陸俊翔,羅文柯,2*,王成龍,黃妍

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大學(xué) 煤炭安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 湘潭 411201)

我國是一個(gè)“富煤、貧油、少氣”的國家,隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對(duì)煤炭資源的需求一直位居世界第一[1].但隨著我國淺部煤層逐步枯竭,煤層開采以25～50 m/a的速度向深處延伸.由于開采深度增加,煤層瓦斯動(dòng)力災(zāi)害明顯提升[2].為了消除突出煤層在開采過程中發(fā)生煤與瓦斯突出(以下簡稱突出)事故,減少人員與財(cái)產(chǎn)的損失,根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》要求,須在實(shí)施兩個(gè)“四位一體”(區(qū)域防突四位一體和局部防突四位一體)后方可安全開采[3].其中預(yù)抽煤層瓦斯是區(qū)域防突的關(guān)鍵性技術(shù)措施,但在瓦斯抽采過程中,穿層鉆孔的間距設(shè)計(jì)一直是現(xiàn)場技術(shù)人員難以精準(zhǔn)掌握的課題.若穿層鉆孔間距布置過大,會(huì)容易出現(xiàn)卸壓盲區(qū),導(dǎo)致突出事故發(fā)生;若穿層鉆孔間距布置過小,則會(huì)增大穿層鉆孔的工程量,增加治理的時(shí)間與成本[4].因此,如何科學(xué)合理地確定穿層鉆孔的有效影響半徑,是現(xiàn)場與科研院校的研究人員迫切需要解決的問題.

林柏泉[5]等建立水力割縫煤體多場耦合模型,對(duì)水力割縫鉆孔周圍瓦斯流場的變化進(jìn)行了數(shù)值模擬研究;吳有增[6]等根據(jù)質(zhì)量守恒定律、Fick定律以及Darcy定律建立“瓦斯流動(dòng)模型”確定有效抽采半徑;楊宏民[7]等在對(duì)寺家莊礦15#煤層進(jìn)行抽放有效影響半徑的過程中,使用瓦斯流量法優(yōu)化礦井的抽放設(shè)計(jì)方案,消除其突出危險(xiǎn)性;肖喬[8]在測定四川某礦K1煤層排放鉆孔的有效影響半徑時(shí),采用“施工1組鉆孔,考察2項(xiàng)指標(biāo)(鉆屑解析指標(biāo)與瓦斯含量)”的布孔工藝,確保了結(jié)果的準(zhǔn)確性;曹佐勇[9]采用COMSOL Multiphysics模擬分析了近距離突出煤層水力沖孔鉆孔周圍煤體瓦斯壓力與孔徑之間的時(shí)空演化規(guī)律,并建立了基于質(zhì)量守恒定律的有效影響半徑理論計(jì)算公式.

鉆孔有效抽采半徑是指在一定時(shí)間內(nèi)從鉆孔中能抽出煤層氣的有效距離,鉆孔有效影響半徑是指在規(guī)定時(shí)間內(nèi),該半徑范圍內(nèi)的瓦斯壓力或瓦斯含量降低到安全允許值[10].利用壓降法測定鉆孔間距時(shí),在測試鉆孔周圍不同距離布置觀測孔,每間隔一定時(shí)間測定觀測鉆孔的瓦斯壓力值,將所得的瓦斯壓力值繪制成瓦斯壓力變化趨勢(shì)圖,當(dāng)鉆孔在一個(gè)確定時(shí)間內(nèi)連續(xù)測定得到的瓦斯壓力下降10%以上,則證明所測鉆孔位于被測鉆孔的影響范圍之內(nèi)[11].本文以鄒莊煤礦72煤和82煤為研究背景,利用壓降法測定穿層鉆孔的有效影響半徑,并以實(shí)測有效影響半徑作為礦井的穿層鉆孔布置間距,為煤礦的安全生產(chǎn)提供了有利保障.

1 壓降法測量原理與鉆孔布置

在鉆孔抽采影響范圍內(nèi),煤層的瓦斯壓力會(huì)不斷降低.根據(jù)這個(gè)原理,在抽采鉆孔周邊不同距離布置相應(yīng)的壓力測試鉆孔,通過測試鉆孔內(nèi)瓦斯壓力變化,結(jié)合距抽采鉆孔的距離即可確定該鉆孔的有效影響半徑[12].

