瓦斯儲量法確定瓦斯抽采半徑方法研究

范存恒

（潞安集團古城煤礦建設管理處， 山西 長治 046100）

隨著煤礦的井下開拓，瓦斯災害的威脅日趨嚴重，為解決礦井采區回采期間的瓦斯問題，保障煤炭安全、高效生產，需要大力推動瓦斯抽采工作。井下瓦斯抽采工作受到多種因素影響，與瓦斯抽采半徑、煤層瓦斯基礎參數密切相關。合理的礦井抽采半徑和準確的煤層瓦斯賦存情況，是瓦斯抽采工藝技術選擇的基礎，能夠為瓦斯抽采系統的準確、安全、高效運轉和礦井“抽掘采”平衡提供保障。

1 瓦斯儲量法

目前瓦斯抽采半徑的測試方法眾多，不同方法的有缺點各不相同，適用于不同條件的礦井。近年來提出的瓦斯抽采流量法，忽略了不同抽采間距條件下瓦斯抽采流量衰減規律的差異性，僅用某一特定間距下抽采鉆孔流量與時間的關系來推算不同的抽采半徑，與實際抽采條件相比具有一定的誤差。由于煤層透氣性系數較差，并且測壓過程中容易受到水壓和煤壁裂隙影響，因此也需要對測量方法進行改進。

一般情況下，煤層的透氣性及鉆孔瓦斯補給量是有限的，煤層的瓦斯流動性質是非穩定流動，即隨著流動時間的增長，鉆孔的瓦斯涌出強度、瓦斯流量會衰減，根據煤層瓦斯流動理論，抽采鉆孔的瓦斯涌出強度隨時間變化如公式（1）。

式中：q為t時刻的鉆孔瓦斯涌出強度，m3/(min·m2）；α 為鉆孔瓦斯流量衰減系數，d-1；t為鉆孔內瓦斯流動時間，min。

t時刻鉆孔瓦斯涌出量為：

式中qt為t時刻的鉆孔瓦斯涌出量，m3/（min·m2）；L為鉆孔長度，m。

對上式積分，并令β=2πrLq0，則可以得到t時間內抽采鉆孔的抽采總量：

式中：Q為在t時間內，鉆孔瓦斯抽采總量，m3；

因此，在煤層瓦斯含量測定基礎上，根據抽采目的，測定出鉆孔瓦斯抽采能力，通過三者之間的關系計算分析，就可確定出鉆孔的抽采半徑。通過對不同間距抽采鉆孔的抽采數據進行擬合，可以求出對應不同抽采半徑鉆孔在某一時間段內的全部抽采瓦斯量。一般情況下，在特定的區域，鉆孔直徑、抽采負壓、鉆孔長度等確定后，煤層厚度、透氣性系數可認為是一定值，因此鉆孔抽采瓦斯的能力與抽采時間呈負指數，從而根據鉆孔抽采能力與抽采半徑的關系就可分析得出鉆孔不同抽采時間所對應的抽采半徑。

2 儲量法確定抽采半徑的測定過程

測定位置在工作面回風順槽500～600 m 范圍內，施工2 種6 組抽采試驗鉆孔，即抽采流量監測鉆孔和抽采邊界條件鉆孔各3 組，抽采流量監測鉆孔用于直接測試煤層瓦斯抽采半徑，而抽采邊界條件鉆孔用于保證每組抽采流量監測鉆孔中的各鉆孔均具有相同的邊界條件。經過計算，抽采區域內不同抽采鉆孔間距（3 m、2 m、1.5 m）對應的抽采鉆孔布置數量分別為54 個、80 個及107 個。位置示意圖如下頁圖1 所示。

施工好的抽采鉆孔需要及時連入抽采支管中，抽采孔口管路部分包括從支管下來，至鉆孔口的連接管路及其附屬設備，每組試驗鉆孔連接在一個多孔器上，再由匯流管接到放水器和孔板流量計（抽采邊界條件鉆孔不需要安裝孔板流量計），之后聯到支管上（見圖2）。

