识，并带有一定的主观经验性［3］。钻孔间距过大，会出现抽采盲区，达不到瓦斯抽采的效果;钻孔间距过小，则会出现串孔现象，并且增加瓦斯抽采的成本。因此，确定合理的抽采半径至关重要。目前常用的钻孔有效抽采半径测定方法是煤层瓦斯压力降低法［4－7］，本文采用的是运用 SF6作为示踪气体确定抽采半径的一种新型方法。

1 矿井概况

顾北煤矿位于安徽省淮南煤田潘谢矿区顾桥井田的西部，总体形态为一走向近南北～北东东、倾向东～南南东、倾角多为5°～15°的单斜构造。其中中部由 F92、F93、F94、Fl00和 F104等断层围成的三角形块段构造较复杂，北侧块段构造简单，南侧块段构造较简单。

井田内二叠系含煤层段厚约734m，有7层可采煤层，平均总厚22.39m。其中13 －l、11 －2、8、6－2和1煤为主要可采煤层，平均总厚20.33 m;7－2和4－l煤为局部可采煤层，平均总厚2.06 m。该矿井采用立井、主要石门和分组集中大巷开拓方式。通风系统为中央并列式，抽出式通风。该井田主要可采煤层的煤尘均具有强爆炸性。煤尘爆炸指数一般为35.31% ～41.85%，平均36.41%～40.87%。

矿井瓦斯涌出量预计为31.73～55.79 m3/min，为煤与瓦斯突出矿井。大部分可采煤层为极易自燃煤层，发火期一般为3～6个月。

2 测试方法

2.1 示踪气体的性质

示踪气体现已成为煤矿井下检测漏风通道、判断漏风方向、确定漏风风量的可靠手段。示踪气体SF6是一种灵敏性极强的气体，其最小检测浓度甚至可以达到10－10，而且纯净的SF6是无色无嗅无毒的气体;虽然煤层中存在着很多种气体，但SF6气体是煤层中绝对不含有的。根据以上因素，因此此气体适合用来测量煤层瓦斯抽采半径。

2.2 实验步骤

选择4号煤层作为实验煤层，实验地点选定北一回风上山底抽巷38#钻场。首先在所测定区域打好抽排孔，见图1，并且保留一个抽排孔不进行封闭，该孔用来释放SF6气体。在释放SF6气体时，要事先准备一定量的黄泥将孔口直接封住(防止SF6气体从孔内溢出)。当瞬间释放10 mL SF6气体之后，大约20～30分钟就可以通过地面抽排系统进行抽气。由于抽排孔能抽出游离的瓦斯，而SF6具有优越的灵敏性，将会同游离瓦斯一起被抽出。此时就可以利用事先准备好的取样器、真空袋等一系列的设备进行取样然后到实验室运用气相色谱仪进行化验分析。

北一回风上山底抽巷38#钻场5个测量钻孔测定结果见图2。

图1 抽排孔、测量孔布置示意图

通过测定结果可以看到，5个抽采孔里面都存SF6气体，但这并不能说明只要是存在SF6的地方与释放孔之间的距离就是抽采半径，因为SF6气体是灵敏性极强的一种气体，其灵敏性可达10－10，并且SF6气体达到一个抽采孔后将会影响到相临的抽采孔，同时当释放SF6气体时，会使周围的空气中也存在该气体(113 ppb)。由于当SF6的浓度小于100 ppb时，则可以忽略不计。因此通过观测并进行相关计算与分析可知，由此可以判断出4煤层的瓦斯抽采半径D为2 m。

为了进一步掌握抽采半径随抽采时间的关系，尤其要了解抽采7天和一个月后的抽采半径，将6#和7#钻孔连上抽采系统，并每天每个抽样孔取一次样进行测定，共测试37天，测试结果见图3所示。

从图3知，4煤抽采7天后抽采半径为3m，抽采一个月为4m，抽采半径随抽采时间的关系见图4。

图2 北一回风上山底抽巷38#钻场1#～5#孔SF6浓度变化曲线图

图3 抽采钻孔浓度随抽采时间的关系

图4 4煤抽采半径随抽采时间的关系

现场试验过后，通过对比矿方提供的原始资料，按照传统的煤层瓦斯压力测定法(即压降法)测得的抽采有效影响半径范围在2.0～2.5 m之间，与示踪气体法测得的抽采半径相比，误差在20%以下，符合现场测试要求。

3 与传统压降法比较优点

1)传统的压降法需要测定煤层巷道的瓦斯压力，而在现场实测中，瓦斯压力的测试难度较大，由于在测试过程中需要准确观测压力变化，开采煤层的动态变化致使测压孔漏气或因水压等因素导致测定效果不理想，无法准确测定有效抽采半径［8］。示踪气体法只需要测试抽采气体的成分，测试更容易，结果更准确。

2)随着埋藏深度的增加，煤层的瓦斯压力也逐渐升高，因此基于瓦斯压力参数的抽采半径也会随之缩短，而示踪气体法是基于气体的成分，它受埋藏深度等因素的影响相对较小。

3)压降法周期长，成本高［9］，测量存在误差的可能性大，因此，示踪气体法在实际操作中优势更明显。

4 结论

1)主要利用示踪气体法测定瓦斯抽采半径，并运用传统的压降法辅助测量，最终得到顾北煤矿4煤层瓦斯一个月抽采半径为4 m。

2)将示踪气体法与传统的压降法进行优缺点比较，得到该方法有准确性高、成本低、周期短、更容易操作等优点。

［1］ 张浩然.煤矿瓦斯抽采技术研究及应用［D］.太原:太原理工大学，2011.

［2］ 唐兵，等.钻孔瓦斯抽采半径的确定方法及实践［J］.矿业安全与环保，2012，4(39):44 －46.

［3］ 郝富昌，等.瓦斯抽采半径确定方法的比较及存在问题研究［J］. 煤炭科学技术，2012，12(40):56 －58.

［4］ 徐三民.确定瓦斯有效抽采半径的方法讨论［J］.煤炭工程师，1996，3:43 －45.

［5］ 吕贵春.可解吸瓦斯含量降低法在顺层钻孔瓦斯抽采半径考察中的应用［J］.矿业安全与环保，2012，39(2):52－55.

［6］ 张永将，孟贤正.高压水射流水力扩孔抽采半径考察研究［J］. 矿业安全与环保，2012，39(SI):45 －46.

［7］ 余陶，卢平，孙金华，等.基于钻孔瓦斯流量和压力测定有效抽采半径［J］.采矿与安全工程学报，2012，29(4):596－600.

［8］ 魏国营等，煤层钻孔瓦斯有效抽采半径判定技术［J］.辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2013，6(32):754－758.

［9］ 王琪等，瓦斯含量法测定钻孔抽采半径在新集二矿的应用［J］. 矿业安全与环保，2013，4(40):61 －63.