低透气性煤层瓦斯抽放参数的确定

摘  要：对于低透气性煤层，本煤层瓦斯抽放较难从根本上解决瓦斯灾害。本文通过对瓦斯钻孔周围瓦斯流场分析，详细叙述了测定方法，为低透气性煤层瓦斯抽放提供可靠的依据，进而提高抽放率。

关键词：低透气  煤层  抽放  参数  确定

1.概述

煤炭是我国的主要能源，要充分发挥高产高效工作面的优势，首当其冲的问题是必须解决高产高效工作面瓦斯问题，提高煤矿防止瓦斯灾害能力，减少瓦斯事故的发生。

国内外大量的研究结果证实：释放煤体应力、抽排煤中瓦斯和提高煤体强度均能有效地防治瓦斯灾害。

对于低透气性煤层，本煤层瓦斯抽放较难从根本上解决瓦斯灾害。在未开采保护层的情况下如何解决瓦斯问题？采取何种工艺参数最为合理？能不能有效地开采？在掘进、开采过程中是否需要抽放煤层瓦斯？瓦斯抽放率需要达到多高？所有这些，都是需要解决的问题。

2．测定主要内容

1．1煤层相对瓦斯压力测定；

1．2煤层钻孔瓦斯自然涌出衰减系数测定；

1．3瓦斯抽放有效抽放半径确定；

1．4煤层所需的瓦斯抽放率及合理的瓦斯抽放方式与参数；

3．参数确定

3．1本煤层抽放钻孔参数测定方法

3．1．1钻孔直径

钻孔直径大，暴露煤壁面积就大，瓦斯涌出量相应也大，但二者增长并非线性关系，在煤层条件不同的情况下，瓦斯涌出量并不随孔径的增大而成比例增大。据测定结果，孔径由73mm提高到300mm，钻孔的暴露面积增至4倍，而钻孔抽放量仅增至2.7倍，而日本赤平煤矿孔径由65mm增至120mm ，抽放瓦斯量增加到3.5倍。孔径应根据钻机性能，施工速度与技术水平、抽放瓦斯量、抽放半径等因素确定，目前一般采用抽放瓦斯钻孔直径为60～110mm。

3．1．2钻孔长度

据实测结果，单一钻孔的瓦斯抽放量与其孔长基本上成正比关系，因此在钻机性能与施工技术水平允许的条件下，尽可能采用长钻孔以增加抽放量和效益。

3．1．3钻孔间距与抽放时间

钻孔有效排放半径是指在规定的排放时间内，在该半径范围内的瓦斯含量降到最低值。钻孔间距应略小于或等于钻孔有效排放半径的2倍。钻孔的有效排放半径是排放瓦斯时间T、最大容许瓦斯压力PY和煤层透气系数λ的函数，如图1所示。图（a）表明，在λ=7.2×10-3m2/(MPa·d)(属难以抽放煤层)条件下，在不同排放时间T时钻孔周围瓦斯压力与其原始瓦斯压力之比p/p0同排放半径的关系。

从图中看出：随着远离钻孔，其瓦斯压力越来越接近原始压力值；随着排放时间的增加，排放半径也逐渐扩大，但是，排放半径增大的速度越来越小；到某一临界时间Tj时，排放半径已接近极限，此后，再延长抽放时间已无意义。从多年的研究经验表明，煤层透气性系数越低，其排放半径越小，λ＜10-3m2/(MPa·d)的煤层如不采取增加透气性措施不宜采用钻孔抽放，因为其有效排放半径太小。综上可知，只有确定了排放时间、最大允许瓦斯压力和煤层透气系数（或钻孔瓦斯流量衰减系数）之后，才能确定钻孔的有效排放半径。

