朱集西矿机械造穴钻孔抽采半径考察及卸压增透效果分析.pdf

2023 年 8 月Aug.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.04.013朱集西矿机械造穴钻孔抽采半径考察及卸压增透效果分析（1.安徽省皖北煤电集团有限责任公司，安徽 宿州 234000；2.安徽省皖北煤电集团有限责任公司朱集西分公司，安徽 淮南 232000）摘要 针对朱集西矿 11-2 煤层工作面实体煤侧巷道条带采用顶板下向穿层孔预抽煤层瓦斯存在的瓦斯抽采浓度低、预抽效果差、预抽时间长、钻孔工程量大的问题，提出采用机械造穴技术对煤层进行增透。基于钻孔瓦斯抽采基础理论，结合钻孔瓦斯流量法、瓦斯含量降低法确定了机械造穴钻孔有效抽采半径，并对比分析了造穴钻孔瓦斯抽采效果，为矿井安全高效生产提供了基础。关键词 瓦斯抽采；低渗透性；突出煤层；机械造穴；卸压增透中图分类号TD712文献标识码B文章编号1672蛳 9943（2023）04蛳 0040蛳 040引言顶板瓦斯抽放巷可用于施工下向穿层钻孔预抽煤层瓦斯，但对于松软突出煤层来说效果并不理想。若对普通预抽钻孔进行造穴，可实现钻孔有效卸压，提高煤层透气性咱1暂。郝从猛咱2暂为解决顶板巷中难以开展高效卸压增透措施的难题，以平顶山矿区为例，建立了下向钻孔机械造穴技术体系，并通过系统的效果考察获得了下向钻孔机械造穴煤体强化瓦斯抽采效果。牟全斌等咱3暂利用四连杆机构原理成功研制了一套针对井下抽采钻孔的专用机械造穴设备，利用该设备对芦岭煤矿 III1013 工作面进行造穴，结果表明机械造穴技术能够明显提高钻孔瓦斯抽采效果。邓书军等咱4暂通过在坚硬低透气性煤层应用机械造穴泄压增透技术，增加了煤层裂隙，有效提高了煤层透气性。针对朱集西矿 11-2 煤层瓦斯预抽效果差等问题，采用机械造穴技术对预抽区域进行增透，结合钻孔瓦斯流量法、瓦斯含量降低法确定了机械造穴钻孔有效抽采半径，并对比分析了造穴钻孔瓦斯抽采效果。1试验区概况及考察方案1.1试验区概况朱集西矿 11-2 煤层正在准备四采区 11403 工作面。该工作面采用“一面三巷”的布置方式，即轨道顺槽、运输顺槽和顶板瓦斯抽放巷。工作面走向长约 198.8 m，倾向长约 1 793.0 m；顶板瓦斯抽放巷布置在 11-2 煤顶板上 2535 m 的砂岩层位，内错轨道顺槽 22.3 m（中对中），标高为-914.26-1 050.72 m。根据现场生产条件，选择在 11403 顶板瓦斯抽放巷 39 号钻场开展穿层钻孔机械造穴抽采有效半径考察试验。试验区 11403 工作面及考察区如图 1 所示。图 1试验区 11403 工作面及考察区域布置平面11403 工作面11402 轨道顺槽底抽巷11403 轨道顺槽11403 顶板瓦斯抽放巷考察区域1.2煤岩及瓦斯赋存情况试验区内 11-3 煤层均厚 0.4 m，倾角 5毅，结构能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.4402023 年 8 月Aug.,2023简单，无夹矸；顶底板均为泥岩，与下伏 11-2 煤层平均间距 5.28 m。11-2 煤层均厚 1.55 m，倾角 5毅，结构简单，无夹矸；顶底板均为泥岩、粉砂岩、细砂岩，与下伏 11-1 煤层平距间距 5.98 m。11-1 煤层均厚 0.8 m，倾角 5毅，结构简单，无夹矸；顶板为泥岩，底板为泥岩和煤线。试验区内 11-2 煤层为突出煤层，11-3、11-1 煤层均为非突出煤层。实测 11-2 煤层瓦斯含量最大为 6.24 m3/t，11-1 煤层瓦斯含量最大为 4.83 m3/t，11-3 煤层瓦斯含量为 2.80 m3/t。