卸壓瓦斯抽采對比試驗研究

侯宗斌，李思光

(貴州省煤礦設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550025)

0 引言

我國眾多學(xué)者對卸壓增透措施進(jìn)行了很多研究，探索出開采保護(hù)層、深孔預(yù)裂爆破、水力壓裂、水力沖孔和水力割縫等卸壓增透措施。石必明等[1]通過數(shù)值模擬分析，提出了卸壓區(qū)煤層水平變形呈現(xiàn)拉抻和擠壓狀態(tài)，使得保護(hù)層開采后煤體的裂隙發(fā)育更為充分；戴廣龍等[2]研究指出，由于產(chǎn)生“O～X”型破壞，使得處于保護(hù)層保護(hù)范圍的鄰近層瓦斯涌入工作面；趙新濤等[3]研究了深孔預(yù)裂爆破中，爆破產(chǎn)生的壓力對封孔物質(zhì)的作用，根據(jù)裂紋發(fā)育所需的時間，得到了最佳封孔長度的理論模型。李志宏[4]針對爆破作用下裂隙之間的相互作用難以分析這一問題，采用數(shù)值模擬方法分析研究爆破產(chǎn)生的氣體對裂隙發(fā)育的作用。吳飛鵬等[5]研究了預(yù)制裂隙對水力壓裂裂縫開裂應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)增加預(yù)制裂縫會使得新裂縫的開裂壓力降低；多裂縫之間的相互作用，會使得裂縫網(wǎng)絡(luò)更為發(fā)育。李耀謙等[6]對水力壓裂和水力割縫共同作用下煤體的裂隙發(fā)育進(jìn)行研究，通過水力割縫使得裂隙的發(fā)育更具有方向性，解決了鉆孔周圍的應(yīng)力集中問題。劉志偉等[7]現(xiàn)場采用水力割縫技術(shù)，對煤體的透氣性進(jìn)行提升，確定了水力割縫時的割縫壓力以及割縫半徑等參數(shù)，在巷道掘進(jìn)中取得了良好的效果。鄒永洺[8]為了提高單一水力割縫的效果，將水力割縫技術(shù)和二氧化碳相變致裂技術(shù)組合使用，現(xiàn)場試驗表明，應(yīng)用該組合技術(shù)后的煤體抽采效率大幅提高。基于上述學(xué)者的研究，本文采用現(xiàn)場試驗的方法，設(shè)立試驗組和對照組，將試驗組和對照組的抽采效果進(jìn)行對比分析，探究卸壓區(qū)域煤層瓦斯含量及煤層的抽采半徑。

1 現(xiàn)場試驗布置

1.1 試驗位置

在某礦9號煤層的1904運輸巷布置兩個測試點，由于 1904運輸巷上幫采用卸壓增透措施，下幫9號煤層為原始區(qū)，因此在1904工作面的上幫（1號測試點）設(shè)置試驗組，下幫（2號測試點）設(shè)置對照組。

1.2 試驗點鉆孔布置

1號測試點布置在距巷道開口115 m處，從距開口較近的位置依次布置3個抽采孔，分別為1-3，1-2，1-1號抽采孔，在抽采孔兩側(cè)分別以不同的距離布置觀測孔。2號測試點布置在距巷道開口215 m處，鉆孔布置見圖1。

圖1 測試點鉆孔布置

1.3 鉆孔參數(shù)及封孔工藝

每個測試點各設(shè)計布置9個順層鉆孔，包括3個瓦斯抽采鉆孔和6個觀測孔。上幫的鉆孔采用聚氨酯封口，下幫的鉆孔在尾管端部焊接一個擋板并且纏上一定的棉紗，隨后將鉆孔注滿水泥漿封孔。

2 現(xiàn)場試驗及分析

2.1 瓦斯含量測試及分析

在抽采鉆孔施工過程中，現(xiàn)場取樣測試煤層瓦斯含量，試驗組（1號測試點）取樣鉆孔為1-2號和1-3號抽采孔，對照組（2號測試點）取樣鉆孔為2-1號、2-2號和2-3號抽采孔，在井下進(jìn)行現(xiàn)場瓦斯解吸，根據(jù)煤樣瓦斯解吸規(guī)律推算取樣過程中煤樣損失的瓦斯量，然后在實驗室測定煤樣的殘存瓦斯量，最后得到1號測試點9號煤層實測最大瓦斯含量為4.05 m3/t，已降低至8 m3/t以下；2號測試點9號煤層實測最大原始瓦斯含量為9.49 m3/t。由此可見，通過卸壓增透措施，卸壓區(qū)域煤體中的大量瓦斯得到釋放，卸壓區(qū)域瓦斯含量降低了57.3%。