钻孔排放时间可由采、掘的接替关系给出的时间来确定，但最大值为Tj，当排放时间达到Tj时，钻孔的瓦斯流量已趋于枯竭，Tj可按下式确定：

 Tj——排放时间的临界值（这时钻孔累计排放的瓦斯量已达其极限排放量的95％），d；β——钻孔瓦斯流量衰减系数，d-1。

图1  排放半径、排放时间、瓦斯压力和煤层透气性的关系

突出，此值可取使煤层失去突出危险的瓦斯压力安全值；如果是为了防止风流瓦斯浓度超限，可按煤层残存瓦斯含量不超限时的瓦斯压力来确定。

下表1列出孔间距选用参考值，抽放时间较短而煤层透气性系数较低时取小值，否则取较大值。

表1  钻孔间距选取参考表

3．2．根据瓦斯压力确定排放瓦斯有效半径的方法

在有限流场条件下，按瓦斯压力确定钻孔排放瓦斯有效半径在多排钻孔或网格式密集钻孔排放瓦斯条件下，排放瓦斯区内瓦斯流动就属于有限流场，这时测定钻孔的排放半径布孔如图2所示，在煤巷打一个沿层测压孔，测出相对的瓦斯压力值后，再在测压孔周围由远及近打抽排钻孔，即在距测压孔不等距处打一个排放钻孔，然后观察瓦斯压力变化。在规定的排放瓦斯期限内，能将测压孔的瓦斯压力降低的那个钻孔距测压孔的距离就是排放瓦斯有效半径。 

表2     抽放有效半径测定钻孔布置参数

3．3抽排孔测定实施方案

3．3．1施工技术要求:

⑴钻孔倾角、方位角必须保持一致，尽量垂直煤壁；

⑵压力孔封孔深度必须保证40m（水泥沙浆封孔）；

⑶抽放孔封孔深度必须保证5m以上（聚氨酯封孔）；

⑷抽放孔封孔段钻孔开孔直径91mm、深5m；

⑸首先施工压力孔，成孔后应立即封孔，待压力表呈现读数后方可施工抽排孔；

⑹煤层富含水位置不得布孔，以免影响测定效果；

⑺压力表采用规格1.60Mpa。

3．3．2测定方法

相对瓦斯压力测定方法采用煤层钻孔、固体材料注浆式封孔、自然压力恢复方法测定。

3．3．3测定地点

煤层瓦斯压力测定地点应选择在无地质构造、无断层、无裂隙的地点。根据五阳煤矿3#煤层巷道具体情况，在煤层巷道打钻测压。煤层瓦斯压力测定地点选择在煤巷内布置钻孔。共布置四组钻场，每组钻场打6～8个煤层钻孔，测定煤层瓦斯压力、钻孔自然瓦斯涌出量及有效抽放半径等参数。

3．3．4封孔方法

测定煤层瓦斯压力的方法有多种，有用专用机械装置和液体测压、注浆法测压及下述的水泥砂浆潮料封孔。

Ⅰ.测压钻孔内插入带有压力表接头的4′镀锌铁管44m，测压铁管每节长度视巷道宽度而定，为保证其气密性，管接头部分采用生料带缠绕,测压室管端头用40目的细铜纱网包裹，以防煤屑及杂物进入堵塞管路。

Ⅱ．将注料罐联接注料软管（1′高压胶管）。

Ⅲ．封孔材料采用425#硅酸盐水泥、7%膨胀水泥、3%早强剂等，40%河砂，加少量的水，经充分搅拌均匀成潮湿状，经由注料罐经压风作用注入孔内，（该项工作必须指定专人负责）。封孔深度控制在40m。

Ⅳ．经2h水泥浆凝固后，安上压力表并详细记录压力上升与时间的关系，直到压力稳定为止，稳定后的压力即为煤层相对瓦斯压力。

3．4  煤层进行预抽后，有效抽放半径及合理的预抽期测定

在对煤层预抽后，考察在抽放区域内煤层测压钻孔，通过相对瓦斯压力、钻孔瓦斯流量的变化来确定煤层有效抽放半径及合理的预抽期。