劉莊煤礦5煤層抽采有效影響半徑考察

黃 勇

（中煤新集劉莊礦業有限公司東區抽排區，安徽 阜陽 236232）

1.概述

120502工作面位于劉莊煤礦一水平東二采區，該工作面西部為東二5煤采區集中上山，東部為XL2陷落柱，南端為120503工作面采空區，北端為120501工作面采空區，上方為6-1煤及8煤采空區，為多面孤島工作面。120502工作面總體為一單斜構造，煤巖層走向為80～100°，傾向為170°～190°，傾角11°～17°，平均傾角 14°，平均煤厚 4 m。

根據中煤科工集團重慶研究院編制的《安徽中煤新集劉莊礦業有限公司7、6、5、4煤層煤與瓦斯突出危險性鑒定報告》，1205采區F19斷層以東至F30斷層以西、-785m水平以淺5煤層為非突出煤層。

2.抽采有效半徑考察方案

2.1 考察理論依據

在無采掘活動的情況下，某一區域內煤層的瓦斯儲量是一定的，由于煤層透氣性系數是一個固定值，且煤層的瓦斯流動性質相對穩定流動的，因此一段時間內鉆孔內瓦斯補給量是有限的，而隨著煤層瓦斯流動時間的增加，鉆孔的瓦斯流量、瓦斯濃度、瓦斯流動純量、瓦斯壓力、瓦斯涌出強度等會逐漸減小。

根據以上煤層內瓦斯流動理論，煤層內瓦斯流動及鉆孔內瓦斯流動可用下列相關公式表達：

式中：q0——鉆孔原始瓦斯涌出強度，m3/(min·m2)；λ——煤層的透氣性系數，m2/(MPa2·d)；p0——煤層的原始瓦斯壓力，MPa2；pr0——鉆孔內的瓦斯壓力，MPa2；r0——鉆孔孔徑，m；pstd——標準狀況下的大氣壓力，MPa2；R——鉆孔瓦斯流動場的影響半徑，m；q′——鉆孔在t時刻的瓦斯涌出強度，m3/(min·m2)；α——鉆孔內瓦斯流量衰減系數，d-1；t——鉆孔內瓦斯流動的時間，min；q——鉆孔在t時的瓦斯涌出量，m3/min；m——煤層厚度，m；Q——鉆孔在t時間內的瓦斯抽采總量，m3。

根據上面公式(d)可知，鉆孔的抽采瓦斯能力和鉆孔的瓦斯流量衰減系數、煤層的透氣性系數、煤層厚度、鉆孔孔徑、鉆孔的抽采負壓、鉆孔的抽采時間等多個因素有關，第一個因素越大，鉆孔抽采的瓦斯純量就越小，是呈反比關系的，后五個因素越大、鉆孔抽采的瓦斯純量就越大，是呈正比關系的。通常在考察抽采半徑選取地點所屬區域煤層，煤層的厚度、透氣性系數、鉆孔瓦斯流量衰減系數都是一個固定值，因此鉆孔的抽采瓦斯能力主要是和另外三個因變量因素掛鉤的，當確定鉆孔孔徑、鉆孔抽采負壓后，鉆孔抽采瓦斯的能力和抽采時間成1-e-αt關系，因此上述六個條件在五個條件固定時，就可以根據鉆孔抽采能力與抽采半徑的關系進行計算，從而得出鉆孔在不同抽采時間內所對應的抽采半徑。

2.2 現場選擇要求

為了順利地對抽采鉆孔有效抽采半徑進行考察，抽采半徑考察選擇的地點應滿足下列五點要求：考察地點所在的區域煤層賦存比較穩定，沒有顯著地質構造；必須滿足考察所需的抽采時間；通風、壓風、水、電等應滿足考察施工要求，且能保障考察人員安全；滿足《煤礦安全規程》《煤礦抽采達標暫行規定》和礦井各項管理及技術要求；考察前測定該煤層瓦斯含量。

