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深部厚煤层顺层抽采半径与效果研究

2025-03-09 24 上传者：管理员

摘要：为揭示钻孔间距参数对深部厚煤层顺层抽采效果的影响规律，以山东某矿7301工作面为背景，采用现场监测的方法，对3#煤层顺层抽采孔布置参数开展了现场研究，研究结果表明：（1）随着抽采天数增加，瓦斯抽采量呈指数函数下降，且衰减系数呈增大的趋势；（2）随着钻孔间距的增大，单日瓦斯抽采纯量呈指数函数型下降趋势，抽采达标时间呈增长趋势；（3）综合考虑达标天数、工程量、经济，确定3#煤层顺层钻孔瓦斯抽采间距为4 m，经工程实践表明，7301工作面残余瓦斯压力下降至0.53 MPa以下，预抽采时间为134 d，抽采纯量10 452.7 m3，抽采率29.87%，满足预期。研究结果可为类似工况提供借鉴。

关键词：
布置方案
抽采半径
抽采效果
瓦斯
顺层钻孔
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顺层钻孔瓦斯抽采是我国煤矿瓦斯治理的重要技术措施[1-3],而抽采半径是瓦斯抽采钻孔布置方案的重要参数,如果数值较小,则易造成钻孔量大､成本高,如果数值过大,易形成抽采盲区而导致抽采效果差､安全隐患大｡顺层钻孔的设计参数与煤层赋存特征､瓦斯地质条件､抽采工艺参数和地应力环境密切相关｡然而,目前该参数的设计很少综合考虑煤层瓦斯赋存特征和地应力环境因素,因此,亟需开展深部高应力条件下顺层钻孔合理抽采工艺参数的相关研究｡

现行的顺层钻孔抽采半径研究方法主要有理论计算[4]､数值模拟[5-6]和现场测试[7-8]｡由于天然煤层赋存状态呈现出典型的各向异性特征,而数值模拟和理论分析在分析过程中多假设煤层为各向同性介质,因此,瓦斯抽采效果与实际现场有所偏差｡为此,国内外学者广泛开展现场直接测定的方法,经实践,主要有瓦斯压力降低法､瓦斯含量降低法､瓦斯抽采流量法､示踪气体法,其中瓦斯储量法属于瓦斯抽采流量法的一种,具有周期短､操作便捷､对矿井生产作业干扰小等优点,可以根据不同抽采目标测定出相应的抽采半径,广泛应用于煤矿现场｡

为此,本文以深部厚煤层为背景,采用瓦斯储量法对顺层抽采钻孔合理半径进行研究,并开展工业验证｡

1、工程概况

山东某矿7301工作面,3#煤层厚度3.2~7.5m,平均厚度5.0m,埋深962~1037m,采用走向长壁后退式综放采煤工艺,布置3条顺槽,分别为进风巷､辅助进风巷､回风巷,采用两进一回“Y”型通风方式｡经监测7301工作面煤层瓦斯压力1.4MPa,最大瓦斯含量7.14m3/t,百米钻孔瓦斯涌出量0.0142m3/min,钻孔流量衰减系数β=0.147d-1,煤层透气性系数λ=0.053m2/(MPa·d)｡工作面瓦斯涌出量以邻近层瓦斯涌出为主,邻近层瓦斯涌出占50.63%,回采工作面瓦斯涌出占49.37%｡

2、瓦斯储量法试验方案

2.1测试地点

根据3#煤层实际赋存情况以及工作面采掘施工情况,试验测试地点选择工作面进风巷310~420m,共布置27个试验孔,钻孔间距3~5m｡

2.2抽采钻孔布置

试验抽采钻孔布置平面图,如图1所示,其中3#煤层分别布置27个顺层试验钻孔,其中编号S1~S6抽采钻孔间距3m,编号B1~B5､编号S7~S12的抽采钻孔间距4m,编号B6~B9､S13~S18的抽采钻孔间距5m｡

图13#煤层抽采钻孔布置图

2.3测试方案

抽采孔连接装置示意图,如图2所示,该装置由孔口､胶管､汇流管､放水器､孔板､支管构成,其中抽采钻孔需及时连入支管中,支管下方设置二分管,其中一端经孔板､胶管连接至汇流管,另一端通过阀门与放水器连接,流量计设置在孔板中,便于记录数据｡

