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瓦斯抽放钻孔布置间距的优化方法

作者:未知

  摘 要:煤矿开采活动中,时常面临瓦斯威胁,从安全性和经济性的角度着眼,应强调优化瓦斯抽放钻孔布置间距。基于此,本文就常见瓦斯抽放钻孔布置间距优化方法进行分析,给出衰减分析法、对比测试法、虚拟参数分析法等,并做具体分析,最后结合某煤矿工作实例,对上述理论进行证明,为后续工作提供参考。
  关键词:瓦斯抽放;钻孔布置间距;衰减分析法;对比测试法
  瓦斯抽放(Gas drainage)也称可燃气抽放,是一种常见的工业活动。多采用专用设备把煤层、岩层和采空区中的瓦斯抽出或排出,以提升作业安全。瓦斯抽放需要钻孔进行,过多的钻孔不利于保证经济性和工作效率,钻孔过少则无法保证抽放效率,设法在现有基础上优化瓦斯抽放钻孔的布置间距十分必要。
  1 常见瓦斯抽放钻孔布置间距优化方法
  1.1 衰减分析法
  此前各地每款进行瓦斯抽放时,精细化程度不高,为保证安全性往往进行多孔抽放,降低了经济性。以衰减分析法为支持,强调根据若干钻孔中的信息判断地下瓦斯分布态势,根据其衰减规律,获取理想的钻孔方案。因瓦斯在地下一般处于缓慢移动状态,衰减分析法虽有误差,但差异不大,科学性和客观性均比较理想[1]。以A表达目标孔内的瓦斯流量,以B表达瓦斯流量的初始数值,以x表达衰减系数,可获取衰减分析的基本公式:
  A=xB
  实际工作中,还应考虑瓦斯在阶段时间内的抽取量,以C表达抽取量,以Q表达钻孔的深度,以m表达抽放时间,可进一步获取衰减分析的计算公式:
  C=(1440/100)Q*Am
  式中的1440/100均为分析常数,可不予更换。该方式下,C值越大,钻孔间距应对应减少,以N表达钻孔间距,可代入实测值,结合瓦斯浓度的具体信息,获取钻孔基数,C每增加10%,钻孔间距缩小4%-5%。
  1.2 对比测试法
  对比测试法,是较早应用于瓦斯抽放钻孔布置间距优化的方法之一,要求设置一个标准孔、若干测试孔,标准孔与测试孔的基础距离为3m,所有测试孔围绕标准孔圆弧状布置。每一个测试孔处放置一个气压仪,同步完成钻孔后,同时开放瓦斯抽放作业,根据气压仪数值,判断最佳布置间距。该方法的优势在于原理简单,且广泛适用于所有测试地点,但存在一定的人为误差,而且所选的测试孔无法保证测试结果为最佳,如地下瓦斯浓度大,可能所选测试孔获取的压力值均较高,此时仍需要进行二次甚至多次测试。以A代表标准孔,以1、2、3代表三个测试孔,间隔分别为3.0m、3.5m、4.0m。在一般情况下,三组气压将呈现阶梯状分布,即1号孔气压最大、其次为2号孔,三号孔气压最小,可根据抽取标准进行评估,选取与理想值最接近的距離,作为瓦斯抽放钻孔布置间距。
  1.3 虚拟参数分析法
  虚拟参数分析法是一种借助计算机建模分析的技术,利用数学分析软件进行工作,常用软件为MATLAB[2]。依托该软件进行工作的基础,是获取一部分标准化的关键参数,包括煤层厚度、瓦斯流动速度、某一测试孔处瓦斯的抽放信息等,这些参数经核准后,可将其代入MATLAB中,软件首先默认瓦斯抽排效率具有线性特点,即随着时间推移,抽排总量将出现下降,且为规律性下降,同时瓦斯流速也将呈现线性变化特点,是随着残余量减少,流速会出现增加。利用上述两个线性数据之间的差异,可获取单位时间抽取瓦斯的数目,推算目标地点剩余瓦斯的数目,应瓦斯总量在阶段时间内几乎是不变的,推算所获结果也往往较为客观和准确,之后根据推算结果和瓦斯抽放要求,确定瓦斯抽放钻孔布置间距。该技术对操作、参数收集的要求比较高,如果测试地点地形、地下情况复杂,可能难以获取全面的精准数据。
  2 实例分析
  西南某地区进行煤层开采作业,开采作业前勘测发现煤层内存在瓦斯气体,拟通过钻孔抽样保证作业安全,同时提升瓦斯的利用效益。煤层平均厚度为14.3m,工作面地质条件较为复杂,存在喀斯特地貌。为保证作业安全,拟优化钻孔布置间距。技术人员分别就衰减分析法、对比测试法、虚拟参数分析法进行分析。为避免浪费资源和人力,共设置三处测试孔。
  将所获参数用于虚拟参数分析法中,结果上看,不同测试孔的参数相似,但因选取的区域不同,虚拟参数分析法给出的最佳间距为2.4m、5.8m和4.3m,差异十分显著。改行对比测试法,1号和2号测试孔所获数据相近,计算获取最佳间距为3.3m、3.4m。另以衰减分析法进行测试,从衰减效率上看,不同测试孔存在区别,计算获取的最佳间距分别为3.4m、3.6m和3.5m。进一步分析,发现所选测试孔地下形式复杂,影响瓦斯的流动,对比测试法的精度不足,而虚拟参数分析法过于重视目标孔自身参数信息,不适用于当地地貌,最终选用衰减分析法。确定瓦斯抽放钻孔布置间距为3.5m。瓦斯抽放作业完成后,对煤层瓦斯浓度进行探测,结果满足开采安全标准。
  3 总结
  综上,瓦斯抽放钻孔布置间距的优化,即要求保证经济性,也要求保证安全性。目前多见方法包括衰减分析法、对比测试法、虚拟参数分析法等。不同方法的适用性存在差异,在实例分析中,三种方法所获结果存在少许差异,考虑到开采地点的特殊性,最终选用衰减分析法,实现了瓦斯抽放钻孔布置的优化。
  参考文献:
  [1]刘文忠,张自雷.高位裂隙带钻孔瓦斯抽采技术在水峪矿的应用与研究[J].煤炭与化工,2018,41(07):104-107.
  [2]赵文利.某矿采动裂隙“O”型圈中瓦斯运移规律分析及抽放设计[J].现代矿业,2018,34(07):171-173.
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