1.3考察方案1.3.1抽采半径考察方案采用瓦斯流量法和瓦斯含量降低法相结合的方法进行抽采半径考察。根据统计量计算出抽采区域钻孔抽采有效半径，并根据平均单孔日抽放瓦斯量统计结果，拟合得出抽采衰减负指数曲线，与抽采衰减负指数曲线积分计算得出的钻孔抽采有效半径进行对比验证。再采用直接测定法测试考察区域煤层的残余瓦斯含量，确定试验区抽采有效半径。1.3.2卸压增透效果考察方案本次选取机械造穴钻孔掏出煤量、等效直径、瓦斯抽采纯量及残余瓦斯含量等参数与普通钻孔对应参数进行对比分析，确定机械造穴钻孔的卸压增透效果。机械造穴钻孔布置如图 2 所示。图 2机械造穴考察钻孔布置平面1.3.3钻孔施工造穴方案本次设计 2 组、每组 4 个，共计 8 个钻孔。钻孔间距 9 m，钻孔施工直径 120 mm、造穴直径 550 mm，如图 2 所示。当钻孔施工至 11-2 煤层底板下 2 m停止施工，将机械刀臂提至 11-2 煤底板以上，打开机械刀臂，采用后退式造穴方式开始造穴。2钻孔瓦斯抽采基础理论一般情况下，煤层的透气性系数是固定的，钻孔瓦斯补给是有限的，瓦斯流动性质是非稳定流动，即随着流动时间的增长，钻孔的瓦斯涌出强度、瓦斯流量会衰减。根据煤层瓦斯流动理论，抽采钻孔的瓦斯流动计算公式如式（1）（4）。q0=姿 p02-pr02蓸蔀r0pstdLnRr0（1）q忆=q0e-琢t（2）q=2仔r0mq忆=2仔r0mq0e-琢t（3）Q=t0乙qdt=2仔r0mq0琢1-e琢t蓸蔀=2仔m姿 p02-pr02蓸蔀琢pstdLnRr01-e琢t蓸蔀（4）式中：q0为钻孔瓦斯涌出初始强度，m3/（min m2）；姿 为煤层透气性系数，m2/（MPa2 d）；p0为煤层原始瓦斯压力，MPa2；pr0为钻孔内瓦斯压力，MPa2；r0为钻孔半径，m；pstd为标况下的大气压，MPa2；R 为钻孔瓦斯流动场的影响半径，m；q忆为 t 时刻的钻孔瓦斯涌出强度，m3/（min m2）；琢 为钻孔瓦斯流量衰减系数，d-1；t 为钻孔内瓦斯流动时间，min；q 为在 t 时刻的钻孔瓦斯涌出量，m3/（min m2）；m 为煤层厚度，m；Q 为在 t 时间内钻孔瓦斯抽采总量，m3。3机械造穴钻孔抽采有效半径确定3.1瓦斯抽采数据通过收集整理瓦斯抽采数据，统计得出抽采140 d 瓦斯抽采数据。其中第 15、30、40 d 瓦斯抽采数据如表 1 所示；造穴钻孔单孔日均抽采瓦斯量如图 3 所示。赵先凯，等朱集西矿机械造穴钻孔抽采半径考察及卸压增透效果分析抽采时间/d单孔日均抽采瓦斯量/（m3 d-1）单孔累计抽采瓦斯量/m3159.44199.00304.05292.10402.48323.11图 3机械造穴钻孔单孔日均抽采瓦斯量表 1机械造穴钻孔单孔抽采瓦斯量统计抽采时间/d20.0016.0012.008.004.000.001020304050011403 顶板瓦斯抽放巷11403 轨道顺槽4.5 m36 mADBC39 号9 m1-11-21-31-42-12-22-32-4-1043.9gc313640700364065036406503640700412023 年 8 月Aug.,20233.2抽采有效半径确定3.2.1根据统计抽采量确定防突有效半径根据造穴钻孔竣工参数，统计分析考察区域11-3、11-2、11-1 煤层平均厚度分别为 0.4、1.2、0.32 m，实测瓦斯含量分别为 4.83、5.19、2.80 m3/t。本次机械造穴钻孔联合抽采 11-3、11-2、11-1 煤层瓦斯，防突有效瓦斯抽采率为 15%，由式（5）计算考察区域应抽采瓦斯量为 1 236.17 m3。