水力冲孔钻孔有效抽采半径的测试研究

水力冲孔钻孔有效抽采半径的测试研究
王峰;陶云奇;冀凯
【摘要】为了研究水力冲孔钻孔有效抽采半径与冲煤量、抽采期的关系,采用煤层瓦斯含量法进行现场试验研究,采用冲煤量统计、瓦斯抽采数据采集等手段进行分析考察,最终获得中马村矿不同冲煤量和不同抽采期的水力冲孔钻孔有效抽采半径.研究结果表明,水力冲孔钻孔有效抽采半径随冲煤量及抽采时间的增加而增大,但增长速度逐渐衰减,根据其增长规律,获得中马村矿最佳水力冲煤量为1.0～2.0 t/m、最佳抽采期为90 d,相应的有效抽采半径为3.50～3.73 m,并通过卸压范围考察获得水力冲孔充分卸压范围为1.5 m,佐证了水力冲孔有效抽采半径考察结果的合理性.该研究方法具有较强的适用性,可为不同地质条件的矿井提供技术支持.%In order to study the relationship between the effective extraction radius of the hydraulic flushing holes and the amount of flushed coal and extraction time, in this paper,field test study was carried out by using the method of coal-seam gas content, investigation and analysis were conducted through the statistacs of the amount of flushed coal and the gathering of gas extraction data,and finally,the effective extraction radius of the hydraulic flushing holes with different amount of flushed coal and different extraction time in Zhongmacun Mine was obtained. The research results showed that the effective extraction radius of the hydraulic flushing holes increased with the increase of the amount of flushed coal and the the extraction time, but the growth rate gradually attenuated, based on its growth rule, the best amount of flushed coal of 1. 0 t/m to 2. 0 t/m, the optimum extraction time of 90 d and the corresponding effective
extraction radius of 3. 50 m to 3. 73 m in Zhongmacun Mine were obtained, and through the investigation on the pressure relief range, it was obtained that the full pressure relief range of the hydraulic flushing holes was 1. 5 m, which proved the rationality of the investigation results of the effective extraction radius of hydraulic flushing holes. This research method has strong applicability, and can provide technical support for the coal mines with different geological conditions.
【期刊名称】《矿业安全与环保》
【年(卷),期】2017(044)006
【总页数】5页(P49-53)
【关键词】水力冲孔;有效抽采半径;瓦斯抽采;冲煤量;卸压范围
【作者】王峰;陶云奇;冀凯
【作者单位】河南能源化工集团研究院有限公司,河南郑州450046;河南省低渗突出煤层煤与瓦斯共采工程技术研究中心,河南郑州450046;河南能源化工集团研究院有限公司,河南郑州450046;河南省低渗突出煤层煤与瓦斯共采工程技术研究中心,河南郑州450046;河南龙宇股份有限公司陈四楼煤矿,河南永城476600
【正文语种】中文
【中图分类】TD712+.6
钻孔瓦斯抽采有效影响半径是指单个钻孔在一定抽采时间内沿其半径方向能够达到抽采目标的最小范围。

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［3－5］和煤层瓦斯含量降低法［6－10］。

由于瓦斯压力降低法需要现场测定
煤层瓦斯压力，存在测定周期长、成本高、准确率低等缺点，且中马村矿煤种属于无烟煤，吸附能力强，呈现瓦斯压力低、含量高的特点，因此选用煤层瓦斯含量降低法。

该方法是根据煤层原始瓦斯含量和瓦斯残余量确定瓦斯抽采率，结合一定时间段钻孔瓦斯抽采总量，最终确定该时间段的钻孔有效抽采半径。

钻孔有效抽采半径主要与煤层瓦斯含量、透气性系数、抽采钻孔直径，以及抽采负压、抽采目标和时间等因素有关。

本次考察的是在水力冲孔条件下钻孔的有效抽采半径，水力冲孔形成的钻孔空洞会存在不均一性，因此要求水力冲孔按照同一作业标准进行，认为形成的钻孔空洞是均匀的圆柱体，进而考察水力冲孔钻孔的有效抽采半径。

根据《煤矿安全规程》［11］、《防治煤与瓦斯突出规定》［12］、河南省煤矿抽采达标标准等规定，确定抽采目标［13］。

1)瓦斯抽采率。

按照河南省要求的抽采达标标准，煤层瓦斯含量降至6 m3/t以下和瓦斯压力降至0．6 MPa以下，方可认为抽采达标。

瓦斯抽采率计算公式如下: 式中:W为煤层原始瓦斯含量，m3/t;Wp0．6为瓦斯压力降至0．6 MPa时煤层瓦斯含量，m3/t;η为煤层瓦斯抽采率，%;η1为煤层瓦斯含量降至6 m3/t时的瓦斯抽采率，%;η2为煤层瓦斯压力降至0．6 MPa时的瓦斯抽采率，%。

