青龍煤礦穿層鉆孔瓦斯有效抽采半徑研究*

胡華，汪圣偉 ，李希建 ，王文利，徐啟飛

(1.貴州黔西能源開(kāi)發(fā)有限公司，貴州 畢節(jié)市 551507；2.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；3.復(fù)雜地質(zhì)礦山開(kāi)采安全技術(shù)工程中心，貴州 貴陽(yáng) 550025；4.貴州大學(xué) 瓦斯災(zāi)害防治與煤層氣開(kāi)發(fā)研究所，貴州 貴陽(yáng) 550025)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)煤礦開(kāi)采已逐步轉(zhuǎn)向深井開(kāi)采，生產(chǎn)面積和開(kāi)采強(qiáng)度逐漸擴(kuò)大，導(dǎo)致采區(qū)瓦斯涌出量增大[1-2]。預(yù)抽瓦斯是降低井下瓦斯含量的有效手段。目前，我國(guó)瓦斯抽采效率普遍較低，而有效抽采半徑是影響瓦斯抽采效率的關(guān)鍵因素，根據(jù)有效抽采半徑，合理地安排孔距。鉆距太小，易造成費(fèi)用浪費(fèi)，鉆距過(guò)大，會(huì)產(chǎn)生抽采盲區(qū)，達(dá)不到抽采效果[3-4]。因此，對(duì)井下瓦斯有效抽采半徑研究具有十分重要的意義。

關(guān)于瓦斯有效抽采半徑的研究，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者做了很多研究。BING 等[5]利用FLAC3D 軟件，對(duì)瓦斯抽采進(jìn)行模擬，模擬得到有效抽采半徑，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用壓降法驗(yàn)證模擬結(jié)果。曹新奇等[6]經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，采用了相對(duì)瓦斯壓力指標(biāo)法，對(duì)瓦斯有效抽采半徑進(jìn)行了研究，為瓦斯抽采鉆孔的布置提供科學(xué)依據(jù)，提高了防突措施的有效性。樊建明[7]基于廣義偏微分方程，利用COMSOL Multiphysics 模擬軟件，通過(guò)試驗(yàn)研究，分析了抽采時(shí)間、鉆徑、負(fù)壓等因素對(duì)瓦斯有效抽采半徑的影響規(guī)律。但模擬條件過(guò)于簡(jiǎn)單，與井下實(shí)際條件相差甚大，模擬結(jié)果有待考究。曹佐勇等[8]基于滲流理論和Klinkenberg 效應(yīng)，考慮了孔隙率和滲透率演化，采用COMSOL Multiphysics 數(shù)值模擬軟件模擬分析了近距離突出煤層群水力沖孔鉆孔有效抽采半徑。劉海等[9]以達(dá)西定律和瓦斯流動(dòng)理論為基礎(chǔ)，在考慮Klinkenberg 效應(yīng)條件下，采用理論計(jì)算與COMSOL Multiphysics 模擬相結(jié)合，研究不同抽采時(shí)長(zhǎng)下擴(kuò)煤量對(duì)有效影響半徑的影響。桑乃文等[10]運(yùn)用COMSOL Multiphysics 模擬軟件，對(duì)平行鉆孔間抽采疊加效應(yīng)影響下瓦斯壓力、有效抽采半徑的變化規(guī)律進(jìn)行研究，以此設(shè)計(jì)合理的鉆孔間距，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行驗(yàn)證。

因此，為了研究青龍煤礦21605 工作面18 號(hào)煤層的瓦斯抽采有效抽采半徑，本文采用了瓦斯壓力降低法，在青龍煤礦21605 底抽巷d13 控制點(diǎn)展開(kāi)試驗(yàn)，通過(guò)分析18 號(hào)煤層的瓦斯壓力變化，得到該煤層的瓦斯抽采有效半徑，提高煤層瓦斯抽采效率，以期對(duì)青龍煤礦的安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 工程概況

