钻屑指标法K1值测定煤层钻孔排放半径浅析.pdf

钻屑指标法 K1值测定煤层钻孔排放半径浅析 周厚权， 汪东， 陈宾 煤炭科学研究总院 重庆研究院， 重庆 400037 摘要 详细叙述了钻屑指标法测定煤层钻孔排放半径的原理及操作程序， 详细分析了钻屑指标 法测定的多种误差影响因素， 并通过赵庄煤矿井下的实际应用， 得出了一套钻屑指标法 K1值测 定钻孔排放半径的适用条件及注意事项， 为低透气性煤层准确测定钻孔排放半径提供技术支撑。 关键词 钻屑指标法; 排放半径; 适用条件 中图分类号 TD712文献标识码 B 文章编号 1003 － 496X 2010 12 － 0082 － 03 就目前成熟技术而言， 超前钻孔有效排放半径 的测定有 2 种方法， 即钻孔流量法和钻屑指标法， 其 中钻屑指标包括钻屑量 S 值、 钻屑瓦斯解吸指标 K1 值和钻孔瓦斯涌出初速度 q 值。目前钻孔流量法是 应用最为广泛的方法， 它直接反映了超前钻孔的影 响范围， 通过流量变化确定排放半径， 而当钻孔流量 较小， 无法应用钻孔流量法时则可采用钻屑指标法， 而钻屑指标法的适用性及特点目前还没有相关研 究。 1钻屑指标法测量原理及步骤 钻屑指标法测量超前钻孔排放半径的机理即是 用测量孔的钻屑指标检验超前钻孔的影响范围， 超 前钻孔经过排放后在其周围一定范围内的瓦斯减 少， 并形成一个卸压区， 卸压区内地应力比原始煤体 大大降低， 从而增加了煤体的透气性， 瓦斯也得到进 一步的释放， 由此超前钻孔影响范围内测量孔的钻 屑指标比超前钻孔的钻屑指标小， 据此可以判断超 前钻孔的瓦斯排放半径， 同时由于卸压区的形成超 前钻孔影响范围内煤层的突出危险性大大降低。 超前钻孔有效排放半径的测定步骤如下 1 在没有执行过防突措施的有突出危险的采 掘工作面， 在其软分层中先打一个考察孔 1 孔 ， 测量每米的钻屑量或钻屑瓦斯解吸指标或钻孔瓦斯 涌出初速度， 钻孔深 8 ～ 10 m， 钻孔直径为 42 mm。 2 测试结束后， 将钻孔扩大到排放钻孔的设 计直径， 进行扩孔排放， 或直接装药后松动爆破。 3 按施工要求， 确定排放时间。当到达时间 后， 在该钻孔附近的软分层中打一个与 1 孔有一定 角度的测试孔 2 孔 ， 测定其每米的钻屑量或钻屑 瓦斯解吸指标或钻孔瓦斯涌出初速度。 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 2 孔在第 Nm 后所测定 的指标均小于 1 孔同一深度的指标时， 则可确定 N 为超前钻孔的有效排放半径。 钻屑法测定超前钻孔排放半径示意图如图 1。 图 1钻屑法测定超前钻孔排放半径示意图 2钻屑指标法的适用性分析 钻孔流量法针对瓦斯流量变化因素， 即在施工 超前排放钻孔前后， 测量孔瓦斯流量的变化达到一 定程度时即可认为此测量孔是处于超前排放孔影响 范围之内， 它代表了一个区域的瓦斯流量特征， 因此 检验指标具有代表性， 但不敏感; 而钻屑指标法是取 某个点的钻屑指标值来检验指标。很显然， 一个点 的钻屑指标值一般很难代表一个区域的瓦斯特征， 因此其缺点是检验指标的代表性较差， 但其优势是 检验指标较敏感， 当煤层透气性或瓦斯流动性较差， 采用钻孔流量法其测量孔的瓦斯流量变化幅度较小 而没有试验结果时， 钻屑指标法可以敏感的反映瓦 斯含量的变化并体现在钻屑指标值上， 综上所述， 采 用钻屑指标法测量钻孔排放半径的特点及适用条件 28 煤 矿 安 全 Total 434问题探讨 较明显， 主要有以下几个方面 1 煤层透气性对试验的影响。