基于抽采半徑考察的回采工作面瓦斯預抽鉆孔優化設計

樊正興

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

高瓦斯回采工作面通常在其工作面巷道掘進過程中便開始向回采工作面側施工預抽鉆孔并進行預抽。高瓦斯回采工作面瓦斯預抽的目的是為了在工作面回采前將煤層瓦斯含量降到安全范圍內，通常以瓦斯預抽率是否滿足抽采達標要求[1，2]為準。基于瓦斯抽采達標對瓦斯預抽率要求的預抽鉆孔抽采半徑考察，可以考察得出工作面預抽鉆孔不同預抽時間的有效抽采半徑[3-5]。將高瓦斯長推進距離回采工作面按其瓦斯預抽鉆孔預抽時間[6、7]長短的不同，劃分為若干個區塊，每個區塊瓦斯預抽鉆孔根據其有效抽采半徑設計鉆孔間距，預抽時間長的區塊鉆孔間距較大，預抽時間短的區塊鉆孔間距較小，這樣可以使回采工作面在實現瓦斯抽采達標的同時，最大限度的減少鉆孔工程量，獲得最佳經濟效益。

1 礦井概況

常村煤礦原設計生產能力4.00Mt/a，現核準生產能力7.00Mt/a，開采3號煤層。3號煤層厚度為4.84～7.32m，平均6.05m，傾角為3°～6°，為穩定型全區可采煤層。3號煤層瓦斯含量2.81～15.01m3/t，煤層透氣性系數0.0605～0.1209m2/(MPa2·d)，煤層瓦斯含量高，抽采難度較大。礦井采用走向長壁采煤法開采，生產方式為綜采放頂煤，頂板管理方法為全面垮落法管理頂板。礦井年產量大，開采煤層瓦斯含量高，為高瓦斯礦井。

2311回采工作面位于礦井深部水平23采區，設計走向長度為2444m，傾向長305m。按礦井平均煤巷掘進速度200m/月計算，預計2311工作面巷道掘進時間為1a，回采時間至少需要1a。

2 瓦斯預抽鉆孔抽采半徑考察

根據該礦井3號煤層開采的實際情況，結合其他礦井類似條件下瓦斯抽采半徑考察的經驗，本次瓦斯抽采半徑考察采用瓦斯儲量法[8]。瓦斯儲量法[9]是在煤層瓦斯含量測定基礎上，根據抽采時間，測定出鉆孔瓦斯抽采能力，通過計算分析瓦斯含量、抽采時間和鉆孔瓦斯抽采能力之間的關系，確定出鉆孔的有效抽采半徑。不同的抽采時間及不同的瓦斯含量目標值需要的抽采半徑不同，礦井可根據回采工作面預抽采時間、瓦斯含量目標值選取抽采半徑。

2.1 考察地點及鉆孔布置

考察地點選在2311運輸巷，巷道所在區域不受其他回采工作面采動影響。與本巷道原瓦斯抽采鉆孔相距50m開始施工抽采半徑考察鉆孔，采用單獨匯流管接入抽采系統，并在每個考察鉆孔的孔口安裝孔板流量計，獨立測定瓦斯抽采參數。

考察鉆孔布置的參數為：試驗鉆孔一共5組，每組6個鉆孔，每組鉆孔的間距各為1m、2m、3m、4m及5m，每組鉆孔間隔15m，鉆孔直徑Φ94mm，設計鉆孔深度160m。鉆孔抽放管采用PVC管，連接到抽放主管路上，每個鉆孔安裝一個孔板流量計，每組鉆孔并聯在一個匯流管上，分別記錄每個考察鉆孔的瓦斯抽采參數，抽放鉆孔布置如圖1所示。在施工抽采鉆孔過程中采用直接法測定煤層瓦斯含量，即井下直接取煤樣通過計算得出煤層的瓦斯含量，每組鉆孔測1個值。鉆孔竣工參數及瓦斯含量測定結果見表1。

圖1 考察鉆孔布置示意圖

組號孔號夾角/(°)傾角/(°)孔深/m鉆孔間距/m瓦斯含量/(m3·t-1)第一組1#101116012#101116013#101116014#101116015#101116016#101112017.47第二組1#101116022#101116023#101116024#101116025#101216026#101116027.43第三組1#101116032#101012433#101116034#101116035#101013036#101016037.50第四組1#101116042#101116043#101116044#101012045#101116046#101116047.47第五組1#101016052#101115853#101116054#101016055#101116056#101116057.43

2.2 鉆孔施工及封孔

鉆孔施工嚴格按設計鉆孔參數進行，并保證鉆孔平直、孔形完整、鉆孔深度達到設計深度的80%以上。在鉆孔施工中，詳細記錄鉆孔參數以及鉆孔開孔時間、終孔時間、終孔深度等。

