汾西煤礦水力沖孔鉆孔有效抽采半徑測定

李錄標

（山西古縣金谷煤業有限公司，山西 臨汾042400）

0 引 言

我國煤與瓦斯突出事故發生的次數、頻率以及嚴重程度居世界首位[1]。預抽煤層瓦斯是一項十分重要的防突措施。在瓦斯抽采設計中，有效抽采半徑是該措施的一個重要參數，直接關系到預抽鉆孔間距的設計，影響瓦斯抽采的效果[2-4]。水力沖孔技術具有施工容易、成本低、效率高、安全性高等優點。該技術的主要原理是利用高壓水射流對鉆孔周圍煤體進行破碎，在射流沖刷作用下形成空洞，使水力沖孔周圍煤體發生變形、卸壓，增加鉆孔周圍煤體的新生孔隙，提高煤體滲透率，改善煤層抽采條件[5-7]。汾西煤礦煤礦采用水力沖孔技術以提高瓦斯抽采效率，該技術措施下的抽采半徑關系到鉆孔間距的布置。因此本文采用流量法與瓦斯含量法考察二2 煤層水力沖孔技術下的瓦斯抽采半徑，指導礦井鉆孔間距的布置。

1 試驗區概括

礦井目前回采煤層為15 號煤層，可采范圍內厚度0.80～8.86 m，平均為2.60 m，煤層穩定，結構簡單。根據煤層開采條件，采用單一走向長壁后退式綜合機械化采煤方法，全部垮落法管理頂板，一次采全高。

2 有效抽采半徑測定

2.1 現場實測方法

根據《煤礦安全規程》規定：在對煤層瓦斯實施預抽后，必須對預抽瓦斯防治突出效果進行檢驗，其檢驗的指標之一是煤層瓦斯預抽率大于30%。本礦本著既要減少鉆孔工程量又要保證抽采效果的原則，選擇瓦斯預抽率為60%是一個經濟合理的數值[8]。

流量法：在被考察的煤層區域，直接測定鉆孔瓦斯動態抽采流量[9]，得出不同時間對應的瓦斯抽采流量。鉆孔抽采瓦斯涌出強度隨時間的推移一般呈負指數衰減，根據考察的瓦斯抽采流量數據，可通過最小二乘法擬合得出鉆孔不同時刻的瓦斯抽采量關系式：

式中：qct為抽采時間t 下平均瓦斯抽采純量，m3/t；qc0為有效鉆孔長度條件下鉆孔初始瓦斯抽采量，m3/t；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。

對式（3-1）積分，可以得到任意時間t 內鉆孔瓦斯抽采總量Qct：

式中：Qct為任意時間t 內鉆孔瓦斯抽采總量，m3。

瓦斯預抽率是衡量鉆孔預抽煤層瓦斯效果的主要指標，根據測定煤層原始瓦斯含量W，在抽采時間t內鉆孔影響半徑為r時，可計算鉆孔控制范圍內的瓦斯儲量Q，進而計算時間t 內瓦斯預抽率η，η為瓦斯抽采量Qct與Q之比：

溫度對碳納米管纖維/環氧樹脂界面剪切強度的影響······························馬奇利 張翠霞 王 晗 蔣 瑾 呂衛幫 (6,961)

式中：Q為鉆孔控制范圍內的瓦斯儲量，m3；η為時間t 內瓦斯預抽率，%；r為抽采半徑，m；h為煤層厚度，m；L為抽采鉆孔長度，m；γ為原煤密度，t/m3；W為煤層原始瓦斯含量，m3/t。

瓦斯含量法：首先測定被考察范圍的原始瓦斯含量[10]，向被考察范圍施工特定孔徑的抽采鉆孔，然后封孔并進行瓦斯抽采，當抽采一定時間以后，采用直接測定法測定被考察范圍的瓦斯含量，當直接測定的瓦斯含量降低到臨界值以下或降低到一定程度時，則認為考察鉆孔與抽采孔的間距即為在該特定孔徑條件下一定抽采時間內對應的有效抽采半徑。

2.2 測試地點的選擇

2.2.1 流量法測試地點

本次測試地點選定在1513 下巷底板抽放巷、1515 下巷底板抽放巷以及1511 采區，每一個地點設定一個流量測試鉆孔，用來測試水力沖孔抽采半徑。

2.2.2 瓦斯含量法測試地點

根據汾西煤礦地質構造與煤層賦存情況，并結合該煤礦15 號煤層瓦斯涌出特征及預抽期等，在1513下巷底板抽放巷、1515 下巷底板抽放巷以及1511 采區布置3 組水力沖孔。每組水力沖孔分別施工3 個抽采鉆孔，鉆孔互相平行、相鄰鉆孔間距50 cm。