如果煤层透气 性好， 则 2 种测量方法的结果理论上应该一致， 但如 果煤层透气性较差， 瓦斯流动受到限制， 这会直接影 响到钻孔流量法的测量数据， 导致测量结果偏小， 从 而使得排放半径的测量无结果或者试验失败。而钻 屑指标法则不受煤层透气性因素的影响， 因为钻屑 指标对瓦斯变化的反映较敏感， 但它只是检验某个 点的钻屑指标值， 很难代表一个区域的瓦斯情况， 即 使是相邻两个钻孔同深度的煤体， 由于裂隙和硬度 的差异其钻屑指标值也会不尽相同， 因此钻屑指标 法存在一定程度不可避免的误差， 需要较多的试验 才能规避这种误差。 2 钻屑指标法取样时间、 地点因素的影响。 钻屑解吸指标 K1是通过测量煤样从煤体原始状态 暴露卸压后， 在最初一段时间内的解吸瓦斯量来反 映煤体中实际的瓦斯含量大小以及与煤的物理结构 密切相关的解吸瓦斯速度快慢， 进而评价工作面前 方煤体存在的突出危险性 〔1〕。因此， 煤样在测定前 暴露时间愈长， 测定的结果将愈偏小。钻屑取自煤 体内的深度难以保证， 实际上每次在孔口取的煤样 是孔内各个深度上已暴露不同时间的混合煤样而 已， 而且钻孔愈深， 采样位置的代表性就愈差， 在这 种情况下再将其作为判断超前钻孔排放半径大小的 依据当然会不准确。 3 硬煤、 矸石的影响。由经验可知， 夹矸或软 分层经常会在突出煤层中出现， 如果钻孔在施工过 程中穿过夹矸或进入硬煤分层， 则采集到的钻屑因 混有夹矸或硬煤而导致 K1值偏小的情况， 而且混入 夹矸或硬煤的量愈多， 测得的 K1值愈小。有试验结 果显示， 同一煤层的不同分层煤样， K1值随着 f 值的 增大而减小的规律非常明显 〔2〕， 因此， 如果测试人 员在施工过程中不能分辨出夹矸或硬煤， 则将导致 测量误差或试验失败。 4 人员操作问题。预测人员的一些不规范操 作会导致 K1值的测定误差， 如预测人员如果没有将 Φ1 ～ Φ3 mm 的粒径筛选充分， 钻屑中混入了较多 的粒径 ＜ Φ1 mm 的钻屑， 导致量杯中的钻屑量偏多 和钻屑粒径的减小， 这两个因素均可导致测量出的 K1值增大; 现场采用风钻测量时由于风速过大或工 作人员的疏忽经常导致钻屑量的收集不准确， 这时 如果采用钻屑量指标分析时则会出现测量结果的误 差; 测定仪器的电量对测量结果有很大的影响， 电量 不足时一般会导致测定结果的偏大， 最大可达到真 实值的 1 倍 〔2〕。 3数据分析 图 2 为赵庄矿采用钻屑指标法测量超前排放钻 孔的瓦斯解吸指标值随钻孔深度的变化趋势图。试 验的测试地点选在赵庄矿 3 煤层 12061、 12064 巷和 1103 反掘区、 所选区域均属于瓦斯含量较大的原始 煤体， 有突出危险性， 没有大的地质构造， 软分层相 对较明显。1 孔孔径 42 mm， 钻孔深度 12 m， 在 1 钻孔施工完毕后， 将孔径扩大至 76 mm， 排放 2 h， 在 达到排放时间后开始施工 2 钻孔。 根据钻屑法测定原理， 由图 2 的 3 组试验可知， 第一组试验的排放半径体现在距孔口距离 6． 5 m 瓦斯解吸值为 7 m ， 第二组试验的排放半径体现 在距孔口距离 7． 5 m 瓦斯解吸值为 8 m ， 第三组 试验的排放半径体现在距孔口距离 7． 3 m 瓦斯解 吸值为 7． 8 m ， 再由图 1 的三角关系可知， 这 3 组 试验的排放半径分别为 0． 67 m， 0． 83 m， 0． 7 m。 