基于瓦斯流量法的穿層鉆孔抽采影響半徑研究*

劉亞飛 ，趙琪，江成玉，劉愿

(1.貴州省煤礦設(shè)計研究院有限公司， 貴州 貴陽 550025；2.貴州省礦山安全科學(xué)研究院有限公司， 貴州 貴陽 550025；3.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院， 貴州 貴陽 550025)

0 引言

貴州省煤層瓦斯賦存條件、地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，而鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯是防止煤與瓦斯突出的主要預(yù)防措施。對于特殊的煤層瓦斯賦存條件，瓦斯抽采半徑的確定是消除煤與瓦斯突出的重要因素之一。抽采鉆孔的間距會直接影響瓦斯抽采效果，過小的鉆孔間距，會造成資源上的浪費，增大瓦斯的抽采成本；過大的鉆孔間距，誤差大，則會存在抽采盲區(qū)，不能達到消除突出危險性的效果[1-2]。抽采鉆孔間距確定取決于抽采半徑的大小，所以確定抽采半徑對于防治煤與瓦斯突出至關(guān)重要。因此，本文基于瓦斯流量法，對煤層穿層鉆孔抽采影響半徑進行考察，以獲得不同抽采時間情況下，抽采有效半徑的大小[2]，其對萬順煤礦12501運輸巷的瓦斯抽采工作具有借鑒意義。

1 工程現(xiàn)場試驗考察

貴州萬順煤礦主要開采二采區(qū)C5和C1煤層，其中，C5煤層為突出煤層，賦存于二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M。礦區(qū)內(nèi)地表巖層倒轉(zhuǎn)至直立，斷層不甚發(fā)育，煤層平均厚度為 1.97 m，平均傾角為 80°。12501運輸巷（二段）掘進工作面的防突措施采取穿層鉆孔的方式預(yù)抽C5煤層條帶瓦斯，在同一標高頂板位置的+550 m長興灰?guī)r運輸巷布置鉆場，在鉆場內(nèi)向12501運輸巷施工水力壓裂鉆孔的同時，也向其施工穿層預(yù)抽鉆孔，抽采鉆孔為扇形布置；由于施工穿層鉆孔較長、分布為扇形，且施工的鉆孔方位角分散角度較小、誤差大，存在抽采盲區(qū)，同時在高壓水壓裂煤體后形成應(yīng)力集中帶，導(dǎo)致2021年4月19日在掘進至135 m時發(fā)生突出事故。

1.1 瓦斯流量法測定有效抽采半徑原理

流量法主要是通過計算出所測量范圍內(nèi)的殘余瓦斯量及瓦斯抽采率是否達標來判定抽采是否有效[3]。因此，通過考察范圍內(nèi)的瓦斯儲量和瓦斯抽采總量計算得出的有效抽采半徑，從而得到殘余瓦斯量和瓦斯抽采率。現(xiàn)場瓦斯鉆孔進行聯(lián)合抽采后，按期測量所需的鉆孔抽采數(shù)據(jù)。試驗瓦斯抽放凈量qt隨時間t回歸，得到負指數(shù)函數(shù)關(guān)系[4]：

式中，q0為鉆孔有效長度下的初始瓦斯抽采量，m3/min；qt為瓦斯平均抽采純量，m3/min；β為衰減系數(shù)；t為抽采時間，d。

對式（1）積分，可以得出瓦斯抽采總量：

考察范圍內(nèi)的瓦斯儲量Q可通過鉆孔所抽采煤層的瓦斯含量和影響半徑r等參數(shù)得到，進而計算在時間t內(nèi)瓦斯的預(yù)抽率函數(shù)，見式（3）。

式中，γ為煤的容重，t/m3；W為瓦斯含量，m3/t；r為鉆孔的抽采半徑，m；h為煤層厚度，m；L為鉆孔有效長度，m3。

當(dāng)計算所得的瓦斯抽采率滿足標準抽采率要求時，可計算得到所測煤層的瓦斯抽采有效半徑r，其計算公式為[5]：

1.2 方案制定

12501 運輸巷（二段）未進行水力壓裂區(qū)域瓦斯抽采半徑考察：設(shè)計10個抽采鉆孔分成參數(shù)相同的兩組布置在+550 m運輸巷，如圖1所示，在兩個考察地點的測試鉆孔施工過程中，每個考察點取2組煤樣測試煤層瓦斯含量，通過直接法測定C5煤層瓦斯含量；鉆孔設(shè)計參數(shù)詳見表1，第1組和第2組試驗鉆孔分別于2021年6月14日和6月15日聯(lián)抽。

