瓦斯排放钻孔有效排放半径的考察.docx

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瓦斯排放钻孔有效排放半径的考察

5瓦斯排放钻孔有效排放半径的考察

目前，煤巷掘进工作面防治煤与瓦斯突出措施有：

大直径钻孔、超前钻孔、松动爆破、前探支架、水力冲孔等措施。

其中以超前钻孔防突措施工艺最简单，对工人无特殊技术要求，工人易于接受，且无需专用设备，成本低。

因此，这种防突措施在现场得到了广泛采用。

十三矿严格执行“四位一体”防突措施，采用φ89mm的超前排放钻孔，超前钻孔有效排放半径待确定。

5.1现行测定瓦斯排放钻孔有效排放半径方法

目前，超前瓦斯排放钻孔有效排放半径的常用测定方法有：

①瓦斯压力降低法；②钻孔瓦斯流量法；③钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标法。

5.1.1钻孔瓦斯压力降低法和流量法

钻孔瓦斯压力法和测量钻孔瓦斯涌出量法钻孔布置见图5-1。

其测定步骤如下：

（1）沿工作面软分层打3~5个相互平行的测量孔，孔径42mm，孔长5~7m，间距0.3~0.5m；

（2）对各测量孔进行封孔，封孔长度不得小于2m；

（3）钻孔密封后，立即测量钻孔瓦斯压力或瓦斯涌出量；

（4）在距最近的测量孔边缘0.5m处，打一平行于测量孔的排放瓦斯钻孔，观察排放钻孔到达测压或测涌出量位置后，煤体中瓦斯压力的变化，或各测量孔中的瓦斯涌出量变化，以确定排放钻孔的有效排放半径。

图5-1压力降低法和流量法测定有效排放半径的钻孔布置图

由上述测定步骤知，钻孔瓦斯压力法和测量钻孔瓦斯涌出量法工程量大，工艺复杂繁琐，存在下列缺点：

（1）在软分层中打3~5个孔径为42mm的测量孔，在打钻过程中，软分层中的瓦斯就会得到一定的排放（测量孔也有排放作用），破坏了煤层原始条件。

再在测量孔旁边0.5m处打排放孔，实际上是在测量孔排放瓦斯后，测定排放孔的有效排放半径，由此测出的结果与实际情况偏差较大。

（2）在软分层中封孔困难，采用胶囊封孔器封孔，因胶囊长度短，钻孔周围卸压圈的裂缝和裂隙会漏出一部分瓦斯，因而测出的瓦斯涌出量不准。

测定瓦斯压力对封孔要求更高，在煤层中（特别是在软分层中）测定瓦斯压力非常困难。

（3）测定时所需设备和人员多，3~5个测量孔都需同时测量观察，整个测定过程时间较长，费工费时，测定费用高。

5.1.2钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标法

在没有执行过防突措施的有突出危险的采掘工作面，在软分层中先打一个预测孔，测量每米钻孔的钻屑量和钻屑瓦斯解吸特征K1值。

钻孔长8~10m，孔径42mm。

预测结束后，在此孔内扩孔，将其扩至待考察排放孔的直径。

打完排放孔后，让其排放一段时间，一般为2h（根据钻孔有效排放时间为2h），使排放孔周围瓦斯得到排放。

到达时间后，在该孔附近的软分层中打一个与排放孔成一定角度的测试孔，测量其每米钻孔的钻屑量与钻屑瓦斯解吸特征K1值。

将同一深度的两个钻孔（预测孔与测试孔）测到的数据及两点之间的间距进行分析，得出有效排放半径。

其钻孔布置图如图5-2。

图5-2钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标法的钻孔布置图

1-预测孔；2-测试孔；3-排放瓦斯孔

5.2现场测定

由于十三矿13031机巷煤体暴露时间较长，钻孔瓦斯涌出初速度几乎测不出来，钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标法简便易行，准确可靠，易于现场测定，故只能采用此法测定排放钻孔的有效排放半径。

