本煤层瓦斯抽放钻孔布置间距的优化方法

皖北煤电集团孟庄煤矿地质构造复杂 , 瓦斯问 题严重 , 1996 - 1997 年间 , 矿井共发生 7 次煤与瓦 斯突出动力现象 ,最大突出煤量 19 t, 2005 年经省发 改委批准为煤与瓦斯突出矿井 。由于孟庄矿已经进 入到 - 700 m 以下深部开采 , 矿井瓦斯涌出量明显 增大 ,因此 ,现阶段怎样进一步做好矿井瓦斯抽放工 作 ,如何提高煤层瓦斯预抽率 , 增加预抽量 , 已经成 为矿井安全生产中需要亟待解决的问题 。 3. 1 顺层钻孔瓦斯抽放效果考察 孟庄煤矿 Ⅳ1 采区采用顺层钻孔预抽本煤层瓦 斯 。为摸清适合于 Ⅳ 1 采区本煤层瓦斯抽放的参 数 ,优化顺层钻孔的抽放效果 ,在 Ⅳ311 工作面风巷
4 结 论 ( 1 )分析钻孔抽放瓦斯效果的影响因素可知 ,
(2009 - 03)
・27・
距的理论方程式 ,推算得出了工作面顺层钻孔布置 间距与本煤层瓦斯预抽期的对应关系 。 ( 4 )对皖北孟庄煤矿 Ⅳ311 工作面顺层钻孔预 抽瓦斯效果进行验证 , 其结果为 : 经过 6 个月预抽 期 ,工作面瓦斯预抽率达到了 31. 3% , 可解吸瓦斯 3 含量降至 6. 099 m / t, 满足瓦斯抽采指标可解吸瓦 3 斯含量 8 m / t以下标准 ,工作面基本消除了煤与瓦 斯突出危险性 。 参考文献 :
r 0
〔 1〕
。而钻孔布
置间距与钻孔的有效抽放半径有关 ; 有效抽放半径 随抽放时间的延长而逐渐增大 , 当时间达到某一临 界值时 , 则达到极限抽放半径 。若 2 个钻孔间距超 过极限半径的 2 倍 , 则无论怎样延长抽放时间 , 钻孔 之间煤体中的瓦斯总有一部分抽不出来 。而钻孔布 置过于密集时 , 钻孔在抽放过程中容易串孔 , 且打钻 成本显著增加 。因此 , 对于本煤层瓦斯抽放参数设 计 , 以合理确定钻孔布置间距最为重要 。
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3
∫
t
∫
t
- 0. 014 4 t
( 7)
根据式 ( 7 )求得顺层钻孔不同预抽期所对应的 钻孔布置间距如表 2 所示 。
表 2 钻孔间距与抽放时间的关系
抽放时 间 /d
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300
钻孔间 1. 05 1. 73 2. 17 2. 46 2. 65 2. 76 2. 84 2. 90 2. 93 2. 95 距 /m
〔 2〕
理论研究表明 , 钻孔抽放本煤层瓦斯属于径向 不稳定流动 ,在瓦斯流动时间较长时 ,钻孔稳定的瓦 斯流量基本上与煤层原始瓦斯压力和钻孔内瓦斯压 力平方差成正比 , 与煤层透气性系数 λ成正比 , 与 钻孔半径的 1 /3 ～1 /5 次方成正比 。根据煤层瓦斯 流动特性 ,当流动为稳定流时 ,钻孔瓦斯径向流动的 表达式为 : 2 πMλ ( p2 0 - pr0 ) Q = R p 标 ln
〔 1〕 余长林 . 提高低透气性煤层钻孔抽放瓦斯量的途径 〔 J〕 . 煤矿安全 , 1999 ( 5 ) : 35 - 36. 〔 2〕 李海涛 . 采空区瓦斯抽放参数的优化 〔 D〕 . 阜新 : 辽宁 工程技术大学 , 2005. 〔 3〕 张铁岗 . 矿井瓦斯综合治理技术〔 M〕 . 北京 : 煤炭工业 出版社 , 2001. 〔 4〕 AQ1026 - 2006,煤矿瓦斯抽采基本指标〔S〕 . 北京 : 煤 炭工业出版社 , 2006. 作者简介 : 于宝海 ,男 , 江苏江都人 , 硕士 , 助教 , 从事矿 井通风与安全工程方面的研究 。
0
∫
t
图 1 百米钻孔瓦斯流量变化曲线图
3 孟庄矿 Ⅳ311 工作面煤体密度 ρ = 1. 40 t/m , 3 煤层厚度 M = 2. 4 m , 煤层瓦斯含量 W = 8. 878 m /
ρ MWη
(6)
η— 式中 — — 预抽瓦斯率 , % 。 其它符号意义同上 。
3 应用实例
t; 预测工作面正常回采期间 , 工作面绝对瓦斯涌出
-1
∫
2007 年 5 月 0. 427 7 0. 523 5 0. 503 7 0. 485 0
m ;
3