青龍煤礦位于貴州省黔西市谷里鎮(zhèn)，距縣城直線距離10.1 km，礦區(qū)面積20.6503 km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為120 萬(wàn)t/a，礦井采用的通風(fēng)方式為中央并列抽出式。礦井采區(qū)內(nèi)共含穩(wěn)定可采煤層2 層（16號(hào)、18 號(hào)煤層），局部可采煤層1 層（17 號(hào)煤層），本次測(cè)定的為21605 工作面18 號(hào)煤層，該區(qū)域煤層埋深為200～324 m，煤層平均厚度3.25 m，煤層比較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，亮-半亮型，粉狀-塊狀構(gòu)造。瓦斯含量值為12.20～13.94 m3/t，具有煤與瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)。

2 試驗(yàn)方案

目前，用于測(cè)定礦井煤層瓦斯有效抽采半徑的方法主要有：氣體示蹤法、瓦斯壓力降低法、瓦斯流量法、瓦斯含量法、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬法等[11-16]。為有效檢驗(yàn)瓦斯降壓法確定有效抽采半徑的效果，本次試驗(yàn)在青龍煤礦21605 底抽巷垂直向上對(duì)18號(hào)煤層施工穿層鉆孔測(cè)試點(diǎn)，設(shè)計(jì)鉆孔直徑為94 mm，抽采負(fù)壓不小于15 kPa，抽采參數(shù)接近于煤礦現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

2.1 試驗(yàn)步驟

本次試驗(yàn)測(cè)定步驟如下。

（1）施工測(cè)定鉆孔。測(cè)試點(diǎn)位置布置在21605底抽巷d13 至d12 之間，在距抽采鉆孔位置間距為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m 處分別布置測(cè)定鉆孔并完成封孔，并安裝壓力表，鉆孔布置如圖1所示。

圖1 青龍煤礦21605 底抽巷鉆孔布置（單位：m）

（2）施工抽采鉆孔。待測(cè)壓孔壓力穩(wěn)定后，施工抽采鉆孔，及時(shí)封孔，并連接抽采管網(wǎng)。

（3）觀測(cè)數(shù)據(jù)。每天觀測(cè)壓力表的變化以及抽采孔參數(shù)（濃度、流量、負(fù)壓）變化，連續(xù)觀測(cè)90 d。

（4）數(shù)據(jù)處理。通過(guò)對(duì)抽采時(shí)間變化曲線的分析，得到有效抽采半徑。

2.2 判定依據(jù)

根據(jù)周世寧院士提出的用拋物線方程取代瓦斯含量曲線，以及《煤礦安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定[17-18]，礦井進(jìn)行瓦斯抽采時(shí)，瓦斯預(yù)抽率要大于30%，才能達(dá)到消突的目的。也就是說(shuō)，當(dāng)預(yù)抽率為30%時(shí)，煤層殘余瓦斯含量只有原始瓦斯含量的70%。在這一前提條件下，根據(jù)瓦斯含量與壓力間的數(shù)學(xué)關(guān)系計(jì)算得出，預(yù)抽后瓦斯壓力僅為原始瓦斯壓力的49%，下降量為51%。因此，得出有效抽采半徑的評(píng)判依據(jù)為：測(cè)壓鉆孔到抽采鉆孔煤層瓦斯壓力下降量大于或等于51%的距離即為煤層瓦斯有效抽采半徑[19]。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

施工結(jié)束，待測(cè)壓孔瓦斯壓力穩(wěn)定后開(kāi)始連接抽采系統(tǒng)進(jìn)行抽采，18 號(hào)煤層從2021 年6 月16 日開(kāi)始連抽，至2021 年9 月20 日結(jié)束，抽采過(guò)程中18 號(hào)煤的瓦斯壓力和抽采參數(shù)隨抽采時(shí)間變化趨勢(shì)如圖2、圖3 所示。