a 12061 巷 b 12064 巷 c 1103 反掘区 图 2瓦斯解吸指标值变化趋势图 38 问题探讨煤 矿 安 全 2010 － 12 瓦斯爆炸现实性定量评价 黄政祥 贵州省煤矿设计院， 贵州 贵阳 550025 摘要 为了评价结果能动态反映瓦斯爆炸的危险度和安全控制措施的控制效果， 通过统合研 究煤矿瓦斯爆炸的机理和特征， 分析瓦斯爆炸相关因素框架层次关系构建瓦斯爆炸的现实性定 量评价模型。利用概率论知识和本质易发性原理分析和构建瓦斯爆炸固有易发性评价方法， 利 用爆炸模型冲击波和超压相似原则分析和构建瓦斯爆炸严重度评价方法，依据控制因素的功能 划分类别以及下一级子因素 ， 并通过映射危险分级的方法实现评价指标的定量化，利用百万吨 死亡率指标换算煤矿瓦斯爆炸危险度的可接受范围， 从而建立一套完整的定量评价方法。通过 对案例分析和跟踪调查， 该评价模型和方法是可行的和适用的， 不论是进行瓦斯爆炸定量评价的 研究还是利用该方法对瓦斯爆炸进行评价都具有很大使用价值。 关键词 瓦斯爆炸; 现实性定量评价; 模型 中图分类号 TD712 ． 7文献标识码 B文章编号 1003 － 496X 2010 12 － 0084 － 05 1瓦斯爆炸现实定量评价框架模型 重大危险源的数学评价模型 〔1〕分为固有危险 性评价和现实危险评价，参照该重大危险源基本的 数学模型， 结合煤矿瓦斯爆炸事故发生机理和特征， 分析相关框架层次因素关系， 构建如图 1 所示的瓦 斯爆炸评价体系框架图。 1． 1模型框架结构分析 根据图 1 中所示， 对瓦斯现实性定量评价分别 从瓦斯爆炸固有危险性评价和预防控制措施两个方 面来评价， 而对于瓦斯爆炸固有危险性评价则分别 从瓦斯爆炸的固有易发性和危险严重度 2 个方面来 评价， 因此依据模型层次框架 〔5〕， 可逐层逐次往下 划分。 1． 1． 1瓦斯爆炸固有易发性评价 瓦斯爆炸固有易发评价也就是从本质安全角度 考虑， 就矿井现有条件和环境下， 评价矿井瓦斯爆炸 的发生可能性大小， 危险概率是多少， 瓦斯爆炸固有 易发性 B1可分成 3 个部分来评价即 采面 D1、 掘面 D2和其他地点 D3， 则可得 B1 1 － 1 － D1 1 － D2 1 － D3 1 煤矿中瓦斯爆炸评价主要集中可能主要发生在 采掘面， 其他地点也就是除采掘面以外煤矿的回风 系统中发生瓦斯爆炸可能性， 则以采掘面中易发危 险性与相关复杂的系数 M 乘积来表示其他地点易 发性概率 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 4结论 1 钻屑指标法主要在煤层透气性差， 钻孔流 量法无法测量的时候才使用， 但由于其不可避免的 误差， 需要较多的试验数据才能接近真实值。 2 为了使煤样接近原始煤体， 尽量缩短取样 时间， 还有考虑到取样位置的代表性， 钻孔试验深度 不易太大。 3 试验施工过程中注意是否遇到夹矸或硬 煤， 若不能分辨， 则易导致试验失败或测量误差。 4 按钻屑指标值的测定规范操作， 避免人为 因素对试验结果的影响。 参考文献 〔1〕 吴自立， 孔凡正， 孙重旭． 测定钻屑解吸指标采样方法 的探讨 〔J〕 ． 矿业安全与环保， 1999 3 ． 〔2〕 赵旭生， 刘胜． 钻屑瓦斯解吸指标 K1值测定误差的 影响因素 〔J〕 ． 矿业安全与环保， 2002 4 ． 作者简介 周厚权 1975 － ， 男， 重庆忠县人， 学士， 工 程师， 现主要从事煤矿瓦斯灾害治理及瓦斯利用研究工作。 收稿日期 2010 － 05 － 10; 责任编辑 王福厚 48 煤 矿 安 全 Total 434问题探讨