Q总=L1L2h酌w浊（5）式中：Q总为钻孔控制区域一定抽采率条件下需要抽采的瓦斯总量，m3；L1、L2分别为抽采钻孔控制区域长度、宽度，m；h 为抽采钻孔控制区域煤层厚度，m；酌 为抽采钻孔控制区域煤层密度，t/m3；w 为考察区域抽采钻孔控制煤层原始瓦斯含量，m3/t；浊 为防突有效抽采率。根据考察区域机械造穴钻孔单孔累计抽采瓦斯量，并按式（6）、（7）计算预抽 15、30、40 d 的防突有效半径。N=Q总Q单抽（6）r=12L1L2N姨（7）式中：N 为一定抽采时间内不同抽采率条件下钻孔控制区域所需抽采钻孔数，个；Q单抽为一定抽采时间统计的单孔抽采总量，根据抽采数据累积计算或按式（4）拟合积分计算，m3。机械造穴钻孔防突有效半径统计结果如表 2所示。表 2机械造穴钻孔防突有效半径统计结果3.2.2根据拟合抽采量确定防突有效半径根据考察区域机械造穴钻孔单孔日抽采瓦斯量统计结果，拟合得出抽采衰减负指数曲线公式、积分解算考察区域钻孔抽采半径如表 3 所示。表 3机械造穴钻孔防突有效抽采半径拟合结果通过对比统计抽采量和抽采衰减曲线积分计算抽采量 2 种方式得出钻孔抽采有效半径具有较好的一致性，相互验证了考察结果的准确性。因此，抽采 15、30、40、60 d 和极限抽采情况下的抽采有效半径分别为 5.1、6.1、6.5、6.8、7.0 m。3.2.3防突有效半径验证考察为验证防突有效半径考察方法及结果的可靠性，预抽 40 d 时在抽采相对较薄弱的区域施工验证钻孔，取 11-2 煤层煤样测试残余瓦斯含量，计算瓦斯预抽率，并与确定的防突有效预抽率进行对比。考察区域残余瓦斯含量测试钻孔布置如图 4所示；残余瓦斯含量测试及防突有效半径验证结果如表 4 所示。图 4考察区域残余瓦斯含量测试钻孔布置表 4考察区域残余瓦斯含量测试结果由表 4 可知，抽采 40 d 时相距机械造穴钻孔6.5 m 的 11-2 煤层最小预抽率为 32.2%，满足防突有效预抽率 15%的要求。因此，机械造穴钻孔抽采半径的确定方法合理，以此确定的抽采半径结果可靠。4机械造穴卸压增透效果4.1扩孔等效直径现场考察本次通过统计机械造穴钻孔和普通钻孔出煤量，理论计算其等效直径并对比分析机械造穴钻孔扩孔效果。机械造穴钻孔和普通钻孔实际掏出煤量如表5 所示。抽采时间/d单孔累计抽采总量/m3需钻孔数量/个抽采半径/m15199.0075.130292.1056.140323.1146.5抽采时间/d单孔累计抽采总量/m3需钻孔数量/个抽采半径/m备注15205.9275.2-30298.9056.2-40330.4046.5-60359.8646.8-375.4747.0极限抽采时间/d原始瓦斯含量/（m3/t）理论预抽效果验证抽采效果抽采半径/m预抽率/%残余瓦斯含量/（m3/t）与抽采孔距离/m预抽率/%405.196.5152.256.456.6405.196.5153.526.532.211403 顶板瓦斯抽放巷11403 轨道顺槽6.5 m1-11-42-12-4-1043.9gc31364070036406503640650364070039 号1#2#图例效检孔机械造穴钻孔能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.4422023 年 8 月Aug.,2023表 5机械造穴钻孔及普通钻孔掏出煤量统计由表 5 分析可知，普通钻孔单孔出煤量为 0.150.17 t/m，平均 0.16 t/m；机械造穴钻孔单孔出煤量为 0.280.43 t/m，平均 0.35 t/m，较普通钻孔出煤量提高了 2.2 倍。将钻孔煤孔段视为圆柱体，根据式（8）结合钻孔出煤量理论计算出等效直径。