表1 12501運輸巷C5煤層瓦斯抽采半徑考察測試鉆孔參數(shù)

圖1 測試鉆孔布置方案

2 測試鉆孔分析

2.1 測試鉆孔參數(shù)

根據(jù)測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，第1組1-1和1-3抽采鉆孔分別在抽采2 d和1 d后瓦斯抽采濃度急劇下降，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，1-1和1-3抽采鉆孔和原施工的抽采鉆孔發(fā)生串孔現(xiàn)象，這兩個鉆孔測定的抽采參數(shù)對測定結(jié)果有影響，故舍去；第2組試驗鉆孔2-1，2-2抽采鉆孔分別在抽采2 d和3 d后瓦斯?jié)舛燃眲∠陆担F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，2-1、2-2抽采鉆孔和原施工的抽采鉆孔發(fā)生串孔現(xiàn)象，故這兩個鉆孔測定的抽采參數(shù)對測定結(jié)果有影響，也舍去；第2組2-5鉆孔抽采濃度時有時無，檢查后發(fā)現(xiàn)由于此孔是下行鉆孔，積水嚴重，抽采效果較差。故本次僅采用1-2，1-4，1-5，2-3，2-4鉆孔測定數(shù)據(jù)。

2.2 抽采影響半徑分析

根據(jù)有效鉆孔瓦斯混合流量、濃度，計算得到鉆孔的瓦斯純流量，繪制瓦斯抽采純流量與抽采時間關(guān)系如圖2至圖6所示。

圖2 1-2鉆孔瓦斯抽采流量與預(yù)抽時間關(guān)系

圖3 1-4鉆孔瓦斯抽采流量與預(yù)抽時間關(guān)系

圖4 1-5鉆孔瓦斯抽采流量與預(yù)抽時間關(guān)系

圖5 2-3鉆孔瓦斯抽采流量與預(yù)抽時間關(guān)系

由圖2至圖6可看出，瓦斯抽采純量隨著累計抽采時間的增長而降低，呈負指數(shù)關(guān)系[5]。根據(jù)測得的有效瓦斯抽采數(shù)據(jù)，1-2，1-4，1-5抽采鉆孔瓦斯含量按實測1-2鉆孔最大值7.63 m3/t計算，2-3，2-4抽采鉆孔瓦斯含量按本次2-3鉆孔實測最大值8.09 m3/t計算；通過抽采時間與抽采純量的負指數(shù)關(guān)系式，結(jié)合鉆孔長度、厚度等基本信息，可得瓦斯抽采有效半徑計算公式[5-8]，見表2。

表2 12501運輸巷（二段，未壓裂區(qū)域）C5煤層瓦斯抽采有效半徑公式計算

圖6 2-4鉆孔瓦斯抽采流量與預(yù)抽時間關(guān)系

計算在不同抽采時間條件下5個瓦斯預(yù)抽鉆孔的抽采有效半徑，見表3。由表3可知，所有的考察鉆孔在抽采90 d后有效抽采半徑接近極限值，其中瓦斯抽采極限有效半徑最大的是1-2考察鉆孔，為3.16 m；2-3考察鉆孔的極限有效半徑最小，為2.91 m。為安全起見，故選取2-3抽采孔的數(shù)值作為本次的測試結(jié)果。

表3 12501運輸巷（二段，未壓裂區(qū)域）各考察鉆孔瓦斯抽采有效半徑

萬順煤礦12501運輸巷（二段，未壓裂區(qū)域）C5煤層的瓦斯抽采有效半徑公式為r≤2.91（1-e-0.0832t)0.5，為方便工程上的施工應(yīng)用，其抽采有效半徑精確到2位小數(shù)，當(dāng)預(yù)抽時間為10，20，30，60 d時，所得瓦斯抽采有效半徑分別為1.64，2.36，2.67，2.89 m，極限有效半徑為 2.91 m。

3 結(jié)論

通過選用瓦斯抽采半徑測定常用的瓦斯流量法對萬順煤礦12501運輸巷（二段，未壓裂區(qū)域）C5煤層進行了抽采有效半徑的分析，C5煤層瓦斯抽采有效半徑公式為r≤2.91（1-e-0.0832t)0.5，預(yù)抽時間分別為10，20，30，60 d時，瓦斯抽采有效半徑分別為1.64，2.36，2.67，2.89 m，極限有效半徑為2.91 m。

12501 運輸巷（二段，未壓裂區(qū)域）C5煤層抽采半徑，只針對 12501運輸巷（二段，未壓裂區(qū)域）已施工穿層鉆孔區(qū)域，對指導(dǎo)12501運輸巷C5煤層抽采鉆孔布置具有重要的工程參考價值。