低透气性煤层交叉钻孔预抽瓦斯合理孔距研究

张颐纯 邢玉忠

(太原理工大学矿业工程学院,山西省太原市,030024)

低透气性煤层交叉钻孔预抽瓦斯合理孔距研究

张颐纯 邢玉忠

(太原理工大学矿业工程学院,山西省太原市,030024)

利用交叉钻孔抽放技术对山西昌达煤矿2#低透气性煤层进行瓦斯预抽。为了既能取得较好的抽放效果又能节约成本,在12601工作面进行现场试验研究,得到不同孔距交叉钻孔的百米钻孔瓦斯抽出量衰减规律,建立计算预抽率的理论方程,推算得出各孔距钻孔在预抽期为220 d时的预抽率。结果表明,在预抽期为220 d、预抽率为25%的要求下,孔距为3 m和孔距为4 m的交叉钻孔均为合理,但后者较前者工程量少,取得明显的经济效益,故孔距为4 m时最为理想。在相邻工作面进行应用,结果表明与研究相符,因此可以在本煤层其他工作面推广应用。

交叉钻孔 透气性 合理孔距 效果分析 预抽率

采用高压水力压裂以及水力割缝等增流提透技术可以改善低透煤层的瓦斯抽采问题,但由于工艺相对复杂且投入较大,在井下操作不方便,难以推广应用。国内外的研究表明,采用交叉钻孔技术预抽煤层瓦斯可以提高瓦斯抽放量,但针对不同的地质条件和煤层赋存状况,不同的布孔间距预抽煤层瓦斯效果也不同。本文根据山西昌达煤矿南六采区2#煤层松软低透的特点,在12601工作面划分4组不同孔距的区段进行交叉钻孔预抽煤层瓦斯试验研究,确定合理钻孔间距。

1 试验区概况

本次试验地点为昌达煤矿12601工作面,该面走向长1060 m,倾斜长度为183 m,所采煤层为南六采区2#煤层,煤层倾角12°～16°,煤层厚度4.2～4.5 m,平均厚度4.3 m,采高3.8 m。煤层直接顶为泥岩,厚度约为1.5～2 m;基本顶为砂岩,平均厚度为8.6 m;直接底为砂质泥岩,平均厚度为3.8 m。煤层原始瓦斯含量9.53～12.75 m3/t,煤体坚固性系数为0.17～0.48,煤层透气性系数为1.1532×10-7m2/(MPa2·d),具有松软低透特点。

2 试验区钻孔布置及抽放效果考察分析

2.1 钻孔布置方案

为测试不同孔距交叉钻孔预抽煤层瓦斯效果,找出合理的布孔间距,在12601工作面划分4个区段,布置4组孔距分别为3 m、4 m、5 m、6 m的交叉钻孔,依次分别记为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。钻孔总长为22670.3 m,共280个钻孔,每组交叉钻孔由35个平行钻孔和35个斜向钻孔构成。其中一孔与工作面平行,另一孔从平行孔下方穿过与工作面斜交,呈空间立体交叉。平行孔开孔位置距离煤层底板1.2 m,钻孔方向与轨道巷垂直,每组间隔30 m。交叉钻孔两孔间的高程差是影响预抽瓦斯效果的重要因素,取钻孔直径的5～8倍为宜。本次试验钻孔直径为78 mm,因此高程差控制在0.4～0.6 m之间。平行孔钻孔长度为75～80 m,平均长度为77 m,斜向孔钻孔长度80～85 m,平均长度为83.5 m,全部交叉钻孔都采用聚氨酯材料进行封孔,封孔深度为4 m,封孔长度为1 m,每组钻孔均设有孔板流量计,定期记录瓦斯抽放浓度和负压。

2.2 钻孔抽放效果考察分析

依据各组钻孔的瓦斯抽采总量,瓦斯抽采浓度以及钻孔总长度,计算出各组交叉钻孔的百米钻孔瓦斯抽出纯量qc,并结合时间形成测定数组(t, qc)。qc与时间t的关系遵循指数衰减规律：

式中：qc——在抽放时间为t时,百米钻孔瓦斯抽出量,m3/min·hm;

qc0——百米钻孔初始瓦斯抽出量, m3/min·hm;

b——百米钻孔瓦斯抽出量衰减系数,d-1;

t——钻孔抽放瓦斯时间,d。

同时可计算出当t→∞时,百米钻孔极限瓦斯抽出量QCJ。12601工作面4组不同孔距交叉钻孔的百米钻孔瓦斯抽出量随时间的变化曲线如图1所示。

图1 不同孔距交叉钻孔百米钻孔瓦斯抽出量随时间的变化情况

图中拟合曲线按以下两个原则处理：

(1)钻孔在初始3 d或4 d出现抽放量比较大的现象,主要原因是钻孔在成孔后没有立即进行抽放,导致在较长时间内由于解吸瓦斯的积聚,造成了初始抽放量过大的问题。因此在进行曲线回归分析时舍弃了这部分数据。

