薄煤層區域瓦斯壓力及抽采參數分析研究應用

陳京+王燦華+陳忠明+李國玉

摘 要：為解決薄煤層區域瓦斯治理抽采難題，以龍門峽南煤礦為研究對象，通過對K1煤層瓦斯參數和瓦斯抽采半徑的考察、分析、研究、建立數據模型，科學的確定了穿層鉆孔和順層鉆孔的以抽采時間布置鉆孔方式及抽采半徑，為優化鉆孔布置、確定礦井瓦斯治理方案、措施提供數據支撐，為實現“瓦斯抽采達標”提供了可靠的科學依據，為瓦斯治理贏得了時間、空間和降低治災成本。

關鍵詞：瓦斯壓力；抽采半徑；數據模型

中圖分類號：TD712 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）01-0143-02

合理考察有效的瓦斯抽放鉆孔半徑，對掌握瓦斯抽采參數考察、分析、研究、建立數據模型，能科學的確定穿層鉆孔和順層鉆孔的以抽采時間布置鉆孔方式及抽采半徑，既不造成工程浪費，又能有效防止煤與瓦斯突出事故，一直是煤礦瓦斯抽采技術難題之一，通過該項目研究達到既不造成工程浪費，又能有效防止煤與瓦斯突出的目的，取得明顯的經濟效益和安全效益，具有十分重要的現實意義。

1 研究總體思路

（1）在龍門峽南礦+310m北西翼底板抽采巷、+400m南西翼底板抽采巷、+478m南西翼底板抽采巷、3111機巷分別選取1～2個鉆場施工穿層和順層鉆孔測定不同標高的煤層瓦斯壓力，在施工測壓鉆孔的同時，采取煤樣，然后送實驗室化驗、分析，得出煤層的瓦斯放散初速度、ab常數、煤的孔隙率、密度等相關參數，最后通過瓦斯壓力和相關參數計算出煤層瓦斯含量，在連抽期間對每個測壓孔的瓦斯壓力衰減情況進行3個月的連續觀測。

（2）通過收集鄰近礦井瓦斯抽采鉆孔的布置方式，結合本礦原來的瓦斯治理方案、鉆孔布置，根據研究得出的結論。

2 技術方案

2.1 總體技術方案

測定基礎瓦斯參數→測定煤層原始瓦斯壓力→瓦斯壓力觀測→測定鉆孔瓦斯涌出量及其衰減系數→煤樣的實驗室測定→測定抽采有效半徑→開發瓦斯抽采模擬軟件→收集鄰近礦井瓦斯抽采鉆孔布置相關資料→優化瓦斯治理方案及瓦斯抽采鉆孔布置。

2.2 相關參數鉆孔施工設計及標準

（1）數據的測定采用相對壓力法測定，鉆孔布置如下：在煤巷沿煤壁中部打6個相互平行的測量鉆孔，孔徑87mm，孔深40m，并用水泥砂漿封孔，封孔長度30m，封孔管為4分鍍鋅管，施工鉆孔過程中記錄開孔時間、終孔時間、開始封孔時間和封孔完成時間。

（2）順層測壓孔應設在煤體完整、節理不發育、預抽影響小、開孔點及周圍50m的范圍不受采掘活動影響的地點。

（3）在底板瓦斯抽采巷向K1煤層打抽采孔，抽采孔兩側各布置3個觀測孔，終孔位置間距均衡布置。

（4）測定裝置。本次測定中使用專業氣表作為鉆孔流量測量儀器。煤氣表的量程根據預計的單孔瓦斯流量確定，本煤層預抽鉆孔使用J2.5型煤氣表，其最大允許的瓦斯流量為66L/min，最小流量一般在1L/min以下。

（5）測定步驟。記錄抽采初始的瓦斯流量、負壓、濃度情況，然后每2天對該孔進行測量，期間每天派人對抽采負壓進行調校，確保其工作負壓為恒定值，保持在35KPa，每天調校次數不少于6次。

3 現場實施步驟

3.1 瓦斯壓力測定

通過對+310m北西翼底板抽采巷鉆場實地考察，在底板抽采巷22#鉆場6個鉆孔的瓦斯壓力觀測。

3.2 穿層鉆孔抽采半徑考察

在+310m北西翼底板瓦斯抽采巷22#鉆場的測壓鉆孔進行穿層瓦斯抽采半徑考察。通過對+310m北西翼底板抽采巷22#鉆場6個鉆孔的瓦斯壓力觀測，所有鉆孔的瓦斯壓力均已出現下降趨勢，立即在3#鉆孔與4#鉆孔之間距3#鉆孔1.0m、距4#鉆孔0.5m處施工了1個抽采孔，并將抽采鉆孔與安裝在+310m北西翼底板瓦斯抽采巷抽采管連接，安排專人對抽采期間壓力的變化連續3個月觀測。通過對觀測到的數據進行分析、計算，最后得穿層鉆孔在不同抽采時間內的瓦斯抽采半徑；利用matlab軟件對6個測壓孔的絕對瓦斯壓力隨時間變化的關系進行擬合，并得出擬合函數。各個曲線擬合公式如表1所示。

