竹林山礦順層鉆孔抽采間距的確定

延瑞峰

(山西陽城陽泰集團竹林山煤業有限公司，山西 陽城 048105)

1 礦井概況

竹林山煤業位于陽城縣芹池鎮北宜村北，井田呈不規則多邊形，東西最長4051m，南北最寬約2812m，核定礦井生產能力為120 萬t/a。礦井采取斜井開拓，井田批準開采3 號、15 號煤層，目前開采3 號煤層，目前井下裝備有一個1407 綜采工作面和1405、1406 兩個綜掘工作面。其中，3 號煤層瓦斯含量平均為11.87~12.74m3/t，自燃傾向性為Ⅲ級不易自燃類煤層，透氣性系數為2.93m2/MPa2?d，透氣性良好。鑒于本礦井3 號煤層的透氣性比較好，且本煤層瓦斯涌出量占礦井瓦斯涌出量的絕大部分，故為施工順層鉆孔提供了可行性和必要性。

2 抽采半徑的理論研究

竹林山礦工作面瓦斯涌出量超過10m3/min，在采取抽采措施后瓦斯抽采率必須達到30%以上，即抽放后的瓦斯含量不高于抽采前瓦斯含量的70%。由于煤層瓦斯含量測定操作復雜，測定結果易受人為取樣因素影響較大，且需要在地面實驗室對所取煤樣進行解吸分析，測定周期較長，根據周世寧提出的在工業誤差允許的范圍內，煤層瓦斯含量的瓦斯壓力之間存在著一種拋物線關系，可以通過間接測定瓦斯壓力來估計瓦斯含量。

式中：

α-煤層瓦斯含量系數，m3/(t?MPa0.5)；

X-煤層瓦斯含量，m3/t；

P-煤層瓦斯壓力，MPa。

則由上述關系式可知，在保證抽采后煤層賦存瓦斯含量降為原來的70%以下，此時煤層瓦斯產生的壓力也隨之降為初始的49%，下降量為51%。在滿足工程需求的基礎上，相對瓦斯壓降幅度可以直觀判斷抽采半徑布置的合理性。

基于確定瓦斯抽采半徑的原理，建立單孔抽采數學模型，論證煤層順層鉆孔在抽采負壓下的最小影響范圍。在定負壓下鉆孔有效抽采瓦斯流量是一個減緩的過程。實踐證實鉆孔瓦斯流量隨時間的推移而呈指數型逐漸衰減，即：

式中：

β-瓦斯流量減緩程度系數，d-1；

q0-鉆孔初始瓦斯流量，m3/min；

q(t)-t 時鉆孔瓦斯流量，m3/min；

t-排放瓦斯時間，d。

t(d)時間段內單個孔抽采瓦斯量：

式中：

L-鉆孔打鉆深度，m。

聯立式（2）、式（3），可得

假設鉆孔直徑相對于鉆孔長度忽略不計，鉆孔周圍煤層瓦斯含量分布均勻，各向抽采效率相同，且煤體必須為新鮮暴露的煤體，則鉆孔控制的瓦斯抽放范圍簡化為一個中空的圓柱形模型。

那么經過抽采鉆孔抽采后鉆孔控制范圍內的瓦斯含量減少量定義為Qb，則

式中：

L-鉆孔打鉆深度，m；

η-鉆孔抽采效率；

r-鉆孔半徑，取0.0375m；

R-鉆孔的有效半徑，m；

π-煤層中瓦斯的原始含量，取5.98m3/t。

根據單孔抽采模型的理論計算，通過現場監測鉆孔流量確定減緩程度系數。在本次的鉆孔瓦斯流量測定工作中，在1407 膠帶順槽500m 處打測試流量的試驗鉆孔。考慮現場施工條件所限鉆孔設計長為30m，每隔1d 測定鉆孔瓦斯流量。根據鉆孔的實際長度，將測定的實際流量折算成100m 鉆孔的氣體流量。如圖1 所示，對試驗鉆孔考察數據的自然對數進行回歸擬合分析，瓦斯流量的自然對數與時間的擬合度達到0.99，擬合關系式具有可靠性，即t 時的瓦斯流量與時間的關系式為：

將上式代入式（3）中，即經過t（d）單孔累計抽放的瓦斯總量為：

令Qa=Qb，則鉆孔的有效抽采半徑

圖1 鉆孔流量演變圖

3 抽采半徑的現場測試

順層鉆孔的抽采效果在很大程度上取決于鉆孔間隔的長度。相鄰鉆孔間隔太近鉆孔發生穿孔而破壞，導致鉆孔內氣流紊亂；相鄰鉆孔間隔太遠鉆孔考察精度較低，進而影響抽采效率。在理論允許的最小間距基礎上設置鉆孔的考察精度，在現場布置若干測試孔和一個抽采孔，將鉆孔瓦斯壓力作為考察指標，通過定期監測鉆孔瓦斯壓力的變化規律來判斷鉆孔的有效抽采半徑。