(2)原始数据波动较大,影响了指数函数回归的相关性,因此对原始数据进行了适当的筛选,波动过大的点不参与回归分析,保证了相关性系数R2在0.8以上。

从图1中可以看出：

(1)交叉钻孔抽放瓦斯衰减程度分为两个阶段,第一阶段抽放量有明显衰减,第二阶段衰减明显变缓,分析原因认为在抽放了一段时间后,随着煤体水分的不断排出,加大了煤层的透气性,同时随着瓦斯不断向外排出,促使煤体发生了收缩变形,使煤体在一定程度上卸压。在以上两种原因的共同作用下,抵消了瓦斯抽放流量随时间的衰减速率。

(2)随着孔距从3 m到6 m不断增大,其相应的交叉钻孔的百米钻孔瓦斯抽出量衰减系数呈增大趋势。当孔距为6 m时,其抽出量衰减系数是其他孔距的1.23～1.31倍。而交叉钻孔的百米钻孔极限瓦斯抽出量随着孔距增大不断降低,孔距为3 m时最大,瓦斯抽出量为5018.824 m3,孔距为6 m时最小,瓦斯抽出量为3009.439 m3,前者是后者的1.67倍。由此可见,孔距是影响交叉钻孔瓦斯抽出量的重要影响因素。减小钻孔间距,可以增强钻孔周围应力相互作用的区域,增强煤层的透气性。

(3)在进行数据整理绘制变化规律图像时,可以发现在某个时间内,交叉钻孔百米瓦斯自然涌出量突然有所增加,主要原因可能是此时钻孔正处于瓦斯富集带,产生喷孔。

3 钻孔合理孔距确定

预抽率是衡量钻孔预抽煤层瓦斯效果的重要指标之一,指在一定的抽放时间和某一范围内,钻孔瓦斯抽出量与该范围煤层瓦斯储存量之比。《煤矿瓦斯抽采基本指标》(AQ1026-2006)(简称标准)规定了矿井采用不同的方法抽采煤层瓦斯应达到相应的瓦斯抽采率指标,标准指出预抽回采工作面瓦斯的抽采率应达到25%。因此可以根据试验得到的各孔距钻孔的百米钻孔瓦斯抽出量随时间变化的衰减规律方程式,结合矿井由于采掘接替和巷道维护允许的预抽期以及相关的参数计算出不同孔距的交叉钻孔在预抽期内预抽本煤层瓦斯的预抽率。

特别指出,在以往计算钻孔的预抽率时通常认为各钻孔的预抽时间是一样的,即所有钻孔同时开始预抽。实际上在计算预抽率时需要考虑钻机打钻和钻孔预抽是同时进行的,钻孔分批打钻,分批投入抽放。因此结合本矿井实际情况,由于作业紧张,只有一台钻机工作逐批进行打钻即一批钻孔形成后立马进行抽采。在规定预抽期内,钻孔预抽瓦斯总量：

式中：Qc——钻孔预抽瓦斯总量,m3;

n——钻孔分批投入抽采的批数;

qc——百米钻孔经t时抽放时瓦斯流量, m3/min·hm;

ti——第i批钻孔预抽瓦斯时间,d;

Li——第i批钻孔总长度,m。

而关于每批钻孔预抽瓦斯时间：

式中：t0——满足采掘交替和巷道维护的预抽期, d;

tji——钻机从开始打完1批钻到打完第i批钻的时间,d。

钻孔预抽范围内煤体瓦斯储量QH为：

式中：QH——钻孔预抽范围内煤体瓦斯含量, m3/t;

m——煤层厚度,m;

γ——煤的容量,t/m3;

z——煤层瓦斯含量,m3/t;

Lc——交叉钻孔预抽煤体瓦斯范围沿工作面推进方向长度,m;

Lg——工作面含瓦斯带有效宽度(考虑到瓦斯排放带,小于工作面长度),m。

则交叉钻孔瓦斯预抽率为：式中：η——交叉钻孔瓦斯预抽率,%。

昌达煤矿允许的预抽时间为220 d,将工作面煤层的相关特征参数代入式(5)可得,孔距为3 m的交叉钻孔的预抽率为28.32%,孔距为4 m的钻孔预抽率为27.43%,孔距为5 m的钻孔预抽率为23.12%,孔距为6 m的钻孔预抽率仅为21.12%。故可知孔距为3 m和孔距4 m的交叉钻孔的预抽率均可满足在预抽期内抽采率达标要求。