根据中马村矿的煤层瓦斯赋存含量高、压力低的特点，取η =η1。

2)累计抽采量。

根据煤层瓦斯流动理论，钻孔瓦斯抽采量与时间的关系近似符合以e为底的指数函数规律［14－15］。

实际应用中，任意时刻每米钻孔瓦斯抽采量Q与时间t的关系如下:
式中:Q0为每米钻孔初始瓦斯抽采量，m3/m;a为钻孔瓦斯流量衰减系数。

对式(4)进行积分，可以得到钻孔瓦斯累计抽采量Qt与时间的关系:
3)抽采半径。

根据质量守恒定律可以得到:
式中:r为抽采半径，m;L为冲煤长度，m;ρ为煤体密度，kg/m3;r2为有效抽采半
径，m;r1为钻孔半径，m。

对式(6)进行积分可以得到:
由于钻孔半径与抽采半径相比很小，即略去二阶无穷小得:
2．1 试验区概况
本次试验地点选在中马村矿27采区的27001底板回风巷第二区段，如图1所示。

该巷道采用底板巷穿层钻孔区域措施进行27001工作面回风巷条带消突，瓦斯抽
采钻孔设计分为5个区段。

27001工作面位于27采区西翼上部，工作面走向长747 m，斜长171 m，27采区的二1煤层属于高瓦斯煤层，具有突出危险性，27001底板回风巷的第二区段测试区煤层厚度 2～5 m，平均煤厚 3 m;煤层倾角8°～17°;煤层瓦斯含量平均18 m3/t，煤的坚固性系数f值为0.2～0．5。

2．2 试验方案设计
本试验研究设计了2个方案:水力冲孔钻孔有效抽采半径测定和水力冲孔钻孔卸压
范围测定。

1)方案一:水力冲孔钻孔有效抽采半径测定。

在27001底板回风巷第二区段设计3
组(15个)水力冲孔钻孔进行考察，为了防止钻孔间的相互影响，每组钻孔间距15 m，每组5个钻孔，组内钻孔间距最小为23 m，如图2所示，钻孔设计参数如表1所示。

水力冲孔作业要求:冲孔压力3 MPa，每米钻孔冲孔时间为1 h。

冲孔完
成后及时封孔联抽，每日测定瓦斯抽采浓度、流量。

2)方案二:水力冲孔钻孔卸压范围测定。

在27001底板回风巷第二区段设计5组(7个)测压孔，测压孔垂直煤层，不冲孔作业，完孔后进行封孔测压。

在测压孔9 m
范围内布置水力冲孔钻孔，钻孔参数同测压孔，距离测压孔 9、7、5、3、2、1
m 由远及近依次施工水力冲孔钻孔，冲孔标准为1．0 t/m，施工后观察压力表读数，待读数稳定后继续施工，直至压力表读数为0，停止施工。

3．1 水力冲孔钻孔卸压范围考察分析
本次现场试验采取压力法考察水力冲孔卸压范围，按照方案施工了7个测压孔，压力表读数和卸压距离如表2所示。

待压力表稳定后，施工水力冲孔卸压钻孔，考察压力表读数，水力冲孔卸压钻孔最远距离为9 m，最近距离为1 m，试验完成时共施工了20个水力冲孔卸压钻孔，考察情况如图3所示。

由表2可以看出，试验地点测得的最大瓦斯压力为0．80 MPa，其他压力表读数偏低，分析认为应是封孔不严造成的，但不影响该方案考察，该方案主要考察卸压情况。

图3表示了在施工不同距离卸压钻孔后压力表稳定期(卸压钻孔完成3～4 d后)读数，在施工距离5 m卸压钻孔时，压力表读数出现缓慢下降，但下降值较小，随即稳定，随着近距离卸压钻孔的施工压力读数逐渐下降，直至施工1．5 m卸压钻孔，压力孔迅速卸压至0。

笔者认为在水力冲孔作业条件下，前期压力孔受扰动影响，煤层裂隙增大，压力表读数下降;而后处于稳定状态，该状态下煤层瓦斯压力处于一种平衡，压力读数维持不变。

而距离卸压孔1．5 m时，该区域煤体充分卸压，煤层瓦斯迅速解吸，瓦斯压力迅速卸压为0，表明了水力冲孔钻孔1.5 m半径区域内煤体得到充分卸压，煤层瓦斯短时间内解吸释放，因此，冲煤标准1．0 t/m时，水力冲孔钻孔有效抽采半径应大于1．5 m。