q ( t) — — — 百米钻孔经 t 日排放时的瓦斯流 3 量 , m / (m in ・hm ) ; l— — — 钻孔长度 , m; t— — — 抽放时间 , d。 而钻孔单孔控制范围内煤体瓦斯储量 QH 为 : ( 4) Q H =ρ M lHW ρ 式中 — — — 煤的密度 , t/m ; M — — — 煤层平均厚度 , m; H — — — 钻孔间距 , m; 3 W — — — 煤层原始瓦斯含量 , m / t。 则经 t ( d )时间瓦斯抽出率 η应为 : t 1 440 q ( t) d t Qc 0 100 η = = ρ QH M HW
(收稿日期 : 2008 - 08 - 04; 责任编辑 : 王福厚 )
通过增大钻孔孔径和提高抽放负压来增加瓦斯抽放 率其效果不佳 ,对于本煤层瓦斯抽放参数设计 ,以合 理确定钻孔布置间距最为重要 。 ( 2 )根据钻孔瓦斯流量衰减规律方程 , 以抽出 率作为指标 ,建立了本煤层瓦斯预抽钻孔布置间距 的理论方程式 。 ( 3 )通过对皖北孟庄煤矿 Ⅳ311 工作面顺层钻 孔试验数据的考察分析 , 根据瓦斯预抽钻孔布置间
・ 国外煤矿安全信息 ・ 乌克兰采矿设备用耐火工作液体的现状和发展前景 耐火工作液体是采矿设备的主要部分 。它把机械作业力从动力机传送到机械执行部分 。采 矿设备的工作适应性 、 可靠性 、 耐久性和生产效率取决于耐火工作液体的性质 。耐火工作液体影 响到作业安全 、 人员健康 、 生态环境 、 采煤的经济状况 。例如 ,机械化液压支架工作液体的耗量决 定着支架的类型 、 耐磨性 、 机械操作水平 ,其吨煤消耗量为 1. 25 ～10 L。按欧盟发达国家采用的分 类 ,耐火工作液体分 3 种类型 : HFB - 机械化支架的液压系统 ; HFA - 液压离合器用的返复用乳状 液 ; HFC - 以聚乙二醇类代替采煤机液压系统用的石油 。乌克兰煤矿采用 HFA 型的耐火工作液 体 。 1996 年 ,科研部门根据乌克兰煤炭部要求 ,制定出耐火工作液体的要求和其性质 。其中有耐 火工作液体中水的乳化要求 ; 对乳化液的乳化作用和稳定性的要求 ; 对保持稳定性持续时间的要 求 ; 耐火工作液体的摩擦性要求和防腐要求 ; 对非金属结构材料作用的要求 ; 对操作人员伤害作用 要求等 。最近研制出 1 Р Ж - 万能乳化液 ,经过化验和实际应用得到很好的效果 。 摘自 《У Г О Л ЬУ К Р А И Н Ы》 2008 No. 6
行数据考察 ,其百米钻孔月平均瓦斯流量如表 1 所 示。
表 1 风巷 1 - 3 号试验钻孔百米瓦斯流量统计值 10 - 2 m3 ・ (m in. hm )
钻孔号
1 2 3 2007 年 2 月 1. 995 1 1. 643 5 1. 541 3 1. 726 6 2007 年 3 月 0. 65 1. 124 7 1. 123 2 0. 966 0 2007 年 4 月 0. 533 9 0. 572 2 0. 635 1 0. 580 4
2 瓦斯抽放钻孔布置间距的优化方法 2. 1 钻孔瓦斯流量衰减规律
( 1)
式中 Q — — — 钻孔瓦斯流量 , m / d; M — — — 煤层厚度 , m; 2 2 λ — — — 煤层透气性系数 , m / (M Pa ・d ) ; p0 — — — 煤层原始瓦斯压力 ,M Pa; pr0 — — — 钻孔内瓦斯压力 ,M Pa; p — — 标准大气压力 , 0. 1 M Pa; 标 — R — — — 钻孔抽放半径 , m; r0 — — — 钻孔半径 , m。 从式 ( 1 ) 可以看出 , 加大钻孔孔径能起到增加 瓦斯抽放量的效果 。假定当钻孔抽放瓦斯半径为
从表 2 可以看出 , 当钻孔布置间距取 2. 76 m
技术经验 煤矿安全
时 ,本煤层预抽期需要 6 个月 ,其预抽率达到 30% 。 因此 ,确定优化后的顺层钻孔布置间距取 2. 5 m 较 为合适 。 3. 2 优化后的顺层钻孔预抽瓦斯效果 根据 Ⅳ 311 工作面顺层钻孔布置间距优化结 果 ,进行钻孔抽放参数设计施工顺层钻孔并挂网抽 放 。经过 6 个月预抽期 , 对 Ⅳ311 工作面进行消突 评价 ,其结果为 : 瓦斯预抽率达到了 31. 3% ,可解吸 3 瓦斯含量降至 6. 099 m / t, 满足瓦斯抽采指标可解 3 吸瓦斯含量 8 m / t以下标准 ,工作面基本消除了煤 与瓦斯突出危险性 。