但钻孔间距越小,钻孔工程量和施工成本就越大。孔距为3 m和孔距为4 m时相比,经计算4 m孔距所需施工钻孔总费用比3 m孔距减少120.23万元。故综合考虑交叉钻孔预抽本煤层瓦斯的合理孔距为4 m。

4 相邻工作面应用

12602工作面是12601工作面的相邻工作面,其自然条件与12601工作面相似,在12602工作面布置孔距为4 m的交叉钻孔预抽本煤层瓦斯,经过220 d的预抽期,根据瓦斯抽采效果对12602工作面进行评价：瓦斯预抽率达到26.57%,略低于理论计算值,主要是因为在实际的抽采过程中,由于煤层松软,个别交叉钻孔出现了塌孔现象,并没有完全发挥抽采能力,同时理论计算的过程具备理想化特点,因此两者出现了数值差异。但瓦斯预抽率满足大于25%的要求,即该工作面瓦斯预抽达标。通过此次工作面瓦斯抽采效果得知,可以在本煤层的其他工作面或者自然条件相似的相邻矿井推广应用,解决煤层透气性低,瓦斯难抽采问题。

5 结论

(1)通过试验研究得出孔距为3 m、4 m、 5 m、6 m时百米钻孔瓦斯抽出量随时间的衰减规律。根据计算预抽率的理论方程式推算得出预抽期为220 d时,各孔距交叉钻孔预抽工作面瓦斯的预抽率。

(2)孔距为3 m和孔距为4 m的交叉钻孔均可满足规定预抽期为220 d时,抽采率达到25%的达标要求,综合考虑钻孔工程量和施工成本,确定钻孔合理孔距为4 m。

(3)在相邻的12602工作面布置孔距为4 m的交叉钻孔预抽瓦斯,对预抽效果进行验证,在规定预抽期220 d内抽采率为26.57%,与理论值相差不大,故可以在本煤层的其他工作面推广应用。

[1] 林柏泉,张建国.矿井瓦斯抽放理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社,1996

[2] 张晋京.本煤层交叉钻孔预抽瓦斯试验研究[J].中国煤炭,2007(3)

[3] 张小刚,王沉.高瓦斯工作面顺层抽放钻孔模拟设计与应用[J].煤炭工程,2014(11)

[4] 常晓红.底板岩巷网格穿层抽采钻孔间距的优化研究[J].煤矿开采,2013(5)

[5] 陈国新,王玉武,孙波.交叉钻孔预抽本煤层瓦斯在平顶山矿区的应用[J].煤矿安全,2002(10)

[6] 李树刚,李志梁,林海飞等.煤层瓦斯合理预抽期研究[J].矿业安全与环保,2014(6)

[7] 方前程,王兆丰,杨利平.鹤壁矿区煤层瓦斯合理预抽期的研究[J].煤炭科学技术,2007(8)

[8] 程远平,俞启香,周红星.煤矿瓦斯治理“先抽后采”的实践与作用[J].采矿与安全工程学报, 2006(4)

[9] 程远平,俞启香.中国煤矿区域性瓦斯治理技术的发展[J].采矿与安全工程学报,2007(4)

[10] AQ1026-2006,煤矿瓦斯抽采基本指标[S].北京：煤炭工业出版社,2006

(责任编辑 张艳华)

中央企业煤炭资产管理平台公司成立运行

为贯彻落实党中央、国务院关于供给侧结构性改革重大部署,推动中央企业化解煤炭过剩产能和实现煤炭产业脱困发展,近日,中国国新、诚通集团、中煤集团、神华集团出资组建的中央企业煤炭资产管理平台公司即国源煤炭资产管理有限公司成立运行(以下简称“国源公司”)。国源公司的主要任务是配合落实中央企业化解煤炭过剩产能,推动优化整合涉煤中央企业煤炭资源,促进涉煤中央企业瘦身健体、提质增效、结构调整和改革脱困。

中央企业煤炭资产管理平台公司身上承担着新一轮国有资产管理体制改革的历史使命。与诚通、国新两家平台公司不同的是,这家平台公司的主要业务范围聚焦在煤炭行业内。

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

张颐纯(1990-),男,山西太原人,在读硕士研究生,主要从事矿井通风及灾害防治方面研究。