3．2 水力冲孔有效抽采半径测定结果
经现场跟踪采集水力冲孔钻孔瓦斯抽采浓度、流量，获得1#、2#、3#组(15个)水力冲孔钻孔的瓦斯抽采纯量随时间变化规律，如图4所示。

累计瓦斯抽采量计算方法:拟合获得每个钻孔的单位冲煤量的瓦斯抽采量与时间的函数，由拟合的抽采函数计算钻孔的瓦斯抽采量，获得水力冲孔钻孔的抽采半径。

由于3组抽采钻孔单位冲煤量不同，而煤质、区域、瓦斯赋存、施工工艺等条件基本一致，可以认为最终造成钻孔有效抽采半径差异的关键性因素是单位冲煤量。

结合各个钻孔的冲煤量，获得不同时期(30、90、180 d)3组(15个)抽采钻孔的有
效抽采半径与单位冲煤量的对应关系，如图5～7所示。

由图5～7可以看出，水力冲孔抽采半径随单位冲煤量的增加而增大，增长速度呈衰减趋势，拟合的线性关系符合指数函数规律。

以实际考察水力冲孔钻孔的抽采半径分布情况来看，在冲煤量为1．0～2．0 t/m时，抽采半径比较稳定，因此，中马村矿水力冲孔冲煤量标准应取 1．0～2．0 t/m。

根据不同时期水力冲孔抽采半径增长情况，获得不同冲孔规模钻孔不同抽采时期的有效抽采半径，如表3所示。

可以看出，考察所得的水力冲孔有效抽采半径大于水力冲孔充分卸压范围1．5 m，佐证了所得水力冲孔有效抽采半径的合理性。

水力冲孔钻孔有效抽采半径随抽采时间的延长，其增加量逐渐减小，如单位冲煤量为2．0 t/m时，以180 d为抽采极限值，此时有效抽采半径为3.80 m;30 d有效抽采半径为 3．25 m，达到极限值的85%;90 d有效抽采半径为3．73 m，达到极限值的98%。

因此中马村矿的最佳抽采期应为3个月。

1)水力冲孔钻孔的有效抽采半径随单位冲煤量的增加而增大，增长速度逐渐衰减，有效抽采半径增长规律符合指数函数规律。

根据实际考察所得的水力冲孔钻孔有效抽采半径，中马村矿最佳单位冲孔煤量标准应为 1．0～2．0 t/m。

2)中马村矿水力冲孔钻孔最佳抽采期为3个月(90 d)，以180 d有效抽采半径为极限值，在单位冲煤量为2．0 t/m时，30 d有效抽采半径达到极限值的85%，90 d有效抽采半径达到极限值的98%。

3)获得中马村矿不同单位冲煤量和抽采期的水力冲孔钻孔有效抽采半径，并通过现场试验获得水力冲孔充分卸压区为1．5 m，佐证了所得有效抽采半径的合理性。

【相关文献】
［1］胡千庭．预防煤矿瓦斯灾害新技术的研究［J］．矿业安全与环保，2006，33(5):1－7．［2］俞启香．矿井瓦斯防治［M］．徐州:中国矿业大学出版社，1992．
［3］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．
［4］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(S1):45－46．
［5］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．
［6］马耕，苏现波，魏庆喜．基于瓦斯流态的抽采半径确定方法［J］．煤炭学报，2009，
34(4):501－504．
［7］季淮君，李增华，杨永良，等．基于瓦斯流场的抽采半径确定方法［J］．采矿与安全工程学报，2013，30(6):917－921．
［8］刘三钧，马耕，卢杰，等．基于瓦斯含量的相对压力测定有效半径技术［J］．煤炭学报，2011，36(10):715－719．
［9］徐三民．确定瓦斯有效抽放半径的方法探讨［J］．煤炭工程师，1996(3):43－45．［10］郝富昌，孙丽娟，刘明举．考虑卸压和抽采效果的水力冲孔布孔参数优化研究［J］．采矿与安全工程学报，2014，31(5):756－763．
［11］国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局．煤矿安全规程［S］．北京:煤炭工业出版社，2011．
［12］国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局．防治煤与瓦斯突出规定［S］．北京:煤炭工业出版社，2009．
［13］唐兵，司春风，孟贤正．钻孔瓦斯抽采半径的确定方法及实践［J］．矿业安全与环保，2012，39(4):43－45．
［14］魏国营，秦宾宾．煤体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)，2013，32(6):754－758．
［15］刘国俊．淮南矿区水力冲孔技术参数优化及效果考察研究［D］．焦作:河南理工大学安全科学与工程学院，2011:49－60．。