3.1 設計方案

竹林山礦井在3 號煤層已布置工作面，為了避免在鉆孔測試期間受井下作業的影響，選擇在1407U 型工作面輔助運輸順槽800m 處開始施工本煤層鉆孔。鉆孔最小孔間距不小于理論計算值，即在保證測試精確性的基礎上，抽測鉆孔最小間隔在1m，總共布置6 個測試孔。為提高鉆孔成孔率，將考察鉆孔分為兩組，每組間距1.0m，第一組依此考察上述鉆孔間距1.0m、2.0m、3.0m；第二組依此考察1.5m、2.5m、3.5m 鉆孔間距，考察精度為0.5m。鉆孔布置的正視圖以及孔參數如圖2 和表1 所示。

圖2 各鉆孔相對位置圖

表1 各鉆孔設計參數一覽表

3.2 工程流程

（1）在1407 工作面輔運順槽800m 處的巷幫上先依次施工觀測孔，等到各測壓孔壓力穩定后再施工抽采孔，鉆孔施工位置及參數如圖2、表1 所示。

（2）成孔一個后立即采用水泥漿封孔法進行封孔，待水泥漿硬化后安裝上壓力表。壓力孔采用1/2 管，抽放孔采用Ф50mm 管進行封孔，各孔封孔長度均為10m 以上，以確保封孔效果的氣密性。

（3）抽采鉆孔封孔完畢后連接放水器接到抽采主管路，每天分三班定時觀察測試孔氣壓變化情況并做詳細記錄。

（4）現場數據誤差性分析，舍掉偏差性大的數據，對每個鉆孔各個班的數據取平均，分析繪制鉆孔氣壓波動規律。

4 鉆孔間距確定

鉆孔施工完成并全部安裝上壓力表，最后一個壓力表值穩定。抽采孔與抽采主管路相連接，保證抽采負壓的相對穩定。從開始抽采階段統計了3#、4#、5#、6#、7#鉆孔為期60d 的表壓值，各個測試孔的表壓值隨抽采時間的變化如圖3、圖4 所示。

圖3 鉆孔壓力演變圖

圖4 鉆孔壓力演變圖

對圖3、圖4 鉆孔壓力演變分析如下：

（1）各個鉆孔產生的氣壓值總體上隨時間推移而遞降，但局部存在有鋸齒狀波動，這是由于煤層瓦斯的解吸釋放是個緩慢的過程，在抽采過程中現場抽采負壓的起伏、氣壓表敏感度等各種因素干擾導致氣壓值變化并不嚴格遵循下降的趨勢，忽有跳躍的現象發生。

（2）7#測試孔壓降變化不明顯，在為期60d的監測中，氣壓基本保持在2.6~2.2MPa 之間，3#、5#鉆孔在抽采前30d 內氣壓下降幅度十分顯著，氣壓下降分別為0.29MPa/10d、0.35MPa/10d。表明在此負壓下，抽采鉆孔的輻射半徑小于3.5m，且在超過最小抽采范圍下，抽測孔距離越近，抽采負壓對測試孔的氣壓影響愈大。

（3）3#、5#、6#鉆孔達到有效線的時間分別為38d、27d、53d，且達到有效線后鉆孔氣壓變化逐漸趨于穩定，測試孔抽采達到有效線的時間與抽測孔之間的距離呈正相關。

（4）在抽放時間達到60d 時，鉆孔瓦斯壓力變化趨勢逐漸平緩，與開始測壓時相比，此段時間內6#孔壓降幅度為51%，瓦斯產生的氣壓為0.7MPa，在現有抽采條件下可以達到2.5m 的有效抽放半徑；與之毗鄰的7#孔壓降幅度相對較小，只下降10%左右，瓦斯產生的氣壓仍在2MPa 以上，故此次抽采鉆孔影響輻射半徑為3.5m。

為了防止鉆孔抽采出現抽采空白區，應合理布置鉆孔間距，使鉆孔有效抽采范圍盡可能覆蓋整個煤層，消除該區域煤層的突出危險性。3 號煤層平均可采厚度達5.0m，為了盡可能提高鉆孔抽采的覆蓋率，同時減少施工成本投入，將本煤層鉆孔布置在煤層中部，相鄰兩鉆孔間隔設置為有效測試半徑的2 倍，在保證現場抽采達到60d 以上的情況下，鉆孔每間隔5m 布置一個。

5 結論

（1）在定負壓下，單個鉆孔瓦斯流量隨時間推移逐漸減緩，在無外界擾動下，單孔瓦斯累計抽采量與其控制范圍內的瓦斯減少量存在等式關系，且抽采輻射半徑與時間聯系密切，此次條件下抽采輻射半徑不小于

（2）基于最小有效半徑的確定，在竹林山礦3號煤層布置抽采孔和測試孔，以瓦斯壓力變化為考察指標，該指標可以較為直觀地顯現出在煤層瓦斯預抽的過程中，各個鄰近鉆孔相互影響的程度；

（3）根據竹林山礦3 號煤層產煤效率的程度，在保證順層鉆孔抽采時間在60d 以上，采取Φ75mm 的抽采鉆孔，鉆孔抽采有效輻射范圍為2.5m，礦井3 號煤平均厚度為5.0m，確定相鄰兩鉆孔間隔在5m。