基于“一抽兩測”的順層扇形鉆孔瓦斯抽采半徑研究

耿延輝

（1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037）

引言

近年來，隨著國家對安全方面問題的高度重視，瓦斯事故是各個礦山的重中之重。目前國內治理瓦斯事故主要是采取大規模施工密集鉆孔對煤層瓦斯進行抽采，從而預防煤與瓦斯突出事故[1]。抽采煤層瓦斯的影響因素很多，其中對抽采效果影響較大的是瓦斯抽采半徑，而瓦斯抽采半徑直接關系到抽采鉆孔的布置密度和抽采時間的長短[2]。準確地測定煤層瓦斯抽采半徑，既可以避免鉆孔設計及施工的盲目性，減少煤層瓦斯抽采的盲區和抽采鉆孔的有效影響范圍的無效疊加，又可以提高抽放鉆孔的利用率及施工速度。這樣既保證了抽放區域降低瓦斯含量的效果又節約了因為鉆孔間距布置不合理而增加的抽采時間，提高礦井的采掘速度[3]。此次煤層瓦斯抽采半徑的研究主要通過流量法和瓦斯含量法，對礦井的相關煤層瓦斯抽采工作具有參考指導意義[4]。

1 試驗區煤層瓦斯特征

6 號煤層基本情況：根據中煤科工集團重慶研究院有限公司2014 年6 月提交的《阿拉善福泉煤炭有限責任公司6 號、7 號煤層煤與瓦斯突出參數測定及其突出危險性鑒定報告》可知：6 號煤的破壞類型Ⅲ-Ⅳ、瓦斯放散初速度19、堅固性系數0.16、瓦斯含量15.89 m3/t、煤層透氣性系數0.039 5～19.799 m2/MPa2·d。

2 抽采半徑的考察方法選擇及臨界值的確定

2.1 考察方法的選擇

抽采半徑現場考察方法主要有三種：瓦斯壓力降低法、瓦斯含量降低法、鉆孔瓦斯流量法[5]。

根據試驗區域煤層的相關瓦斯資料及煤層賦存情況，綜合前述抽采半徑考察方法的優缺點及適用性，本次試驗考察依據現場情況對測定方法進行了簡化，決定選擇以鉆孔瓦斯流量法為主、瓦斯含量降低法驗證的測定方法[6]。該方法建立在瓦斯流量統計的基礎上，同時測定煤層殘余瓦斯含量加以驗證，提高了測定結果的準確性。

2.2 抽采半徑考察指標臨界值的確定

針對不同瓦斯賦存情況，完全消除煤層突出危險性應符合以下要求：（1）對瓦斯涌出量主要來自于開采層的采煤工作面，評價范圍內煤的可解吸瓦斯量滿足煤體的可解吸瓦斯量應達到的指標，該礦產量2 200 t/d，可解吸瓦斯含量小于7 m3/t；（2）對于突出煤層，預期防突效果達標瓦斯壓力或瓦斯含量按煤層始突深度處的瓦斯壓力或瓦斯含量取值[7]；沒有考察出煤層始突深度處的煤層瓦斯壓力或含量時，分別按照0.74 MPa、8 m3/t 取值；（3）對于瓦斯涌出量主要來自于突出煤層的采煤工作面，要同時滿足防突和瓦斯含量達標要求；（4）對瓦斯涌出量主要來自于鄰近層或圍巖的采煤工作面，計算的瓦斯抽采率需滿足采煤工作面瓦斯抽采率應達到的指標，具體指標見表1。

表1 采煤工作面瓦斯抽采率應達到的指標

福泉煤礦為煤層群開采，根據礦井瓦斯涌出量預測6 號煤層鄰近層瓦斯涌出占55.09%，開采層瓦斯涌出占44.91%，工作面瓦斯涌出量為22.71 m3/min。由于福泉煤礦6 號煤層始突深度的煤層瓦斯含量、始突深度瓦斯壓力均無實測數據，因此防突預抽效果按照瓦斯含量8 m3/t 取值；同時瓦斯涌出主要來自鄰近層，根據相關標準要求考察計算的采煤工作面瓦斯抽采率需大于40%。

綜合上述分析可知：6 號煤層瓦斯抽采半徑考察指標煤層殘余瓦斯含量臨界值8 m3/t；采煤工作面瓦斯抽采率需要大于40%。

3 順層扇形鉆孔瓦斯抽采半徑的考察

3.1 考察地點選取及要求

瓦斯抽采半徑考察地點的選取應滿足以下條件[8]：（1）考察地點的煤層賦存穩定，附近無較大地質構造，所處地質單元具有代表性；（2）考察鉆孔所處的工作面回采日期必須滿足考察所需的抽采時間。