其测定过程如下：

（1）在13031机巷650m处煤层中先打一个考察孔（1#孔），测量每米的钻屑量S与钻屑瓦斯解吸指标K1，钻孔深10.5m，钻孔直径为42mm。

（2）测试结束后，将钻孔扩大到排放钻孔的设计直径89mm进行扩孔排放。

（3）按施工要求，确定排放时间1.5h。

当到达时间后，在该钻孔附近的软分层中打一与此孔成7º的测试孔（2#孔），孔口间距0.3m，测定其每米的钻屑量S与钻屑瓦斯解吸指标K1。

（4）将2个钻孔同一深度范围内所测到的数据和两点的间距进行分析，当其小于临界指标值时，相应两点的最大间距确定为排放钻孔的有效排放半径。

钻孔布置参数设如下：

（1）钻孔参数。

超前钻孔：

深10.5m，直径89mm；测试钻孔：

深10.5m，直径42mm。

（2）钻孔布置参数。

在设计钻孔孔口之间的距离为0.3m，钻孔夹角为7º。

（3）测试指标。

根据《防治煤与瓦斯突出细则》规定，采用每米钻孔的钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标考察排放钻孔的有效排放半径。

5.3数据分析

有效排放半径的判断准则为：

将2个钻孔同一深度处所测定的指标进行比较，如果自某一深度处开始向钻孔深处，2#孔各点所测定的指标均小于1#孔同一深度的指标时，该深度对应的钻孔之间的距离就称为超前钻孔有效排放半径。

根据2008年8月4日在平煤十三矿13031机巷650m处测定的数据建立表格如表5-1。

表5-1φ89mm排放钻孔有效排放半径测定表

孔深（m）

影响半径（m）

钻屑解吸指标K1（mL/g·min1/2）

钻屑量（kg·m-1）

排放（1#）

与排放前比较（2#）

排放（1#）

与排放前比较（2#）

前

后

绝对

相对/%

前

后

绝对

相对/%

2

0.246

0.01

0.02

1.2

0.4

0.8

66.7

3

0.368

0.02

0.02

1.9

1.4

0.5

26.3

4

0.491

0.02

0

2

1.3

0.7

35

5

0.614

0

0.01

2.6

1.3

1.3

50

6

0.737

0

0.01

2.8

1.8

1

35.7

7

0.859

0.04

0.01

2.9

1.7

1.2

41.4

8

0.982

0.02

0

2.4

2.3

0.1

4.2

9

1.105

0.02

0.01

3

2.8

0.2

6.7

10

1.228

0.03

0

3

2.9

0.1

3.3

2008年8月4日在十三矿13031机巷650m处采用每米钻孔的钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标考察了排放钻孔的有效排放半径。

根据8月4日的测定结果，钻屑瓦斯解吸指标很小，而且数据不成规律，几乎测不出来，没有实验考察性。

故只采用每米钻孔的钻屑量来进行测试。

在确定排放钻孔的有效排放半径时，主要根据每米钻孔的钻屑量的变化趋势来确定。

每米钻孔的钻屑量随钻孔间距的变化如图5-3所示。

图5-3钻屑量随钻孔间距的变化

根据测试结果，经过数据表格和图形的分析，当钻孔深度在8m（钻孔间距0.982m）以前，与φ89mm排放孔排放前相比2#钻孔的钻屑量小于1#钻孔的钻屑量，在钻孔深度达到8m时2#钻孔的钻屑量比1#钻孔的钻屑量绝对下降0.1，相对下降4.2%。

说明超前钻孔有效排放半径范围为0.859m~0.982m，在此范围内的钻孔钻屑量有明显的降低。

综上所述，测试地点在13031机巷650m处，煤暴露时间较长，受到了一定的外界影响，为了安全起见，十三矿采用φ89mm的超前钻孔作为防突措施，其有效排放半径可取0.9m作为设计与布置的依据。

条带抽放半径的考察

原理

目前应用的钻孔瓦斯抽放影响半径的测试方法主要有钻孔测试法和计算机模拟法及二者相结合的方法；在有效性指标的确定上，钻孔实测法国内外采用的指标主要有以下三种：

压力指标、含量指标、相对压力指标。

计算机模拟法主要应用的指标有瓦斯含量指标和瓦斯压力指标。

以压力作为指标

图1测试钻孔布置示意图

瓦斯抽放影响半径和瓦斯抽放有效半径都是以煤层瓦斯压力的下降幅度作为指标的，采用相对瓦斯压力指标，煤层瓦斯抽放半径的确定方法为：

首先在煤层打一排测压孔，如图1所示，2、3、4……n均为测压孔，d2、d3……dn为相邻测压孔之间的距离；并在每个测压孔装上压力表，记录每个测压孔的原始压力，P1、P2、P3……Pn;然后在2号孔一侧打抽放钻孔，1号孔，并进行抽放。