2.2 觀測孔壓力測試及分析

本次在試驗組、對照組（2個測點）共施工了12個觀測孔，觀測孔施工結(jié)束后，在各個觀測孔中注入0.2 MPa的氣體，之后將抽采孔聯(lián)網(wǎng)抽采。隨著抽采時間的加長，各個鉆孔的壓力均有所降低，以瓦斯壓力降低 10%或鉆孔壓力降低為負(fù)壓作為影響半徑的判斷依據(jù)，擬合分析見圖 2、圖 3，卸壓增透區(qū)煤層的瓦斯抽采影響半徑與預(yù)抽時間的函數(shù)關(guān)系為：

圖2 卸壓區(qū)瓦斯抽采影響半徑曲線

圖3 原始煤體瓦斯抽采影響半徑曲線

由式（1）可以得出，卸壓增透區(qū)煤層的極限影響半徑為7.0 m。

原始煤體區(qū)的瓦斯抽采影響半徑與預(yù)抽時間的函數(shù)關(guān)系為：

由式（2）可以得出，原始媒體區(qū)極限影響半徑為6.1 m。

相比兩個測試點的極限影響半徑，試驗組的極限影響半徑相較于對照組的極限影響半徑提高了14.8%。由此可見，卸壓增透措施對煤層透氣性有顯著提高。

2.3 抽采流量測試

對試驗組、對照組（2個測試點）的所有抽采鉆孔進(jìn)行聯(lián)抽，用CJZ70瓦斯參數(shù)綜合測定儀測試單孔孔口負(fù)壓、抽采濃度和抽采流量。將一個月觀測到的2個測點總的抽采濃度和抽采流量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計處理，繪制了圖4、圖5。

圖4 試驗組平均抽采流量

圖5 對照組平均抽采流量

對圖4和圖5中試驗組和對照組的抽采純流量進(jìn)行擬合，得到試驗組的抽采純量與時間的函數(shù)關(guān)系為：

對照組的抽采純量與時間的函數(shù)關(guān)系為：

式中，qs、qd分別為抽采時間t下試驗組、對照組的平均瓦斯抽采純量，m3/min；t為鉆孔的瓦斯抽采時間，d。

根據(jù)瓦斯抽采純流量與抽采時間的負(fù)指數(shù)關(guān)系式，兩邊對時間積分，可以得到任意時間t天內(nèi)鉆孔瓦斯抽采總量Qct為：

式中，qc0為有效鉆孔長度條件下鉆孔初始瓦斯抽采量，m3/min；β為鉆孔瓦斯抽采量衰減系數(shù)，d-1。

根據(jù)煤層原始瓦斯含量、煤層厚度、煤的容重、抽采鉆孔有效長度、試驗點長度等已知條件，即可計算預(yù)抽時間t時的瓦斯抽采的預(yù)抽率：

式中，W為煤層瓦斯含量，m3/ t；r為抽采半徑長度，m；η為抽采率，%；h為煤層厚度，m；L為抽采鉆孔長度，m；γ為原煤容重，t/ m3。試驗點煤層參數(shù)見表1。將表1中數(shù)據(jù)代入式（6），按抽采一個月的抽采量得出試驗組的抽采率是9.4%，抽采后試驗組殘存瓦斯含量為3.67 m3/t，而對照組的抽采率是20.7%，抽采后殘存瓦斯含量為7.62 m3/t。雖然試驗組的抽采率低于對照組，但對比無煙煤的不可解吸瓦斯含量，試驗組卸壓增透后的抽采殘存瓦斯接近煤的不可解吸瓦斯含量。

表1 試驗點煤層參數(shù)

3 結(jié)論

（1）卸壓增透措施后，煤層瓦斯已經(jīng)得到了充分的逸散，通過現(xiàn)場實測，卸壓區(qū)瓦斯含量是原始煤體區(qū)瓦斯含量的42.7%。

（2）采用壓降法對抽采孔抽采影響范圍進(jìn)行測定，卸壓增透區(qū)的抽采影響半徑的函數(shù)關(guān)系式為r=0.2334t/(1+0.0329t)，原始煤體區(qū)的函數(shù)關(guān)系式為r=0.2374/(1+0.0387t)，相比2個測試點抽采3個月的影響半徑，試驗組的極限影響半徑比對照組的極限影響半徑大14.7%。

（3）用 2個測點的抽采純流量計算各自的抽采率，發(fā)現(xiàn)卸壓增透區(qū)域煤的殘存瓦斯含量接近于煤的不可解吸瓦斯含量。

（4）采取卸壓增透措施的煤體，在瓦斯逸散以及抽采過程中，都有明顯的提升，因此，采取卸壓增透措施時，配合瓦斯抽采，達(dá)到了“可抽盡抽”的目的，可促進(jìn)礦山綠色開采。