平舒礦順層預抽鉆孔瓦斯抽采半徑考察及主要影響因素分析

王亞洲 孫 銳

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶市沙坪壩區，400037； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區，400037)

礦井開采條件日益復雜，瓦斯災害成為制約礦井安全生產主要因素，預抽煤層瓦斯成為礦井治理瓦斯災害普遍采用的措施。確定預抽鉆孔合理抽采半徑是保障煤層瓦斯抽采效果的關鍵，鉆孔間距布置過大，雖節約了工程量，但煤層瓦斯抽采達標時間較長，影響礦井采掘接替緊張；鉆孔間距布置過小，不但增加了鉆孔工程量，而且容易導致串孔，使抽采效率低下。因此，本文根據平舒礦15#煤層實際情況，通過考察研究，確定合理的預抽鉆孔抽采半徑，指導礦井抽采工程科學實施。

1 工程背景

平舒礦隸屬于陽泉煤業(集團)有限責任公司，15#煤層位于石炭系上統太原組下部，煤層厚度變化較大，厚1.35～7.15 m，平均厚度3.97 m，結構較復雜，不含或含1～4層夾矸，夾矸厚0.08～1.35 m。井田內煤層厚度由東往西逐漸變薄。15#煤層屬全區穩定可采、但瓦斯較難抽采煤層。15111工作面開采15#煤層，工作面傾向長度200 m，走向長度約1200 m。

2 抽采半徑考察研究

2.1 抽采半徑試驗鉆孔設計及施工

試驗選定在15111工作面進風巷14～16橫貫(長度為98 m)開展15#煤層順層鉆孔瓦斯抽采半徑考察工作，考察半徑分別為0.75 m、1.25 m和1.5 m，即鉆孔間距分別為1.5 m、2.5 m、3 m。每組考察鉆孔按單排15個鉆孔布置，封孔長度為8 m，鉆孔直徑為113 mm，試驗鉆孔竣工圖見圖1。

圖1 15111工作面進風巷抽采半徑考察試驗鉆孔成孔圖

2.2 試驗鉆孔接抽及觀測

試驗鉆孔施工完畢后立即封孔，采用“兩堵一注”封孔工藝，封孔材料為專用注漿材料，封孔長度為8 m。把每組試驗鉆孔接入抽采系統進行抽采，并在每組鉆孔中安裝一套放水器、導流管附屬裝置。

流量監測裝置安裝完成后，技術人員每3 d測定1次抽采參數，包括抽采負壓、壓差、濃度。抽采半徑考察期間試驗鉆孔抽采負壓約為10.0～13.0 kPa，此次試驗共監測80 d的抽采數據，共監測到25組考察數據。通過收集的監測數據對試驗鉆孔瓦斯抽采半徑進行分析考察。

2.3 試驗鉆孔覆蓋范圍內瓦斯儲量及達標抽采量

試驗區域煤層原始瓦斯含量實測值為15.6 m3/t，根據每組試驗鉆孔有效覆蓋面積計算該面積內的瓦斯儲量。根據《防治煤與瓦斯突出規定》要求，煤層瓦斯經抽采后必須將瓦斯含量降至8 m3/t以下抽采工程方可達標。因此，瓦斯抽采達標需要抽采的瓦斯量為煤層瓦斯儲量與煤層瓦斯抽采達標后殘余瓦斯量之差。

根據3組試驗鉆孔實際施工參數可知，3 m試驗鉆孔有效覆蓋面積為3810 m2，2.5 m試驗鉆孔有效覆蓋面積為3485 m2，1.5 m試驗鉆孔有效覆蓋面積為2262 m2。3組試驗鉆孔覆蓋面積內瓦斯抽采達標需要抽采的瓦斯量Qdc按下式計算：

Qdc=(W0-Wy)×M0×γ×S

(1)