抽采鉆孔施工完畢后及時封孔，同時接入抽采系統進行抽采。抽采鉆孔封孔材料采用水泥漿，封孔深度為20m。

2.3 抽采數據監測

考察孔封孔后及時接抽，采用孔板流量計對單個鉆孔瓦斯抽采參數進行監測的方式，對鉆孔瓦斯抽采規律進行考察。前期每天記錄每組鉆孔匯流管的抽采參數，中后期記錄變為一周一次。

2.4 不同間距抽采鉆孔的瓦斯抽采規律分析

根據前人大量研究，鉆孔瓦斯抽采量qct與鉆孔的抽采時間t很好的符合負指數函數關系式[10]，如下：

qct=qc0e-βt

(1)

式中，qct為抽采時間t下每100m鉆孔平均瓦斯抽采量，m3/(min·hm)；qc0為100m鉆孔初始瓦斯抽采量，m3/(min·hm)；β為鉆孔瓦斯抽采量衰減系數，d-1；t為鉆孔的瓦斯抽采時間，d。

為了考察鉆孔預抽瓦斯效果，對表征鉆孔瓦斯抽采量隨時間變化規律的特征參數：鉆孔初始瓦斯抽采量(qc0)和瓦斯抽采量衰減系數(β)進行了測定。為保證測定結果的準確性和代表性，采用了按鉆孔間距分組測定方法。測定時，根據每天各組鉆孔中中間兩個鉆孔的抽采瓦斯流量、濃度、抽采時間、鉆孔長度，換算成每100m鉆孔平均瓦斯抽采純量(qct)，并結合鉆孔抽采時間(t)形成測定數組(t，qct)。qc0和β值可根據(t，qct)數組按式(1)回歸分析求得。

工作面瓦斯預抽鉆孔抽采時，各鉆孔之間的瓦斯流場為有限源瓦斯流場，隨著時間的推移，鉆孔相互之間會相互影響。為真實地模擬其實際情況，采用在原始煤體中施工數組不同間距的瓦斯抽采鉆孔，并對每組抽采鉆孔中間2個鉆孔的瓦斯相關參數進行考察，取平均值。在本次分組抽放鉆孔中，每組鉆孔數為6個，每組最中間的2個鉆孔流場與實際抽采中瓦斯流場最為接近，這2個鉆孔的平均瓦斯抽采參數能很好的代表在這種間距下的瓦斯流量隨時間關系，對觀測的每組鉆孔中中間2個鉆孔的平均瓦斯流量與時間進行擬合，如圖2所示。

圖2 百米鉆孔平均瓦斯流量與抽采時間曲線

對每組鉆孔瓦斯流量與抽采時間擬合所得的指數關系式進行積分，可以得到任意時間t天內各組鉆孔瓦斯抽放總量Qct：

式中，Qct為時間t天內鉆孔瓦斯抽放總量，m3。

根據式(2)可以計算得到各組鉆孔不同抽采時間的平均百米鉆孔瓦斯抽采總量。

2.5 不同間距鉆孔瓦斯預抽率與時間的關系

瓦斯預抽率是衡量鉆孔預抽煤層瓦斯效果的主要指標，它是指在一定抽放時間下某一范圍內鉆孔瓦斯抽出量與該范圍內煤層瓦斯儲量之比，用式(3)計算：

式中，η為鉆孔瓦斯預抽率，%；Q抽為t時間內鉆孔抽出純瓦斯量，m3，取Q抽=Qct；L為鉆孔控制范圍，取鉆孔布置間距(1m、2m、3m、4m、5m)；l為百米抽放鉆孔長度，其值取100m；M0為平均煤厚，m；r為煤的密度，g/cm3；W0為煤層原始瓦斯含量，m3/t。

根據式(3)計算得到各組鉆孔在控制范圍內不同預抽時間下的瓦斯預抽率，計算結果見表2。

表2 不同預抽時間下每組鉆孔的預抽率

2.6 目標預抽率確定

該礦井回采工作面設計產量為8001～10000t/d，且瓦斯涌出量主要來自開采層采煤工作面前方20m范圍內。根據《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》規定，煤層可解析瓦斯含量需降至4.5m3/t以下。3號煤層殘存瓦斯含量為2.27m3/t，因此3號煤層瓦斯含量降至6.77m3/t時可實現抽采達標。在23采區煤層瓦斯含量為7.45m3/t左右的區域，通過煤層瓦斯預抽，煤層瓦斯含量從7.45m3/t降低至6.77m3/t，可實現抽采達標。因此，本次抽采半徑考察地點的3號煤層瓦斯目標預抽率為9.13%，從安全角度考慮取10%。