M=仔r2h酌（8）式中：M 为钻孔掏出煤量，t；仔 为圆周率，取3.14；r 为造穴后的等效半径，m；h 为造穴段或煤孔段长度，m；酌 为煤的密度，取 1.43 m3/t。机械造穴钻孔和普通钻孔等效直径如图 5 所示。图 5机械造穴钻孔与普通钻孔等效直径对比由图 5 分析可知，普通钻孔等效直径为 129.6146.4 mm，平均 139.8 mm；机械造穴钻孔等效直径为 501.5615.3 mm，平均 560.4 mm，较普通钻孔的等效直径提高了 4.01 倍。4.2瓦斯抽采效果对比分析机械造穴钻孔与普通钻孔单孔抽采纯量变化如图 6 所示。（a）机械造穴钻孔（b）普通钻孔图 6机械造穴钻孔与普通钻孔单孔瓦斯抽采纯量由图 6 分析可知，机械造穴钻孔抽采初期纯量较高，随着时间呈指数衰减，单孔抽采纯量为 0.0020.013 m3/min，平均 0.006 m3/min。普通钻孔单孔抽采纯量为 0.000 10.001 2 m3/min，平均0.000 4 m3/min。机械造穴钻孔单孔抽采纯量为第6 评价单元的 15 倍，且相同抽采时间的单孔抽采纯量均大于普通钻孔。综上所述，采用机械造穴技术后，煤孔段大量煤屑从孔口排出，钻孔内形成了较大洞穴，改变了煤体应力状态，煤体由于受到卸压效应产生了塑性破坏，进而产生裂隙增加了煤层透气性，为瓦斯排放创造了条件。5结论（1）试验区 11-2 煤层机械造穴钻孔预抽 15、30、40、60 d 和极限抽采情况下的有效半径分别为5.1、6.1、6.5、6.8、7.0 m。该方法可在试验区及瓦斯地质、抽采条件类似区域应用。（2）试验区 11-2 煤层采用机械造穴增透技术后，相比普通钻孔，出煤量提高了 2.2 倍，等效直径提高了 4.01 倍，抽采纯量均值提高了 15 倍，抽采率提高了 1.33 倍，卸压增透效果显著。参考文献1武沛武.瓦斯抽采钻孔机械造穴的实践与认识 J.煤炭科技，2021，42（5）：110-113.2郝从猛.下向钻孔机械破煤造穴快速卸压增透机制及瓦斯抽采技术研究 D.徐州：中国矿业大学，2021.3牟全斌，赵继展.基于机械造穴的钻孔瓦斯强化抽采技术研究 J.煤炭科学技术，2015，43（5）：58-61.4邓书军，杨聘卿.高瓦斯低透气性坚硬煤层机械造穴泄压增透技术研究 J.煤炭技术，2020，39（6）：126-128.作者简介赵先凯（1982-），男，工程师，毕业于安徽理工大学采矿工程专业，现任皖北煤电集团公司通防部副主任工程师，长期从事煤与瓦斯突出治理技术工作。收稿日期：2022-03-31普通钻孔煤孔段长度/m造穴段长度/m出煤量/t煤孔段长度/m出煤量/t1-11.71.70.48P1-11.20.201-21.60.80.34P1-21.10.171-31.61.00.34P1-31.00.161-41.41.00.35P1-41.30.192-11.81.00.34P1-50.90.142-21.61.00.38P1-61.60.262-31.71.00.39P1-71.50.252-40.90.90.29P1-81.60.25机械造穴钻孔钻孔编号钻孔编号对比组号12345678机械造穴钻孔普通钻孔80060040020001-11-21-31-42-12-22-32-4P1-1P1-2P1-3P1-4P1-5P1-6P1-7P1-80.0140.0120.0100.0080.0060.0040.0020.000抽采时间/d10203040500抽采时间/d2040608001000.001 40.001 20.001 00.000 80.000 60.000 40.000 20能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.443