图2抽采孔连接装置示意图

3、结果分析

3.1单孔日抽采纯量分析

不同半径抽采钻孔单孔瓦斯日抽采纯量统计图,如图3所示｡

由图3可知:(1)随着抽采时间的增大,单孔瓦斯日抽采纯量呈指数函数型衰减,如式(1)所示,且钻孔间距越大,衰减系数α越大;(2)随着抽采钻孔间距的增大,当抽采时间相同时,单孔瓦斯日抽采纯量呈现减小的趋势,且随着抽采天数的增大,减小的趋势逐渐增大｡

图3不同半径抽采钻孔单孔日抽采纯量

3.2抽采达标日期

为便于分析,首先,按照一定抽采钻孔控制区域单元划分出1个抽采区域,进行计算瓦斯抽采总量

η——抽采达标时的瓦斯抽采率,取η=25%｡按照式(2)计算,抽采半径分别为3､4､5m时,所对应的抽采区域需抽采瓦斯总量,分别为8379.8､9837.7､12055.0m3｡

抽采钻孔数量由控制区的宽度L2和抽采钻孔间距相除所得的整数商决定,当抽采钻孔间距为3､4､5m时,分别对应抽采钻孔数量分别为36个､27个､22个｡

瓦斯抽采率为抽采达标评判指标,可通过对式(3)进行求解,得到钻孔半径分别为3､4､5m时,抽采时间分别为95､139､178d｡

结合现场采掘计划,综合考虑抽采时间和钻孔工程量,确定7301工作面瓦斯抽采钻孔布置间距为4m｡

4、工业应用

7301工作面瓦斯抽采系统由地面泵站和井下抽采系统组成,其中地面泵站主要由2台2BEC80型水环真空泵和配套电机组成,配套电机900kW,转速270r/min,最大额定抽放量710m3/min,井下抽放系统由主管､抽放管组成,分别为φ800mm厚度6mm､φ500mm厚度6mm的耐压钢管,且沿进风巷和辅助进风巷敷设｡瓦斯抽放的路线:7301工作面进风巷､辅助进风巷本煤层钻孔连接瓦斯抽采软管(φ63mm)→7301工作面本煤层钻孔与钻孔之间利用瓦斯抽采高压管连接→7301工作面支管管路(φ400mm)→二采区及总回风主管管路(φ800mm)→地面泵站｡

经实践表明,7301工作面残余瓦斯压力下降至0.53MPa以下,预抽采时间134d,抽采纯量10452.7m3,抽采率为29.87%,满足预期,表明抽采取得了良好的效果｡

5、结语

本文以山东某矿7301工作面3#煤层为背景,采用瓦斯储量法对顺层抽采钻孔合理半径进行研究,并开展工业验证,结论如下:

(1)经现场试验,随着抽采天数增大,3#煤层瓦斯抽采量呈指数函数下降,且衰减系数呈增大的趋势｡

(2)随着钻孔间距由3m增加至5m,3#煤层瓦斯单日抽采纯量呈指数函数型下降趋势,抽采达标时间呈增长趋势｡

(3)综合考虑达标天数､工程量､经济,确定3#煤层顺层钻孔瓦斯抽采间距为4m,经工程实践表明,7301工作面残余瓦斯压力下降至0.53MPa以下,预抽采时间134d,抽采纯量10452.7m3,抽采率29.87%,满足预期要求,研究结果可为类似工作面提供借鉴｡

参考文献:

[1]彭高友,高明忠,吕有厂,等.深部近距离煤层群采动力学行为探索[J].煤炭学报,2019,44(7):1971-1980.

[2]倪兴.顺层钻孔瓦斯抽采半径数值模拟研究与应用[J].能源技术与管理,2024,49(1):34-37.

[3]王春光,兰树员,陶柱,等.低渗煤层瓦斯抽采顺层钻孔水力造穴卸压增透效果研究[J].煤炭技术,2024,43(2):159-165.

[4]田水承,任治鹏,马磊.基于GRA-GASA-SVM的煤层瓦斯含量预测方法研究[J].煤炭技术,2024,43(1):114-118.

[5]张权,王晨辉,王登科,等.基于COMSOL的钻孔有效抽采半径影响因素探究[J].煤炭技术,2017,36(12):173-175.