圖1 測點鉆孔的布置示意圖

圖2 抽采孔連接示意圖

根據鉆孔布置方案本次共施工試驗鉆孔39 個，在施工2 m 間距和1.5 m 間距試驗鉆孔期間，由于鉆孔之間距離較近加上煤層軟硬分布不均，串孔現象十分嚴重，特別是1.5 m 間距的抽采鉆孔幾乎80%都出現了不同程度的串孔現象，對鉆孔抽采效果具有一定影響。

3 測定結果與數據分析

3.1 測定數據分析

經過初步測定，該區煤層可解析瓦斯含量為7.078 m3/t，根據《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》及《煤礦瓦斯抽采規范》確定該回采工作面目標瓦預抽率應為43.5%。

對各個測試孔進行觀測，統計數據并進行衰減規律的分析。分析結果如表1 所示，擬合結果如圖3所示。

表1 測試結果的分析

圖3 抽采鉆孔單孔日抽采瓦斯純量統計圖

從圖3 中可以看出，在相同抽采負壓和時間下，不同間距鉆孔的單孔日抽采純量存在較大差異，其中3 m間距抽采鉆孔明顯高于2 m 間距抽采鉆孔和1.5 m間距抽采鉆孔，而2m 間距抽采鉆孔又明顯高于1.5 m間距抽采鉆孔。

但是，在鉆孔施工過程中，2 m 間距鉆孔（S6～S12 鉆孔）和1.5 m 間距鉆孔（S13～S21 鉆孔）中存在串孔現象，這屬于施工工藝的影響。因此，主要分析3 m 鉆孔。

時間的計算公式如下式4 所示：

式中：Qz為抽采區域需抽采瓦斯總量，m3；N為抽采區域內布置鉆孔數量，個；t為按某一抽采間距下抽采達標時的累積抽采時間，d；α、β 為表明鉆孔流量衰減情況的系數。

對式4 進行求解，得到3 m 間距抽采鉆孔達到抽采達標時的時間為430 d，即抽采半徑為1.5 m時，對應的抽采時間為430 d，抽采率達到43.49%。

當采用1.5 m 抽采半徑時，抽采達標時間為430 d時間較長，如果采用直接監測瓦斯抽采量的方法來驗證抽采半徑可靠性的話，將會耗費大量的人力、物力和時間，效率過低。

因此，利用實測單孔累積抽采量與公式積分計算抽采量相比較的方法來間接驗證抽采半徑的可靠性。

3.2 數據驗證

通過統計可知，抽采120 d 時抽采鉆孔單孔的累積抽采瓦斯量為8 627.11 m3，此時抽采區域的抽采率為29.03%，在監測過程中受安全檢查、巷道施工等因素影響漏測了8 d 的數據。

通過式4 計算抽采120 d 時的單孔累計抽采瓦斯量如下：

由于現場監測過程中漏測了8 d 的數據，也需要扣除相應的單日抽采量，經計算扣除后的單孔累積抽采瓦斯量為8 312.63 m3，此時抽采區域的抽采率為27.97%。經過對比，利用監測數據統計的120 d鉆孔累計抽采瓦斯量、抽采率與計算的瓦斯抽采量、抽采率基本相同，驗證間接說明抽采半徑的準確性。

4 結語

對傳統的瓦斯抽采半徑確定方法存在的不足進行了改進方法的研究和試驗性測定。根據測定結果可以看出，該方法具有較好的適應性，測定結果比較可靠。結果顯示，在3 m 間距（即抽采半徑1.5 m）時，抽采時間太長，效率太低。因此，為提高抽采效率，減少抽采時間，需要對鉆孔施工設備、技術及工藝進行優化研究，提高鉆孔鉆進精度，減少小間距鉆孔施工中的串孔、孔間擾動等現象。從而實現通過減小抽采鉆孔間距，增加抽采鉆孔數量，提高抽采效率，減少抽采達標時間的目的。