当抽放一定的时间后，观察每个测压孔此时的瓦斯压力，P’1、P’2、P’3……P’n。

根据每个测压孔的原始压力和抽放后的压力，我们可以得到每个测压孔的预抽率，如果a号孔以及它之前的每个测压孔的瓦斯压力下降量都大于或等于51%，而a号孔之后的测压孔都小于51%，那么d=d1+d2+d3+……+d（a-1），这里的d就是钻孔的有效抽放半径。

（1）瓦斯压力稳定之后，进行抽放瓦斯，观察各个观察孔瓦斯变化情况，将瓦斯压力下降稳定压力10％以上的钻孔视为抽放影响范围内钻孔，将距抽放钻孔最远的一个抽放影响范围内钻孔到抽放钻孔的距离视为抽放影响半径。

（2）抽放前后瓦斯含量降低的比例和瓦斯压力降低的比例是存在抛物线关系的；如果煤层预抽率为30%，即残余瓦斯含量为原始瓦斯的70%。

通过计算知此时残余瓦斯压力为原始瓦斯压力值的49%，瓦斯压力下降量为51%。

相对压力指标法测定钻孔的有效半径就是依据这个原理来进行的。

因此，如果瓦斯含量减少30%则需相应的瓦斯压力减少原始瓦斯压力的51%。

因此，确定钻孔瓦斯抽放影响半径的指标为瓦斯压力下降10%以上，确定抽放有效半径的指标为瓦斯压力下降51%以上。

现场布置情况

由于受煤层地质和周围开采扰动的影响，煤层在测试煤层参数时瓦斯压力起伏很大，因此瓦斯压力值和瓦斯含量值难以连续的测试准确，使得使用绝对压力指标和绝对含量指标法失去可能性。

但是，当抽放钻孔作业时，其周边的测压孔压力值会相应的降低。

因此，我们选用相对压力指标法进行测试。

考虑到整个测试阶段约50～100天，因为平煤十三矿所考察煤层均为低透气性煤层，钻孔的有效抽放范围较小。

根据十三矿目前所采用抽放方法的实际情况：

布置抽放观察孔与抽放孔选择1m、1.5m、2m和2.5m不同间距，实验钻场两组，分别设在13031风巷和13031机巷，煤厚5.8m。

钻场布置观察孔和抽放孔间距情况如图2和3。

图213031风巷钻场观察孔与抽放孔位置关系图

图313031机巷钻场观察孔与抽放孔位置关系图

十三矿钻孔布置剖面图如图4-4，钻孔施工参数见表1和表2。

图4十三矿条带抽放实验钻场布置剖面图

表113031风巷钻孔施工参数表

钻孔编号

钻孔地点

倾角（°）

水平角（°）

见煤深度（m）

穿煤深度（m）

终孔深度（m）

封孔深度（m）

1-1#

风巷高位巷皮带机头向里42m处

-39

0

21

3.3

24.3

11

1-2#

风巷高位巷皮带机头向里43m处

-39

0

17

2.8

19.8

13

1-3#

风巷高位巷皮带机头向里45m处

-37

0

20

3.3

23.3

12

1-4#

风巷高位巷皮带机头向里46.5m处

-37

0

20

3.7

23.7

14

1-5#

风巷高位巷皮带机头向里47.5m处

-37

0

18

2.5

20.5

12

表213031机巷钻孔施工参数表

钻孔编号

钻孔地点

倾角（°）

水平角（°）

见煤深度（m）

穿煤深度（m）

终孔深度（m）

封孔深度（m）

2-1#

机巷高位巷皮带机头向里60m处

-40

0

19.5

3.3

22.8

16

2-2#

机巷高位巷皮带机头向里62.5m处

-40

0

20

3.3

23.3

16

2-3#

机巷高位巷皮带机头向里63.5m处

-40

0

23

3.3

26.3

14

十三矿钻孔施工要求：

1.以距巷底y坐标零点，钻孔必须施工在同一水平线上，测压钻孔孔径为φ75mm，所有钻孔均穿过煤层并进入顶板1.5m以上，钻孔岩柱15m以上。

2.先施工测压孔，施工钻孔时岩石段用水辅助排渣；在干孔中取煤样做实验室分析。

3.施工完测压孔后立即进行封孔，施工完后等测压孔压力均稳定后，施工抽放孔，抽放孔倾角及挂孔高度与测压孔一致，将抽放孔进行抽放，并详细记录抽放参数及测压孔瓦斯压力随时间变化情况。