根據考察地點選取要求及福泉煤礦采掘接替情況，福泉煤礦6 號煤層選擇鉆孔直徑Φ94 mm，考察地點選擇在1 168 軌道運輸石門揭露6 號煤層施工順層扇形鉆孔進行瓦斯抽采半徑考察。

3.2 考察鉆孔設計

根據1168 軌道石門揭煤區域防突措施抽采卸壓范圍分布及鉆孔設計，選取6 號煤層原始區域考察6號煤層瓦斯抽采半徑。在1168 軌道石門左右兩幫各布置一組鉆孔，每組鉆孔6 個，鉆孔沿走向布置，鉆孔終孔間距間距10 m，每組考察鉆孔開孔位置位于煤層中間，試驗區域考察鉆孔布置見圖1。

圖1 順層鉆孔抽采半徑考察鉆孔布置層面

4 考察結果及驗證

根據現場測定試驗區6 號煤層最大瓦斯含量為11.45 m3/t，福泉煤礦6 號煤層屬于突出煤層，根據考察臨界值相關規定，將6 號煤層瓦斯抽采半徑考察指標煤層殘余瓦斯含量臨界值為8 m3/t；采煤工作面瓦斯抽采率需要大于40%。

4.1 根據統計流量計算抽采半徑測定結果及分析

6 號煤層瓦斯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=16 158.24 m3

瓦斯抽采量統計見表2，抽采半徑計算結果見表3、表4。其抽采負壓在15～18 KPa，抽采鉆孔直徑Φ94 mm。

表2 福泉煤礦6 號煤層單孔日抽采瓦斯純量統計

表3 福泉煤礦6 號煤層94mm 鉆孔第一組抽采半徑計算結果

表4 福泉煤礦6 號煤層94mm 鉆孔第二組抽采半徑計算結果

4.2 根據擬合流量曲線計算抽采半徑

6 號煤層抽采半徑考察平均單孔日抽采瓦斯量統計結果擬合得出抽采衰減負指數曲線，如圖2 所示，其數據相關系數R＝0.986 1，數據相關性強，其衰減負指數曲線能有效代表6 號煤層順層鉆孔單孔抽采瓦斯規律，可根據該抽采衰減負指數曲線公式積分解算6 號煤層順層鉆孔抽采半徑，見表5。

表5 福泉煤礦6 號煤層94 mm 鉆孔抽采半徑計算結果

圖2 6 號煤層瓦斯抽采半徑考察平均單孔日抽采瓦斯量統計擬合圖

綜合以上計算結果，由統計量計算得出的鉆孔抽采半徑與抽采衰減負指數曲線積分計算得出的鉆孔抽采半徑基本相符。

綜上可得：根據最小值原則，福泉煤礦6 號煤層在15～18 KPa 抽采負壓條件下，直徑Φ94 mm 鉆孔抽采20 d、30 d、60 d、90 d 和極限抽采半徑分別為：0.76 m、0.83 m、1.56 m、1.92 m、2.27 m。

4.3 煤層殘余瓦斯含量的驗證

根據計算得到的抽采半徑，實測該區域方位內的瓦斯含量，進一步驗證該考察區域內的抽采情況和所確定的有效抽放半徑的準確性。

4.3.1 第一次殘余瓦斯含量測定

根據計算半徑范圍內，進行煤層殘余瓦斯含量的測定及抽采率的計算，同時滿足抽采達標時殘余含量小于8 m3/t；工作面抽采率η＞40%，殘余瓦斯含量測定及工作面抽采達標率計算結果見表6。

表6 取樣驗證參數及實測結果表

4.3.2 第二次殘余瓦斯含量測定

抽采達標時殘余含量小于8 m3/t；需同時滿足工作面抽采率η＞30%，殘余瓦斯含量測定及工作面抽采達標率計算結果見表7。

表7 取樣驗證參數及實測結果表

驗證結果表明通過現場實測參數形成的瓦斯流量衰減模型是非常穩定和可靠的。福泉煤礦6 號煤層在15～18 KPa 抽采負壓條件下，直徑Φ94 mm 鉆孔抽采20 d、30 d、60 d、90 d 和極限抽采半徑分別為：0.76 m、0.83 m、1.56 m、1.92 m、2.27 m。

5 結論

（1）選擇以鉆孔瓦斯流量法為主，瓦斯含量降低法驗證的瓦斯抽采半徑考察方法。該方法建立在瓦斯流量統計的基礎上，并同時測定煤層殘余瓦斯含量加以驗證，提高了測定結果的準確性。

（2）通過現場瓦斯含量實測，進一步驗證了瓦斯流量衰減模型的可靠性和正確性。

（3）通過現場考察、理論綜合分析得出福泉煤礦6 號煤層在15～18 KPa 抽采負壓條件下，直徑Φ94 mm 鉆孔抽采20 d、30 d、60 d、90 d 和極限抽采半徑分別為：0.76 m、0.83 m、1.56 m、1.92 m、2.27 m。