1.1 工程概況

鄒莊煤礦位于宿州西南,淮北濉溪境內(nèi),隸屬安徽神源煤化工有限公司.南北長約6.5 km,東西長約3～5 km,井田面積約29.68 km2,設(shè)計(jì)年產(chǎn)量為240萬t.礦井服務(wù)年限為50.4 a,考慮到天然焦開采后可增加礦井服務(wù)年限5.5 a,礦井的總服務(wù)年限為55.9 a.

四采區(qū)位于礦井西南部,南坪向斜的西翼南段.整體形狀為向東傾斜的單斜構(gòu)造,地層傾角18°～41°,一般30°左右.在四采區(qū)內(nèi),主采72煤和82煤.72煤位于下石盒子組下部,由于巖漿巖侵入穿插,使煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜化,含1～2層夾矸.82煤位于下石盒子組下部,上距72煤0.79～18.84 m,平均9.60 m,煤厚0.74～5.24 m,平均2.37 m.煤層結(jié)構(gòu)簡單,個(gè)別鉆孔含1層夾矸,夾矸為炭質(zhì)泥巖.可采指數(shù)1.0,變異系數(shù)42.03%,為全區(qū)可采的較穩(wěn)定煤層.

1.2 測試鉆孔的布置及施工參數(shù)

在7401底抽巷的8#鉆場內(nèi)施工1個(gè)抽采鉆孔(1#)和8個(gè)測壓鉆孔(2#～9#),對(duì)四采區(qū)72煤的底板巖巷穿層鉆孔的有效影響半徑進(jìn)行實(shí)測,其中2#～9#測壓鉆孔到1#抽采鉆孔的法線距離分別為2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,4.5,5.0,5.5 m,如圖1所示.

圖1 四采區(qū)72煤抽采與測壓鉆孔布置

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)施方案, 72煤抽采與測壓鉆孔施工參數(shù)如表1所示.

表1 四采區(qū)72煤抽采與測壓鉆孔施工參數(shù)

在7401底抽巷的14#鉆場內(nèi)施工1個(gè)抽采鉆孔(1#)及6個(gè)測壓鉆孔(2#～7#),對(duì)四采區(qū)82煤的底板巖巷穿層鉆孔有效影響半徑進(jìn)行實(shí)測,2#～7#測壓鉆孔到1#抽采鉆孔的法線距離分別為2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,4.5 m.在測定82煤瓦斯壓力時(shí),由于上鄰近層72煤的煤層厚度較大,層間距小,瓦斯壓力將受到72煤瓦斯壓力的影響,且因8#鉆場72煤測試時(shí)有效影響半徑未達(dá)到5和5.5 m,故在14#鉆場測定82煤穿層鉆孔有效影響半徑時(shí)取消這2個(gè)有效距離實(shí)測鉆孔,改為測定72煤瓦斯壓力變化情況的8#與9#鉆孔,即a#和b#鉆孔,如圖2所示.

圖2 四采區(qū)82煤抽采與測壓鉆孔布置

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)施方案,82煤抽采與測壓鉆孔施工參數(shù)如表2所示.

表2 四采區(qū)82煤抽采與測壓鉆孔施工參數(shù)

2 壓降法測量結(jié)果與分析

2.1 原始瓦斯壓力測定結(jié)果

在72煤2#～9#,82煤2#～7#,a#與b#測壓鉆孔施工完畢后裝上壓力表,每天晚上定時(shí)觀測各測壓鉆孔的瓦斯壓力數(shù)據(jù),經(jīng)過20 d的觀測周期,測壓鉆孔壓力趨于穩(wěn)定,即可獲得各鉆孔所測定的原始瓦斯壓力值,測定結(jié)果如表3所示.

