煤层瓦斯有效抽采时间的测算问题探讨

Discussion on Measuring of Effective Boring Time in Coal Seam Gas

摘要: 高瓦斯及突出矿井在编制瓦斯抽采设计、防突措施设计中，均存在合理确定抽采钻孔有效抽采时间的问题。本文就抽采钻孔有效抽采时间的测算提出了一种新的测算方法，利用新的测算方法对不同衰减系数下钻孔瓦斯有效抽采时间进行了测算，最后对有效抽采时间测算的钻孔流量衰减系数的选择、自然条件下钻孔流量衰减系数代替抽采条件下的衰减系数及现场抽采中有效抽采时间的确定等几个问题进行了探讨。

Abstract: Both of the designs of gas extraction and outburst prevention measure in high gas mine have the same problem in confirming rationally effective boring time. A new measuring method of effective boring time is put forward in the paper; we measure the effective boring time in the different at-tenuation coefficient by making use of the new method; in the end, the paper discusses the prob-lems in selecting the boring attenuation coefficient and under the natural condition’s attenuation coefficient and how to ensure the effective boring time in the live.

1. 引言

随着我国煤矿开采技术的不断发展，瓦斯防治及治理技术也得到了极大程度的提高，尤其是突出矿井的区域综合防突措施及局部综合防突措施逐步体系化。高瓦斯及突出矿井在编制瓦斯抽采设计、“掘、抽、采”平衡规划、防突措施设计中，均面临合理确定抽采钻孔的有效抽采时间问题，多数煤矿没有根据本矿煤层瓦斯赋存实际情况进行测定而随意确定，有些矿井在抽采钻孔有效抽采时间内提前停止抽采致使抽采不达标、防突措施无效，而有些矿井超过了有效抽采时间还继续抽采，浪费了大量人力、物力、财力。因此，急需研究提出一种简单便捷、行至有效的抽采时间测算方法，从而为煤矿抽采达标、防突措施有效、“掘、抽、采”平衡提供科学依据和技术保障。

2. 有效抽采时间的测算

2.1. 有效排放时间的测算方法

煤是一种复杂的孔隙介质，煤体内有庞大的自由空间和孔隙表面。煤中瓦斯的赋存状态一般有吸附状态和游离状态两种。固体表面的吸附作用可以分为物理吸附和化学吸附两种类型，煤对瓦斯的吸附作用是物理吸附，是瓦斯分子和碳分子间相互吸引的结果。在被吸附瓦斯中，通常又将进入煤体内部的瓦斯称为吸收瓦斯，把附着在煤体表面的瓦斯称为吸着瓦斯，吸收瓦斯和吸着瓦斯统称为吸附瓦斯。在煤层赋存的瓦斯量中，通常吸附瓦斯量占80%~90%，游离瓦斯量占10%~20%[1] 。

在煤体中，吸附瓦斯和游离瓦斯在外界条件不变的条件下处于动平衡状态，吸附状态的瓦斯分子和游离状态的瓦斯分子处于不断的交换之中；当外界的瓦斯压力和温度发生了变化或给予冲击和振荡、影响了分子的能量时，则会破坏其动平衡，而产生新的平衡状态[1] 。

基于以上原理，我们在煤体中施工一个钻孔后，改变了钻孔周围煤体内的瓦斯压力而破坏了吸附瓦斯和游离瓦斯的动平衡状态，游离瓦斯不断渗流入低压区(钻孔内)而流出煤体，吸附瓦斯不断解吸为游离瓦斯至达到一个新的动态平衡，进入钻孔内的游离瓦斯不断涌出钻孔而产生瓦斯流量。

钻孔自然状态下瓦斯流量一般遵循以下规律[2] [3] ：

(1)

式中——自排时间t时的钻孔自然瓦斯流量，m³/min；

——自排时间t = 0时的钻孔自然瓦斯流量，m³/min；

——钻孔自然瓦斯流量衰减系数，d⁻¹；

t——钻孔自排瓦斯时间，d。

对式(1)积分，可以得到任意时间t内钻孔自然瓦斯涌出总量：

即：

(2)

式中——时间t内钻孔自然瓦斯涌出总量，m³；

——钻孔极限瓦斯涌出量，，m³；

1440——单位换算系数，一天24小时换为分钟的系数。

当排放时间t为无限长时，钻孔排放瓦斯的极限量为：

(3)

若将排放时间为t时，钻孔排放瓦斯的总量和排放时间无限长时的极限瓦斯涌出量的比值K定义为钻孔瓦斯排放系数，则K值为：

(4)

根据(4)式，计算有效排放时间t为：

(5)

根据式(5)，当知道钻孔瓦斯流量衰减系数，选定K为一定值时，便可快速计算出排放时间t。

为了便于计算，给出不同K值时，计算t值的表达式，见表1。

由表1可以看出，钻孔自然排放瓦斯有效排放时间的长短完全取决于钻孔自然瓦斯流量衰减系数的大小。钻孔瓦斯自然流量衰减系数越大，有效排放时间越短，反之，则有效排放时间越长。

2.2. 不同衰减系数下钻孔瓦斯有效抽采时间测算

目前，我国普遍采用钻孔自然状态下流量衰减系数代替抽采条件下的流量衰减系数，按煤层钻孔瓦斯流量衰减系数的大小，将煤层瓦斯抽放难易程度划分为三类[4] (见表2)：衰减系数小于0.003为容易抽放煤层，大于0.05的为较难抽放煤层，0.003~0.05之间为可抽放煤层。根据多年现场实测情况，湖南省突出矿井的钻孔瓦斯流量衰减系数均大于0.05，为较难抽放煤层，根据钻孔流量衰减系数0.003 (容易抽放)、0.05 (较难抽放)和湖南省大多数矿井钻孔流量衰减系数在0.1、0.2、0.3、0.4、0.5的情况，将钻孔流量衰减系数、排放系数和有效抽采时间绘制成曲线图，见图1。

可知：容易抽放煤层瓦斯排放系数达到0.8时，有效抽采时间在536天以上，抽采系数达到0.99时，有效抽采时间在1535天以上；可以抽放煤层瓦斯排放系数达到0.8时，有效抽放时间在32天~536天之间，排放系数达到0.99时，有效抽放时间在92天~1535天之间；较难抽放煤层，排放系数在0.8、0.99条件下，有效抽采时间分别在32天、92天以下。当钻孔流量衰减系数为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5，抽放系数为0.8时，有效抽采时间分别为16、8、5、4、3天，抽放系数为0.99时，有效抽采时间分别为46、23、15、11、9天。

我省有的煤层透气很低，虽然瓦斯抽采时间长达3年以上，但防突措施效果检验时打钻喷孔严重，K₁值或h₂严重超标，这就充分说明透气性很低的煤层钻孔抽采影响范围很小，钻孔极限瓦斯涌出量较小，靠用延长抽采时间来扩大抽采影响范围是不可行的。

Table 1. Expression of the t-value of different k-value

表1. 不同k值时t值的表达式

Table 2. Complexity of gas drainage in coal seam

表2. 煤层瓦斯抽放难易程度表

Figure 1. The relationship of different flow attenuation coefficient, discharge coefficient and the effective drainage time

图1. 不同流量衰减系数、排放系数条件下与有效抽采时间的关系

3. 有效抽采时间测算中几个问题的讨论

3.1. 钻孔流量衰减系数的选择