圖2 M18 煤瓦斯壓力隨抽采時(shí)間變化曲線

圖3 M18 煤抽采參數(shù)隨抽采時(shí)間變化曲線

由圖2 可以看出抽采期間各鉆孔瓦斯壓力變化情況。

（1）18-3#鉆孔在抽采的前9 d，瓦斯壓力基本上呈線性下降，從0.31 MPa 驟降至0.16 MPa，此后13 d 瓦斯壓力僅下降了0.05 MPa，抽采至90 d時(shí)瓦斯壓力穩(wěn)定在0.1 MPa。

（2）18-5#鉆孔瓦斯壓力變化情況與3#孔情況相近，在抽采的前21 d，瓦斯壓力從0.70 MPa 降低到0.40 MPa，抽采至40 d 時(shí)瓦斯壓力降至0.33 MPa，此后壓力穩(wěn)定在0.32 MPa。

（3）18-2#鉆孔瓦斯壓力下降平穩(wěn)，抽采至60 d時(shí)瓦斯壓力從0.72 MPa 降低到0.60 MPa，至94 d時(shí)瓦斯壓力降至0.3 MPa，至100 d 后瓦斯壓力穩(wěn)定在0.1 MPa。

（4）18-6#鉆孔瓦斯壓力變化情況與5#孔情況相近，抽采至30 d 時(shí)瓦斯壓力從0.90 MPa 降低到0.75 MPa，至90 d 時(shí)瓦斯壓力降至0.5 MPa，此后瓦斯壓力穩(wěn)定不變。

（5）18-1#鉆孔在抽采至85 d 時(shí)，瓦斯壓力從1.00 MPa 降低到0.55 MPa，此后瓦斯壓力穩(wěn)定不變。

（6）18-7#鉆孔在抽采至87 d 時(shí)，瓦斯壓力從1.30 MPa 降低到0.60 MPa，此后瓦斯壓力穩(wěn)定不變。

由圖3 可知，M18 煤抽采孔抽采濃度穩(wěn)定在60%左右，抽采效果較好。在抽采到94 d 后，瓦斯壓力變化不明顯，說(shuō)明煤層瓦斯抽采存在一個(gè)極限抽采時(shí)間問(wèn)題[20]，與文獻(xiàn)[8]的研究結(jié)論基本一致。

由以上結(jié)果分析可得：

（1）在孔徑為94 mm，抽采負(fù)壓不小于15 kPa時(shí)，青龍煤礦18 號(hào)煤層的有效抽采半徑為：抽采22 d 時(shí)為1 m，抽采40 d 時(shí)為2 m，抽采94 d 時(shí)為3 m；

（2）在抽采94 d 內(nèi)，瓦斯抽采對(duì)3 m 以外的范圍影響不大，在此范圍內(nèi)依然存在煤與瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)；

（3）在一定條件下，當(dāng)抽采時(shí)間越長(zhǎng)，有效抽采半徑就越大，但當(dāng)抽采達(dá)到一定時(shí)間后就不再增加，說(shuō)明瓦斯抽采存在極限抽采時(shí)間。

4 結(jié)論

（1）基于瓦斯壓力降低法，在青龍煤礦21605底抽巷垂直向上施工穿層鉆孔，可操作性強(qiáng)，有效地解決在瓦斯抽采鉆孔設(shè)計(jì)中的間距布置問(wèn)題，提高了煤層瓦斯抽采率。

（2）在孔徑直徑為94 mm，抽采負(fù)壓不小于15 kPa 時(shí)，青龍煤礦18 號(hào)煤層的有效抽采半徑為：抽采22 d 時(shí)為1 m，抽采40 d 時(shí)為2 m，抽采94 d時(shí)為3 m。

（3）極限抽采時(shí)間存在于煤層瓦斯抽采中，即抽采時(shí)間越長(zhǎng)，有效抽采半徑越大，但當(dāng)抽采達(dá)到一定時(shí)間后就不再增加。