表3 四采區(qū)72煤、82煤各鉆孔原始瓦斯壓力測定結(jié)果

2.2 卸壓后穿層鉆孔有效影響半徑測定結(jié)果與分析

在各鉆孔的原始瓦斯壓力穩(wěn)定后,將連接瓦斯抽采管路的1#抽采鉆孔的閘閥打開進(jìn)行瓦斯抽采.同時(shí),每天晚上觀測1次各測壓鉆孔的瓦斯壓力,并將觀測數(shù)據(jù)如實(shí)記錄在觀測表格中,瓦斯壓力觀測數(shù)據(jù)按照1,2,3個(gè)月的時(shí)間周期進(jìn)行分析.

2.2.1 四采區(qū)72煤穿層鉆孔有效影響半徑的測定結(jié)果與分析

位于8#鉆場72煤的測定鉆孔,施工開始于2019年3月7日的14:50,全部鉆孔封孔完成時(shí)間為2019年3月9日20:10.2019年3月30日開始進(jìn)行瓦斯抽采,同時(shí)記錄3個(gè)月內(nèi)各鉆孔的瓦斯壓力,并分析其變化情況.72煤2#～9#各鉆孔瓦斯壓力變化情況如圖3所示.

圖3 四采區(qū)72煤各鉆孔瓦斯壓力變化曲線

根據(jù)圖3及測定結(jié)果,以3次以上測壓鉆孔瓦斯壓力降低幅度大于10%為有效影響半徑判定標(biāo)準(zhǔn),按照1,2,3個(gè)月的時(shí)間周期分析:

1)抽采時(shí)間1個(gè)月.時(shí)間周期為2019年3月30日—4月30日,連續(xù)3 d觀測到的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算,2#,3#和4#測壓鉆孔的瓦斯壓力降低幅度分別為45%,35%和15%,均大于10%,說明72煤穿層鉆孔1個(gè)月的有效影響半徑達(dá)到4#測壓鉆孔邊界,有效影響半徑R1月=3.0 m.

2)抽采時(shí)間2個(gè)月.時(shí)間周期為2019年3月30日—5月31日,連續(xù)3 d觀測到的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算,2#,3#,4#和5#測壓鉆孔的瓦斯壓力降低幅度分別為68%,51%,32%和18%,均大于10%,說明72煤穿層鉆孔2個(gè)月的有效影響半徑達(dá)到5#測壓鉆孔邊界,有效影響半徑R2月=3.5 m.

3)抽采時(shí)間3個(gè)月.時(shí)間周期為2019年3月30日—6月30日,連續(xù)3 d測定到2#,3#,4#,5#和6#測壓鉆孔的瓦斯壓力降低幅度分別為76%,63%,48%,34%和14%,均大于10%,說明72煤穿層鉆孔3個(gè)月的有效影響半徑達(dá)到6#測壓鉆孔邊界,有效影響半徑R3月=4.0 m.

2.2.2 四采區(qū)82煤穿層鉆孔有效影響半徑的測定結(jié)果與分析

位于14#鉆場82煤的測定鉆孔,施工開始于2019年5月8日的8:50,全部鉆孔封孔完成時(shí)間為2019年5月12日11:30.2019年5月31日開始進(jìn)行瓦斯抽采,同時(shí)記錄3個(gè)月內(nèi)各鉆孔的瓦斯壓力,并分析其變化情況.82煤2#～7#各鉆孔瓦斯壓力變化情況如圖4所示.

圖4 四采區(qū)82煤各鉆孔瓦斯壓力變化曲線

根據(jù)圖4及測定結(jié)果,以3次以上測壓鉆孔瓦斯壓力降低幅度大于10%為有效影響半徑判定標(biāo)準(zhǔn),按照1,2 ,3個(gè)月的時(shí)間周期分析:

1)抽采時(shí)間1個(gè)月.時(shí)間周期為2019年5月31日—6月30日,連續(xù)3 d觀測到2#,3#測壓鉆孔的瓦斯壓力降低幅度分別為35%,16%,均大于10%,說明82煤穿層鉆孔1個(gè)月的有效影響半徑達(dá)到3#測壓鉆孔邊界,有效影響半徑R1月=2.5 m.

2)抽采時(shí)間2個(gè)月.時(shí)間周期為2019年5月31日—7月31日,連續(xù)3 d測定到2#,3#,4#測壓鉆孔的瓦斯壓力降低幅度分別為48%,31%和18%,均大于10%,說明82煤穿層鉆孔2個(gè)月的有效影響半徑達(dá)到4#測壓鉆孔邊界,即有效影響半徑R2月=3.0 m.