3.3 順層鉆孔瓦斯抽采半徑考察

2015年5月，在3111機巷里程400m處施工了3個平行的順層瓦斯抽采鉆孔，角度為真傾斜，深度80m，封孔深度10m，并與礦井瓦斯抽采系統的主管道連通，安排專人進行測流。7月又在3111機巷里程800m處施工了3個順層抽采鉆孔，并封孔、連抽和測流。在鉆孔連抽1個月后，陸續在每個抽采鉆孔右側施工5個測試鉆孔，1#抽采孔與第1個測試鉆孔的間距0.5m，其余測試孔之間的間距為0.5m；2#～6#抽采鉆孔與第1個測試孔之間的間距1.0m，測試孔之間的間距0.5m。施工測試孔時，分別在不同的深度取芯，測定煤層的殘余瓦斯含量，然后對測得的數據進行分析，分別按殘余瓦斯含量和瓦斯抽采率30%繪制出瓦斯抽采時間與抽采半徑的關系曲線，最后得出抽采不同時間內順層鉆孔瓦斯抽采半徑。

3.4 煤層透氣性測試

鉆孔流量衰減系數，是衡量煤層預抽瓦斯難易程度的一種指標，它反映不受采動影響條件下，煤層內鉆孔瓦斯流量隨時間呈衰減變化的特性。現場測定的鉆孔瓦斯流量數據上表煤層鉆孔瓦斯流量數據繪制瓦斯流量衰減曲線，抽采瓦斯純量隨時間的增加而逐漸變小。對瓦斯流量數據進行擬合，得出鉆孔衰減系數。

由表2可知，K1煤層瓦斯抽采鉆孔流量衰減系數為0.01818 ～0.05107d-1，平均為0.03336d-1。

4 實施效果

4.1 瓦斯壓力測定

在+310m北西翼底板瓦斯抽采巷22#鉆場的6個測壓鉆孔的壓力表值穩定并開始下降時，在3#、4#鉆孔之間按設計施工了1個φ87mm的瓦斯抽采鉆孔，然后進行封孔、連抽，觀察連抽后測壓鉆孔的瓦斯壓力變化情況，最后根據抽采負壓、煤層瓦斯壓力變化、抽采時間等參數進行分析、研究、建立數據模型，從而得出了穿層鉆孔在不同抽采時間段間隔內的抽采半徑。

4.2 順層鉆孔瓦斯抽采半徑考察與研究

在3111機巷施工了2組鉆孔進行順層抽采半徑考察與研究，通過鉆孔施工、封孔、連抽和抽采負壓、流量等數據觀測，進行分析、研究、建立數據模型，得出了不同抽采時間內的順層鉆孔瓦斯抽采有效半徑。

4.3 瓦斯抽采效果模擬及軟件開發

本次研究建立了以原始瓦斯含量、煤層吸附常數、煤層透氣系數、抽采鉆孔間距、抽采負壓、抽采時間為基礎參數的瓦斯抽采預測模型，今后，可利用已測得的瓦斯抽采有效半徑、鉆孔瓦斯流量等數據對現場的瓦斯抽采參數進行驗證和改進。

4.4 鄰近礦井瓦斯抽采相關數據收集

廣安煤礦屬高瓦斯礦井，在地面建有1套固定瓦斯抽采系統，主要用于抽采K1煤層瓦斯；龍灘煤電公司屬煤與瓦斯突出礦井，該礦地面建有1套固定瓦斯抽采系統，且井下也建有1個瓦斯抽采泵站，其瓦斯抽采以順層抽采為主，煤巷掘進前，在煤巷磧頭施工13～15個長度不小于60m的順層抽采鉆孔，鉆孔的終孔間距為2×2m。

5 結語

（1）經現場實測得出薄煤層瓦斯絕對壓力為1.32～1.53MPa時，應取最大值1.53MPa作為治災依據；同時，得出薄煤層瓦斯抽放鉆孔流量衰減系數為0.01818～0.05107d-1，平均為0.03336d-1，薄煤層透氣性系數為0.521m2/MPa2·d。

（2）經現場工業性得出穿層鉆孔抽采薄煤層瓦斯時，有效抽放半徑（x）與抽放天數（y）函數關系為y=9.886e^（1.0382x），該函數關系可計算出17天、28天、47天、80天、134天、225天的有效抽放半徑分別達0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m；薄煤層順層鉆孔瓦斯含量降到6.9m3/t（對應壓力0.74MPa）以下作為抽采指標，得到抽采60天、65天、80天的有效抽采半徑依次為1.31m、1.22m、1.55m，抽采86天、108天、110天的有效抽放半徑依次為2.38m、2.95m、3m。

（3）以抽采率30%作為抽放半徑考察指標，得到薄煤層抽放60天、65天、80天的有效抽放半徑依次為0.95m、1.23m、1.5m，抽采86天、108天、110天的有效抽放半徑依次為1.85m，2.4m，2.5m。endprint