数据分析

观察最后一个压力表15天后，压力表均达到了稳定状态，2008年8月26日在己15.17-13031风机巷高抽巷测定的压力数据建立如下表格。

表313031风巷钻孔原始压力

钻孔编号

钻孔地点

倾角（°）

水平角（°）

见煤深度（m）

穿煤深度（m）

终孔深度（m）

封孔深度（m）

原始压力（MPa）

1-1#

风巷高位巷皮带机头向里42m处

-39

0

21

3.3

24.3

11

3.7

1-2#

风巷高位巷皮带机头向里43m处

-39

0

17

2.8

19.8

13

3.65

1-3#

风巷高位巷皮带机头向里45m处

-37

0

20

3.3

23.3

12

3.6

1-4#

风巷高位巷皮带机头向里46.5m处

-37

0

20

3.7

23.7

14

3.7

1-5#

风巷高位巷皮带机头向里47.5m处

-37

0

18

2.5

20.5

12

3.65

表413031机巷钻孔原始压力表

钻孔编号

钻孔地点

倾角（°）

水平角（°）

见煤深度（m）

穿煤深度（m）

终孔深度（m）

封孔深度（m）

原始压力（MPa）

2-1#

机巷高位巷皮带机头向里60m处

-40

0

19.5

3.3

22.8

16

3.7

2-2#

机巷高位巷皮带机头向里62.5m处

-40

0

20

3.3

23.3

16

3.72

2-3#

机巷高位巷皮带机头向里63.5m处

-40

0

23

3.3

26.3

14

3.7

施工抽放钻孔后，对压力表进行记录，记录原始数据如下：

己15.17—风机巷高抽巷均在2008年8月27日8点班施工好抽放钻孔即进行联网抽放，孔口负压在22KPa以上。

具体数据见下表。

表513031风巷钻孔残存压力

孔号

原始压力（Mpa）

残存压力（Mpa）

8月27日

8月28日

8月29日

8月30日

8月31日

9月1日

9月2日

9月23日

1-1#

3.7

3.6

3.55

3.55

3.5

3.5

3.5

3.5

3.5

1-2#

3.65

3.3

3.1

2.9

2.9

2.8

2.8

2.8

2.7

1-3#

3.6

3.4

2.5

2.3

2.3

2.2

2.1

2.1

2.0

1-4#

3.7

3.4

2.8

2.4

2.25

2.1

2.0

1.9

1.8

1-5#

3.65

3.5

3

2.6

2.4

2.3

2.1

1.8

1.4

表613031机巷钻残存压力

孔号

原始压力（Mpa）

残存压力（Mpa）

8月

27日

8月

28日

8月

29日

8月

30日

8月

31日

9月

1日

9月

2日

2-1#

3.7

3.5

3

2.85

2.5

1.6

1.4

1.2

2-2#

3.72

3.2

2.75

2.6

2.2

2.0

1.8

1.8

2-3#

3.7

3.5

3.4

3.4

3.0

2.9

2.5

2.3

通过表3、表4知各孔原始瓦斯压力差别不大，最小值为3.65MPa。

由表5、表6可知通过抽放后，各测压孔压力数值相差很大，但是随着到抽放孔距离的增大，瓦斯压力的变化趋势相同，充分证明在测试前选用相对压力指标作为抽放有效半径指标的正确性。

测试结果

当抽放时间为25天左右时，根据瓦斯抽放影响半径和有效半径的确定指标，比对表5可知：

1-5#孔压力下降了62%，1-4#孔压力下降了50%，1-3#孔压力下降了45%，1-2#孔压力下降了26.1%，1-1#孔压力下降了5.5%。

因此1-5#孔、1-4#孔在抽放有效半径内，1-3#孔处在抽放有效半径外，1-3#孔、1-2#孔处于抽放影响半径内，1-1#孔处于抽放影响半径外。

因此根据测试结果，在抽放时间25天左右时，该穿层抽放钻孔的抽放有效半径为1.5~2.25m，这里取2m，影响半径为5~6m。