式中：Qdc——煤層瓦斯抽采達標需要完成的抽采量，m3；

W0——煤層原始瓦斯含量，實測試驗區域工作面的原始瓦斯含量為15.6 m3/t；

Wy——抽采達標對應的煤層殘余瓦斯含量，根據防突規定殘余瓦斯含量取值為8 m3/t；

S——每組試驗鉆孔有效覆蓋面積，m2；

M0——平均煤厚，工作面試驗區域煤層厚度為4.2 m；

γ——煤體容重，取1.43 t/m3。

經計算，3 m、2.5 m和1.5 m試驗鉆孔有效覆蓋面積內瓦斯抽采達標需要抽采的瓦斯量分別為173909 m3、159075 m3和103250 m3。

2.4 抽采半徑考察分析

2.4.1各組不同間距試驗鉆孔單日瓦斯抽采量隨抽采時間的變化規律

根據監測的試驗鉆孔瓦斯抽采參數，計算每組鉆孔單日瓦斯平均抽采量qct，并結合鉆孔平均抽采時間t形成測定數組(t，qct)。對監測的數組進行統計分析，得出每組鉆孔單日瓦斯平均抽采量與抽采時間的關系。

各組試驗鉆孔抽采特征曲線如圖2所示。

通過對上述曲線擬合，得出不同間距試驗鉆孔單日瓦斯抽采量與抽采時間的關系：

1.5 m組：qct=1942.6×e-0.018t

2.5 m組：qct=2055.3×e-0.012t

3 m組：qct=1892.5×e-0.010t

由圖1可知，1.5 m、2.5 m組鉆孔竣工長度基本接近鉆孔設計長度，3 m組鉆孔由于鉆孔見巖等原因導致鉆孔施工長度與設計長度存在差距。因此，1.5 m、2.5 m組鉆孔初始單日瓦斯抽采量比3 m組鉆孔的較大。

圖2 不同間距試驗鉆孔單日瓦斯抽采量與抽采時間關系圖

不同間距試驗預抽鉆孔具有不同的瓦斯流量衰減系數和初始瓦斯抽采量，試驗結果表明：鉆孔間距越大，瓦斯流量衰減系數就越小，表示衰減的越慢。反之，鉆孔間距越小，瓦斯流量衰減系數就越大，表示衰減的越快。鉆孔間距為1.5～3 m時，其衰減系數在0.01～0.018 d-1之間。

2.4.2各組不同間距試驗鉆孔瓦斯抽采量與抽采時間關系

對每組試驗鉆孔單日瓦斯抽采量在抽采時間上積分可以得到不同抽采時間內的抽采總量：

Qct=Qcj(1-e-βt)

(2)

式中：Qct——時間t內鉆孔瓦斯抽采總量，m3；

Qcj——t→∞時鉆孔極限瓦斯抽采量，m3。

經積分計算，得出各組試驗鉆孔瓦斯抽采量與抽采時間的關系如下：

1.5 m組：Qct=107922×(1-e-0.018t)

2.5 m組：Qct=171275×(1-e-0.012t)

3 m組：Qct=189250×(1-e-0.010t)

據此可分析得出：1.5 m組、2.5 m組和3 m組鉆孔的極限瓦斯抽采量分別為107922 m3、171275 m3和189250 m3。預抽鉆孔間距越大，其極限瓦斯抽采量越大。

2.4.3各組不同間距試驗鉆孔瓦斯抽采達標時間分析

(1)當試驗預抽鉆孔瓦斯抽采量Qct達到抽采達標需要預抽的瓦斯抽采量Qdc時，則鉆孔有效覆蓋面積內煤層瓦斯抽采達標，即Qct≥Qdc。

各組試驗預抽鉆孔抽采達標的條件為：

1.5 m組：Qct≥103250 m3

2.5 m組：Qct≥159075 m3

3 m組：Qct≥173909 m3

經計算，得出1.5 m組、2.5 m組和3 m組試驗預抽鉆孔有效覆蓋面積內煤層瓦斯抽采達標所需要的抽采時間為175 d、221 d和252 d。

2.4.4 試驗鉆孔預抽效果檢驗

對預抽鉆孔抽采參數進行統計分析，根據試驗鉆孔有效覆蓋范圍內瓦斯儲量、瓦斯抽采量初步判定試驗區域煤層瓦斯預抽達標后，需對瓦斯預抽效果進行檢驗。檢驗指標為煤層殘余瓦斯含量，依據標準為《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》(GB/T23250-2009)。

