瓦斯抽采影響半徑分組考察研究

陳 戈，陳立偉

（河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院 ，河南 焦作 454000）

0 引言

瓦斯抽采是瓦斯治理的根本性措施，可有效降低煤層中的瓦斯含量和壓力，從而控制或減少瓦斯事故發(fā)生的可能性。抽采有效影響半徑是礦井在進(jìn)行抽采鉆孔布孔設(shè)計(jì)時(shí)主要依據(jù)之一，它是指原始瓦斯壓力在某時(shí)間內(nèi)開始下降的觀測(cè)點(diǎn)距抽采鉆孔中心的間距[1]。工程應(yīng)用通常會(huì)認(rèn)定將某個(gè)鉆孔在抽采后持續(xù)觀測(cè)的瓦斯壓力皆比之前下降10%以上時(shí)，則認(rèn)為該考察孔位于抽采鉆孔影響半徑之內(nèi)。依據(jù)抽采有效影響半徑設(shè)計(jì)鉆孔布置時(shí)，可盡量避免因鉆孔間隔過大而產(chǎn)生的抽采空白帶，或者因鉆孔間隔過小而形成各鉆孔抽采區(qū)域重疊而產(chǎn)生人力和物力浪費(fèi)問題。因此，準(zhǔn)確測(cè)試出鉆孔的抽采影響半徑，對(duì)于完善礦井瓦斯抽采系統(tǒng)具有重要意義[2-4]。

1 常見測(cè)試方法簡(jiǎn)介

當(dāng)前，關(guān)于測(cè)量瓦斯抽采鉆孔影響半徑較為常見的方法有：壓降測(cè)試法、流量測(cè)試法、氣體示蹤法測(cè)定以及計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬等[5-7]。前兩種方法測(cè)量抽采半徑是通過測(cè)定在距抽采孔一定間距的多個(gè)測(cè)試鉆孔的壓力和流量的衰減情況來確定，該方法測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)單，施工方便，應(yīng)用最多；第三種方法是以抽采孔半徑測(cè)試的末端作為注氣孔，通過考察規(guī)定時(shí)間內(nèi)示蹤氣體在煤體中通過抽采作用運(yùn)移距離，從而得到該時(shí)間內(nèi)的抽采鉆孔影響半徑。依據(jù)示蹤氣體擴(kuò)散距離的長(zhǎng)短確定有效抽采半徑，是一種較為準(zhǔn)確、可靠的測(cè)定方法，缺點(diǎn)是需要特定的氣體和設(shè)備，施工復(fù)雜。第四種方法是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算科學(xué)發(fā)展起來的一種新方法，但其前提是要有一個(gè)反映實(shí)際情況的數(shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型是根據(jù)一定的理論基礎(chǔ)構(gòu)建起來的，在考察期間需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)煤樣進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)測(cè)定，然后鉆孔瓦斯抽采有效半徑借助數(shù)值計(jì)算軟件計(jì)算模擬得出。針對(duì)觀音山煤礦一井C5煤層有效抽采半徑參數(shù)不明確，根據(jù)該礦實(shí)際情況選擇采用壓降法來測(cè)定其有效抽采半徑。

2 現(xiàn)場(chǎng)工程概況及考察方案

2.1 現(xiàn)場(chǎng)概況

觀音山煤礦主要的可采煤層為C5煤層，透氣性系數(shù)介于0.607～2.67m2/MPa2·d之間，屬于可抽采煤層。對(duì)該礦進(jìn)行瓦斯抽采有效影響半徑試驗(yàn)研究，試驗(yàn)地點(diǎn)選在W1101工作面運(yùn)輸順槽，其最大瓦斯含量為6.9m3/t，最大瓦斯壓力為0.44MPa。

2.2 壓降法測(cè)試考察方案

當(dāng)瓦斯抽采時(shí)，抽采孔周圍煤體瓦斯解析與流動(dòng)的主要?jiǎng)恿κ敲簩又型咚箟毫豌@孔內(nèi)氣體壓差。以抽采鉆孔為中心，周邊影響圈內(nèi)煤層瓦斯通過煤體內(nèi)部的裂隙和孔隙向抽采鉆孔流動(dòng)而被抽走，該抽采鉆孔影響圈半徑稱為有效抽采半徑。根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，當(dāng)距抽采鉆孔一定范圍煤層中的瓦斯因裂隙阻力的原因不足以運(yùn)移到抽采鉆孔中時(shí)，該距離稱為最大抽采半徑。因此，在抽采鉆孔周邊布置一組距離依次增大的測(cè)試孔，鉆孔有效抽采半徑通過在規(guī)定時(shí)間內(nèi)測(cè)試孔內(nèi)的氣體壓力下降情況來確定。

在工程實(shí)踐中壓降法測(cè)試大多選用多個(gè)測(cè)壓鉆孔間隔布置在單個(gè)抽采鉆孔兩測(cè)，因該方式僅一個(gè)主要抽采孔，所以考察過程中容易受外在因素影響測(cè)定結(jié)果。為了更加精確測(cè)量出瓦斯有效抽采半徑，本次測(cè)試在之前基礎(chǔ)上對(duì)測(cè)試方式進(jìn)行了改進(jìn)，采取分組測(cè)壓確定瓦斯有效抽采半徑。