2.3 抽采鉆孔的布置

2.3.1 流量法鉆孔布置

表1 汾西煤礦13 采區水力沖孔瓦斯抽采影響半徑測試鉆孔設計參數

表2 汾西煤礦15 采區水力沖孔瓦斯抽采影響半徑測試鉆孔設計參數

表3 汾西煤礦1511 采區水力沖孔瓦斯抽采影響半徑測試鉆孔設計參數

流量法測試流程：鉆孔施工結束后，水力沖孔鉆孔沖煤量不小于0.5 m3/m，水力沖孔鉆孔進行沖孔后連接抽采管路，設置單獨的流量計，并測試抽采氣體的濃度。

2.3.2 瓦斯含量法鉆孔布置

根據測試地點的地質條件，對13 采區、15 采區、1511 采區的水力沖孔進行設計鉆孔具體布置參數見表4。

表4 汾西煤礦13、15、1511 采區水力沖孔瓦斯抽采影響半徑測試鉆孔設計參數

瓦斯含量法測試流程：在達到設定抽采天數60、120、180 d 時，分別平行于D、E、F 抽采孔隔4 m 施工取樣孔，取樣孔間距0.5 m，鉆孔編號分別為D-1、D-2、D-3、D-4、D-5、E-6、E-7、E-8、E-9、E-10、F-11、F-12、F-13、F-14、F-15 號檢查不同距離的瓦斯殘余含量。

3 有效抽采半徑測定結果分析

3.1 流量法實測結果分析

3.1.1 鉆孔瓦斯純量抽采結果

通過抽采數據的記錄及處理得到了1513 下巷底板抽放巷、1515 下巷底板抽放巷以及1511 采區的水力沖孔鉆孔測點處，作瓦斯抽采純量隨時間變化圖如圖1- 圖3 示。

圖1 汾西煤礦13 采區鉆孔抽采純量隨抽采時間變化規律

圖2 汾西煤礦15 采區鉆孔抽采純量隨抽采時間變化規律

圖3 汾西煤礦1511 采區鉆孔抽采純量隨抽采時間變化規律

3.1.2 流量法有效抽采半徑的確定

表5 汾西煤礦13 采區水力沖孔抽采半徑

將穿層鉆孔單個鉆孔瓦斯流量衰減指數方程qct=qc0e(-βt)代入到公式（4）、（5）中得到以抽采率作為指標確定瓦斯有效抽采半徑。

表6 汾西煤礦15 采區水力沖孔抽采半徑

表7 汾西煤礦1511 采區水力沖孔抽采半徑

3.2 瓦斯含量法實測結果分析

3.2.1 原始瓦斯含量測試結果

在抽采鉆孔施工的同時，測定各采區抽采鉆孔原始瓦斯含量，測定結果見表8- 表10。

表8 13 采區原始瓦斯含量測定結果

表9 15 采區原始瓦斯含量測定結果

表10 1511 采區原始瓦斯含量測定結果

3.2.2 瓦斯含量法有效抽采半徑的確定

從本次測定的瓦斯含量可以看出，原始瓦斯含量均小于8 m3/t，已滿足《基本指標》的要求。因此，本次抽采半徑考察以《煤礦安全規程》（2010）第一百八十八條第（二）款之規定，預抽率大于30%為抽采有效。本著既要減少鉆孔工程量又要保證抽采效果的原則，選擇瓦斯預抽率為60%是一個經濟合理的數值。

在抽采60、120、180 d 時，在D、E、F 抽采孔4 m 處，開始間隔0.5 m 施工取樣孔檢查不同距離的殘余瓦斯含量，見表11—表13 和圖4—圖6。

圖6 汾西煤礦1511 采區水力沖孔抽采后殘余瓦斯含量與抽采半徑關系曲線

表11 水力沖孔抽采后13 采區不同位置測得的殘余瓦斯含量

表13 水力沖孔抽采后1511 采區不同位置測得的殘余瓦斯含量

圖4 汾西煤礦13 采區水力沖孔抽采后殘余瓦斯含量與抽采半徑關系曲線

通過對測試數據進行插值計算，可得出在13 采區沖孔抽采60、120 、180 d 時，預抽率大于60 %的抽采半徑分別為5.23、5.68、5.89 m。

表12 水力沖孔抽采后15 采區不同位置測得的殘余瓦斯含量

圖5 汾西煤礦15 采區水力沖孔抽采后殘余瓦斯含量與抽采半徑關系曲線

通過對測試數據進行插值計算，可得出在15 采區沖孔抽采60、120 、180 d 時，預抽率大于60 %的抽采半徑分別為5.34、5.72、5.93 m。

通過對測試數據進行插值計算，可得出在15 采區沖孔抽采60、120、180d 時，預抽率為60%的抽采半徑分別為5.44、5.81、5.96 m。

4 結 論

1）通過在汾西煤礦13、15、1511 采區布置測點，分別利用瓦斯流量法和瓦斯含量法測試15 號煤層水力沖孔有效抽采半徑，其中水力沖孔鉆孔沖煤量不小于0.5 m3/m。在抽采率為60%的條件下，流量法在60、120、180 d 時，有效抽采半徑分別為5、5.6、5.7 m。瓦斯含量法在60、120、180 d 時，有效抽采半徑分別為5.4、5.8、6.0 m。

2）在相同抽采時間條件下，利用瓦斯含量法得到的煤層瓦斯有效抽采半徑比流量法的大。為保證瓦斯抽采的可靠性和安全性，選擇較小的測試結果作為煤層的有效抽采半徑，因此以流量法的測試結果作為汾西煤礦二2 煤層的瓦斯有效抽采半徑，即汾西煤礦二2 煤層水力沖孔鉆孔抽采時間為60 d時，合理有效的抽采半徑為5.0 m；抽采時間為90 d時，合理有效的抽采半徑為5.5 m；抽采時間為120 d時，合理有效的抽采半徑為5.6 m；抽采時間為180 d時，合理有效的抽采半徑為5.7 m。