3)抽采時(shí)間3個(gè)月.時(shí)間周期為2019年5月31日—8月30日,連續(xù)3 d測定到2#,3#,4#,5#測壓鉆孔的瓦斯壓力降低幅度分別為62%,44%,30%,17%,均大于10%,說明82煤穿層鉆孔3個(gè)月的有效影響半徑達(dá)到5#測壓鉆孔邊界有效影響半徑R3月=3.5 m.

綜上分析得到72煤、82煤在卸壓后預(yù)抽煤層瓦斯穿層鉆孔有效影響半徑測定結(jié)果,如表3所示.

表3 四采區(qū)72煤、82煤卸壓后穿層鉆孔有效影響半徑

3 穿層鉆孔有效影響半徑與抽采時(shí)間的測定結(jié)果分析

3.1 抽采時(shí)間與穿層鉆孔有效影響半徑的函數(shù)關(guān)系式

決定系數(shù)R2為回歸平方和與總離差平方和的比值,表示總離差平方和中可以由回歸平方和解釋的比例,這一比例越大越好,模型越精確,回歸效果越顯著.R2介于0～1,越接近1,回歸擬合效果越好.72和82煤層抽采時(shí)間與有效影響半徑的測量數(shù)據(jù)如表4所示.

表4 四采區(qū)72和82煤穿層鉆孔有效影響半徑與抽采時(shí)間

利用Origin擬合出函數(shù)關(guān)系，如圖5和圖6所示,并通過決定系數(shù)R2解釋函數(shù)關(guān)系的合理性.

圖6 四采區(qū)82煤抽采時(shí)間與有效影響半徑函數(shù)擬合

1)四采區(qū)72煤擬合函數(shù)關(guān)系式為

r=1.489 87t0.236 67.

(1)

式中:r為有效影響半徑,m;t為抽采時(shí)間,d.

式(1)中,a=1.489 87,標(biāo)準(zhǔn)誤差0.009 19;b=0.236 67,標(biāo)準(zhǔn)誤差0.001 74.擬合冪函數(shù)關(guān)系式的決定系數(shù)R2=0.999 85.決定系數(shù)R2接近于1,證明72煤穿層鉆孔有效影響半徑與抽采時(shí)間存在冪函數(shù)關(guān)系.

2)四采區(qū)82煤擬合函數(shù)關(guān)系式為

r=0.984 19t0.293.

(2)

式(2)中,a=0.984 19,標(biāo)準(zhǔn)誤差0.036 7;b=0.293,標(biāo)準(zhǔn)誤差0.009 91.擬合冪函數(shù)關(guān)系式的決定系數(shù)R2=0.996 94.決定系數(shù)R2接近于1,證明82煤穿層鉆孔有效影響半徑與抽采時(shí)間存在冪函數(shù)關(guān)系.

3.2 穿層鉆孔有效影響半徑與抽采時(shí)間的一般函數(shù)關(guān)系式

依據(jù)四采區(qū)72和82煤穿層鉆孔有效影響半徑與抽采時(shí)間的函數(shù)關(guān)系式可知,在煤層賦存條件一定、穿層鉆孔周圍煤層透氣性與預(yù)抽量成正比的情況下，根據(jù)對(duì)瓦斯流動(dòng)的相關(guān)分析,穿層鉆孔有效影響半徑r(m)與抽采時(shí)間t(d)之間符合冪函數(shù)關(guān)系,即

r=atb.

(3)

式中:a,b為常數(shù).

4 結(jié)論

1)以4.0和3.5 m分別作為72和82煤層的有效影響半徑能保障煤層安全開采,實(shí)踐證明了壓降法可為穿層鉆孔間距布置提供理論依據(jù).

2)在煤層賦存條件一定的情況下,穿層鉆孔有效影響半徑與抽采時(shí)間存在冪函數(shù)關(guān)系,利用其關(guān)系可有效預(yù)測煤層瓦斯抽采效率,減少煤礦開采過程中人力與物力等投入成本.