根據(jù)觀音山一井現(xiàn)場(chǎng)情況，在W1101工作面運(yùn)輸順槽施工6個(gè)測(cè)試孔和3個(gè)抽采孔，分為三組，每組3個(gè)孔，中間孔為抽采孔，兩邊孔作為測(cè)試孔（測(cè)試孔和抽采孔在同一平面上）。第1組測(cè)壓孔與抽采孔分別相距1m和1.5m，第2組測(cè)壓孔與抽采孔分別相距2m和2.5m，第3組測(cè)壓孔與抽采孔分別相距3m和3.5m，每組間隔5m，鉆孔布置剖面如圖1和2所示。測(cè)試孔孔深為30m，直徑為94mm，封孔20m；抽采孔孔深為30m，直徑為94mm，封孔20m（封孔長(zhǎng)度大于卸壓影響區(qū)），鉆孔參數(shù)如表1所示。

圖1 沿鉆孔剖面示意圖

圖2 垂直鉆孔方向剖面示意圖

表1 鉆孔參數(shù)

封孔完畢1d后連接壓力表，觀測(cè)其變化情況。當(dāng)各考察孔連續(xù)3天壓力值基本不變后，抽采孔開始接抽，在開始前3天內(nèi)每隔2個(gè)小時(shí)記錄一次壓力值，從抽采第4天開始每班記錄一次壓力值。觀測(cè)壓力值變化情況，當(dāng)某個(gè)鉆孔測(cè)定的瓦斯壓力下降幅度超過10%，則說明該觀測(cè)孔在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)位于抽采鉆孔的影響半徑之內(nèi)。

2.3 測(cè)試結(jié)果與分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試的數(shù)據(jù)，觀測(cè)孔孔壓力初始值為0.11～0.41MPa。其中2號(hào)孔因封孔原因造成抽采管堵塞沒有瓦斯壓力，所以對(duì)其它5個(gè)孔進(jìn)行對(duì)比。通過分析圖3中5個(gè)測(cè)試孔的壓力變化情況可知：隨著抽采時(shí)間的延長(zhǎng)1號(hào)、3號(hào)和4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)考察孔在預(yù)抽孔聯(lián)網(wǎng)抽采后壓力均有所下降，只是下降程度不同。以壓力降低10%作為標(biāo)準(zhǔn)，1號(hào)考察孔接抽13天后孔內(nèi)氣體壓力由0.41MPa降到0.37MPa，3號(hào)考察孔接抽19天后孔內(nèi)氣體由0.11MPa降到0.09MPa，4號(hào)考察孔接抽 26天后孔內(nèi)氣體由0.15MPa降到0.13MPa，5號(hào)考察孔接抽31天后孔內(nèi)氣體由0.40MPa降到0.35MPa，6號(hào)考察孔接抽33天后瓦斯壓力由0.26MPa降到0.21MPa。

圖3 考察孔抽采前后壓力變化曲線

由以上測(cè)試分析，鉆孔瓦斯抽采13d時(shí)影響半徑為1m，抽采19d后影響半徑為2m，抽采26d時(shí)影響半徑為2.5m，抽采31d后影響半徑達(dá)到3m，抽采33d以上時(shí)影響半徑達(dá)到3.5m。如圖4所示。

根據(jù)抽采半徑隨時(shí)間變化情況進(jìn)行回歸分析，由漸變規(guī)律得到回歸方程，如圖5所示。

圖4 抽采半徑隨時(shí)間變化曲線

圖5 抽采半徑漸變規(guī)律回歸分析圖

抽采有效影響半徑與時(shí)間呈對(duì)數(shù)相關(guān)，擬合度為0.9708：

式中：t為瓦斯抽采時(shí)間，d；R為抽采有效影響半徑，m。

通過回歸方程可以推算出在之后某時(shí)間內(nèi)鉆孔的有效抽采半徑，為礦上抽采鉆孔布置提供參考。

3 結(jié) 語

通過對(duì)常見的瓦斯抽采影響半徑測(cè)試方法分析，結(jié)合觀音山一井現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)條件選用壓降法通過分組測(cè)定各組鉆孔瓦斯壓力變化情況確定瓦斯抽采有效影響半徑。抽采有效影響半徑隨著抽采時(shí)間的增加也隨之增大，有效影響半徑與時(shí)間呈對(duì)數(shù)相關(guān)。當(dāng)鉆孔抽采13d時(shí)影響半徑為1m；抽采19d時(shí)影響半徑為2m；抽采26d時(shí)影響半徑為2.5m；抽采31d后影響半徑為3m；抽采33d以上時(shí)影響半徑為3.5m，通過分析得到抽采半徑漸變規(guī)律回歸方程。該測(cè)試結(jié)果有利于該礦合理的抽采鉆孔施工布置，提高瓦斯抽采效率。