2.7 有效抽采半徑確定

根據前面分析得到不同間距鉆孔不同抽采時間的瓦斯預抽率和3號煤層瓦斯目標預抽率η，可以計算出不同鉆孔間距條件下，達到煤層瓦斯目標預抽率η需要的抽采時間，其結果見表3。

從表3可以看出，該礦3號煤層在煤層瓦斯含量為7.45m3/t左右的區域，抽采15d的有效抽采半徑為0.5m(鉆孔間距1m)，抽采45d的有效抽采半徑為1m(鉆孔間距2m)，抽采90d的有效抽采半徑為1.5m(鉆孔間距3m)，抽采150d的有效抽采半徑為2m(鉆孔間距4m)，抽采360d的有效抽采半徑為2.5m(鉆孔間距5m)。

表3 不同鉆孔間距瓦斯預抽率與抽采時間關系表

注：“—”表示超出目標抽采率η的范圍。

3 回采工作面瓦斯預抽鉆孔優化設計

常村煤礦高瓦斯長推進距離回采工作面采用“單U+高抽巷”布置，即工作面布置有運輸巷、軌道巷和高抽巷。工作面兩巷為全煤巷道，同時掘進，在掘進工作面后方緊接著向工作面方向施工順層瓦斯預抽鉆孔，對回采工作面瓦斯進行預抽。巷道掘進速度平均約為200m/月，工作面安裝準備時間約為1月，工作面回采時每天推進6m。工作面安裝準備完畢后，待最后施工的瓦斯預抽鉆孔預抽時間達到45d開始回采。

根據前面考察得出的不同預抽時間瓦斯預抽鉆孔的有效抽采半徑，并結合2311回采工作面巷道掘進時間、工作面安裝準備時間以及工作面回采時間，將2311回采工作面按從瓦斯預抽鉆孔開始抽采至工作面回采至預抽鉆孔的抽采時間劃分為幾個區塊，如圖3所示。

根據抽采半徑考察結果，設計預抽時間在45d以上的區塊，鉆孔間距按2m布置；預抽時間在90d以上的區塊，鉆孔間距按3m布置；預抽時間在150d以上的區塊，鉆孔間距按4m布置；預抽時間在360d以上的區塊，鉆孔間距按5m布置。預抽鉆孔垂直巷道施工，鉆孔傾角為“煤層傾角+1.5°，鉆孔長160m，鉆孔直徑Φ94mm。不同區塊的鉆孔布置如圖4所示。

圖3 回采工作面不同區塊瓦斯預抽鉆孔的預抽時間

圖4 不同區塊的鉆孔布置示意圖

4 現場應用及效果分析

常村煤礦2311回采工作面于2015年10月開始掘進工作面兩巷，巷道掘進過程中，緊隨掘進工作面開始向工作面方向按上述設計施工順層瓦斯預抽鉆孔。2016年12月，工作面設備安裝完畢，并且該工作面最后施工的鉆孔預抽時間也已超過45d，對工作面前方瓦斯預抽鉆孔間距為2m的區域進行瓦斯抽采達標評價，已實現瓦斯抽采達標，工作面開始回采。工作面回采完鉆孔間距為2m的區塊后，對鉆孔間距為3m的區塊進行抽采達標評價，實現抽采達標后，繼續回采鉆孔間距為3m的區塊。其他區塊也同樣先進行瓦斯抽采達標評價，評價合格后開始回采。該工作面于2018年3月開采完畢，未發生一起瓦斯超限事故，實現了高瓦斯長推進距離回采工作面的安全、高效生產。

2311回采工作面采用優化的瓦斯預抽鉆孔設計與采用原鉆孔間距全為3m、預抽時間為3個月的抽采方式，技術經濟效益對比見表4。

從表4可以看出，采用優化的鉆孔設計比原設計鉆孔工程量要減少約7萬m，節約工作面瓦斯預抽時間約15d。此外，開采期間，采用優化的鉆孔設計工作面前方各區塊煤體均能實現抽采達標，沒有影響工作面的正常安全回采。因此，高瓦斯長推進距離回采工作面采用優化的鉆孔設計，取得了良好的技術經濟效益。

表4 優化設計與原設計技術經濟效益對比

5 結 語

為了解決高瓦斯長推進距離回采工作面各區域瓦斯預抽時間極不均衡的問題，提出了基于抽采半徑考察的回采工作面瓦斯預抽鉆孔優化設計方案：通過考察，得出工作面預抽鉆孔不同預抽時間的有效抽采半徑，將高瓦斯長推進距離回采工作面按瓦斯預抽時間長短的不同劃分為若干個區塊，每個區塊瓦斯預抽鉆孔根據其有效抽采半徑設計鉆孔間距，預抽時間長的區塊鉆孔間距較大，預抽時間短的區塊鉆孔間距較小，實現瓦斯抽采達標的同時最大限度的減少鉆孔工程量。