3
平均值
3. 2 钻孔布置间距的优化确定
对表 1 试验钻孔考察数据进行回归拟合分析 , 如图 1,可得钻孔瓦斯流量衰减指数方程为 :
q ( t) = 0. 024 4e
- 0. 014 4 t
∫
( 5)
即以抽出率作为指标 , 确定钻孔布置间距的理 论方程式为 :
1 440 q ( t) d t
H =
13 kPa。 2007 年 2 - 5 月对钻孔瓦斯流量和浓度进
2. 2 钻孔布置间距理论方程式建立
根据钻孔瓦斯流量衰减规律方程式 ( 2 ) , 推算 经 t ( d ) 时间单孔抽放的瓦斯总量为 : t 1 440 ( 3) Oc = lq ( t) d t 0 100 式中 Q c — — — 经 t ( d ) 时间单孔抽放的瓦斯总量 ,
技术经验 煤矿安全
(2009 - 03)
・25・
本煤层瓦斯抽放钻孔布置间距的优化方法
于宝海
1. 2
,凌志迁
1, 2
,刘国忠
1, 2
( 1. 中国矿业大学 安全工程学院 ,江苏 徐州 221008; 2. 煤炭资源与安全开采国家重点实验室 ,江苏 徐州 221008 )
摘 要 : 分析钻孔抽放瓦斯效果的影响因素表明 ,在设计钻孔抽放瓦斯参数时 ,以合理确定钻孔 布置间距最为重要 。提出了本煤层瓦斯抽放钻孔布置间距的优化方法 , 并根据钻孔瓦斯流量衰 减规律方程 ,以瓦斯抽出率作为指标 ,建立了相关的理论方程式 。现场应用效果表明 ,该方法对 于指导钻孔抽放参数设计具有广泛的应用价值 。 关键词 : 瓦斯抽放 ; 钻孔布置间距 ; 抽放效果 + 中图分类号 : TD712 . 6 文献标识码 : B 文章编号 : 1003 - 496X ( 2009 ) 03 - 0025 - 03 预抽煤层瓦斯是防治煤与瓦斯突出 , 减少采场 瓦斯涌出量的主要措施 。根据《煤矿瓦斯抽采基本 (AQ1026 - 2006 )规定 ,不同矿井 、 指标 》 不同煤层要 求达到不同大小的瓦斯抽采率指标 。由于在规定预 抽期内 ,煤层瓦斯抽采率大小决定于抽放钻孔的设 计参数 ,特别是钻孔的布置间距大小最为重要 , 因 此 ,分析优化抽放钻孔布置间距 ,从而保证煤层在预 抽期内达到预定的抽采率 ,具有十分重要的意义 。
量将 > 10 m /m in, 根据《煤矿瓦斯抽采基本指标 》 (AQ1026 - 2006 ) 的规定要求 , 工作面抽采率应 ≥ 〔 4〕 30% 。因此 ,由公式 ( 6 ) 可求得钻孔布置间距与 钻孔抽放时间的关系式 :
H = 1. 76 q ( t) d t = 0. 04 3 e
0 0
1 钻孔抽放瓦斯效果的影响因素 10 m ,其他参数不变 , 孔径从 0. 1 m 增大到 1 m 时 ,
钻孔的瓦斯流量变化为 Q /Q 0 = ln ( 10 /0. 1 ) / ln ( 10 /
1 ) = 2。
上述表明 ,孔径增大 10 倍 , 钻孔瓦斯流量才增 加 2 倍 ,因此 ,增加钻孔孔径来提高瓦斯抽放量是很 有限的 。实际上增大钻孔孔径目前在钻进工艺上也 较难实现 。 另外 , 通过提高抽放负压来增加抽放率其效果 2 2 也不大 。根据式 ( 1 ) 可知 , 由于 Q 与 ( p0 - pr0 ) 成正 比 , 而煤层原始瓦斯压力相比钻孔内瓦斯压力较大 , 因而即使抽到真空 , 也不能产生较显著的效果 。 实践证明 , 对于预抽煤层瓦斯 , 钻孔布置间距对 抽放瓦斯效果及抽放成本最为关键
3
根据煤层瓦斯流动理论可知 , 当流动性质为非 稳态时 , 钻孔瓦斯流量随着时间的延长呈衰减规律 而变化 。钻孔瓦斯流量的变化规律基本上符合负指 数方程
〔 3〕
,即 :
- αt 3
q ( t) = q0 e
( 2)
式中 q ( t ) — — — 百 米 钻 孔 瓦 斯 流 量 , m / ( m in ・
・26・
hm ) ;
煤矿安全
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技术经验
q0 — — — 钻孔的初始瓦斯流量 , m /m in;
- 1 α— — — 钻孔瓦斯流量衰减系数 , d 。
煤帮打试验顺层钻孔 3 个 ,设计钻孔直径 Φ 91 mm , 孔深 40 m ,间距 15 m ,并立即挂网抽放 ,抽放负压为