2.3 計算方法

鉆孔施工完畢開始抽采后，每天測定并記錄鉆孔的抽采參數，包括抽采負壓、濃度、瞬時流量等數據。通過測定流量參數，計算鉆孔每天的抽采純量并計算累計抽采純量Q抽總。

首先按以下五點要求來確定考察區域煤層瓦斯抽采率：

按將煤層殘余瓦斯含量抽采降低到8 m3/t時的抽采率η1，

按將煤層殘余瓦斯含量抽采降低到始突深度處煤層瓦斯含量時的抽采率

按將煤層殘余瓦斯壓力抽采降低到始突深度的瓦斯壓力時的抽采率

按《煤礦抽采達標暫行規定》規定的瓦斯抽采率η5。

通過以上五個要求來確定最終抽采率η＝ max（η1,η2,η3,η4,η5）。

上述公式中：W——考察范圍區域實測的煤層原始瓦斯含量，m3/t；W初突——考察范圍區域內煤層在始突深度時的瓦斯含量，m3/t；WP0.74——考察范圍區域內煤層在0.74MPa的瓦斯壓力情況下對應的瓦斯含量，m3/t；

然后考察區域內鉆孔需要抽采的瓦斯總量按下列公式計算：

式中：L1、L2——考察范圍區域長度、寬度，m；h——考察范圍區域煤層平均厚度，m；γ——考察范圍區域煤層視密度，t/m3；η——通過上述五點要求確定的最終抽采率。

再是按下式計算需要平均在考察范圍區域內抽采的鉆孔數量：

式中：Q抽總——某一時間段內統計的所有考察鉆孔抽采總量，m3

最后，將M個鉆孔平均分布在考察抽采鉆孔控制區域，再計算出某一時間段內的鉆孔抽采半徑。

鉆孔瓦斯抽采有效影響半徑可采用下列公式計算：

3.現場具體施工

根據現場考察確定在120502膠帶順槽沿煤層向工作面軌道順槽方向施工1組（10個）垂直于巷道的順層抽采鉆孔。順層抽采鉆孔的施工參數為：鉆孔方位角355°，傾角12.4°，孔深35.9 m，開孔高度距底板1.5 m，直徑Φ113mm，鉆孔間距為10m，封孔長度不小于15 m。現場實際施工平行順層鉆孔傾角12.5°，孔深36 m，其余均按照設計參數進行施工，并保證鉆孔達到平直、不塌孔、全部布置在煤層中、孔口嚴密不漏氣等要求。

4.考察結果及分析

120502工作面現場實測瓦斯含量為2.9152 m3/t，通過分源法計算120502工作面在正常回采期間絕對瓦斯涌出量最大為20.06 m3/min左右，根據《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》要求，抽采率必須滿足大于或等于30%。

120502膠帶順槽抽采半徑考察鉆孔控制區域需要抽采瓦斯量為：

Q抽總＝ L1×L2×h×γ×W×η= 100×36×4×1.39×2.915 2×30%=17505.19 m3

120502膠帶順槽考察抽采鉆孔日瓦斯抽采量統計見表1、通過考察數據計算的抽采半徑結果見表2，考察期間鉆孔抽采負壓在26.2-31.4KPa范圍內。

表1 120502膠帶順槽抽采鉆孔日抽采瓦斯量統計

表2 120502膠帶順槽瓦斯抽采鉆孔有效影響半徑結果（統計數據計算）

根據統計抽采量數據計算出120502膠帶順槽抽采衰減負指數曲線，與抽采衰減負指數曲線對應的相關系數R2＝0.9478，通過統計15天、20天、25天及30天四個數據計算出的抽采衰減負指數曲線能有效減小誤差，可以代表120502膠帶順槽鉆孔抽采瓦斯規律，因此能用該抽采衰減負指數曲線公式解算120502膠帶順槽鉆孔抽采半徑，見表3。

表3 120502膠帶順槽瓦斯抽采鉆孔有效影響半徑結果（擬合抽采負指數曲線計算）

將統計量計算得到的15天及30天抽采半徑數據與通過抽采衰減負指數曲線積分計算得到的15天及30天抽采半徑數據對比，相同時間內鉆孔抽采半徑數據偏差不大，基本相符，證明數據真實有效。

劉莊礦120502膠帶順槽抽采鉆孔在抽采負壓為26.2-31.4KPa時，直徑Φ113mm鉆孔抽采15天、30天、60天和極限瓦斯抽采有效影響半徑分別為：3.10 m、4.71 m、5.97 m、6.43 m。