在3組不同間距試驗鉆孔施工區域各均勻布置3個效果檢驗鉆孔，效果檢驗鉆孔位于相鄰預抽鉆孔中部，每個鉆孔測定1組殘余瓦斯含量。

3組試驗區域煤層殘余瓦斯含量測定結果為6.82～7.65 m3/t，小于效果檢驗指標臨界值8 m3/t，驗證了1.5 m、2.5 m、3 m組預抽鉆孔分別預抽175 d、221 d、252 d后，消除了煤層煤與瓦斯突出危險性，預抽措施有效，滿足了礦井防突要求。

2.4.5抽采鉆孔的布置間距與抽采達標所需時間關系

為了更好地指導礦井實際生產工作，依據現有的考察數據確定瓦斯抽采達標時，抽采鉆孔的布置間距與抽采達標所需時間之間的關系如圖3所示。

圖3 預抽鉆孔間距與抽采達標時間的關系曲線

由各組試驗鉆孔抽采達標時間關系可以得出平舒煤礦相似煤層瓦斯地質單元內抽采鉆孔間距與抽采達標時間的關系：

T=10.67r2+3.33r+146

(3)

式中：T——鉆孔抽采達標所需時間，d；

r——預抽鉆孔間距，m。

3 結論

3.1 考察結論

(1)根據3組試驗鉆孔實際施工參數得知，3 m、2.5 m和1.5 m試驗鉆孔有效覆蓋面積分別為3810 m2、3485 m2和2262 m2。3 m、2.5 m和1.5 m試驗鉆孔有效覆蓋面積內瓦斯抽采達標需要抽采的瓦斯量分別為173909 m3、159075 m3和103250 m3。

(2)得出不同間距試驗鉆孔單日瓦斯抽采量與抽采時間的關系。不同間距組試驗預抽鉆孔具有不同的瓦斯流量衰減系數和初始瓦斯抽采量，鉆孔間距越大，瓦斯流量衰減系數就越小，表示衰減的越慢；反之，鉆孔間距越小，瓦斯流量衰減系數就越大，表示衰減的越快。鉆孔間距為1.5～3 m時，其衰減系數在0.01～0.018 d-1之間。

(3)得出1.5 m、2.5 m和3 m組試驗預抽鉆孔有效覆蓋面積內煤層瓦斯抽采達標所需要的抽采時間分別為175 d、221 d和252 d。

抽采半徑考察期間試驗鉆孔抽采負壓約為10.0～13.0 kPa。為了保障煤層瓦斯預抽效果，平舒煤礦各抽采支管孔口負壓應不低于13 kPa。

3.2 抽采半徑主要影響因素分析

抽采半徑合理確定由鉆孔瓦斯抽采效果及煤層瓦斯儲量兩個方面共同決定，即主要取決于煤層厚度、瓦斯含量、接抽工藝、抽采負壓等指標。其中，抽采負壓及接抽工藝指標相對穩定，在各工作面變化不大；煤層厚度、瓦斯含量指標決定了煤層瓦斯儲量，對瓦斯抽采效果產生一定的影響，因此，該抽采半徑考察結論適用于平舒煤礦15#煤層賦存、瓦斯地質相似的區域，對于差異較大的煤層賦存、瓦斯地質單元區域應參考本次預抽鉆孔抽采半徑考察結論作相應的調整，更有針對性地指導礦井瓦斯抽采工程。