趙莊二號井順層鉆孔抽采半徑測試分析

劉亮亮 任建平

（晉能控股裝備制造集團趙莊二號井，山西 長治 046600）

趙莊二號井位于山西省長治市長子縣慈林鎮，距太洛公路約200 m，距東田良火車站約2000 m，距趙莊礦井及附近坑口電廠約4000 m。趙莊二號井全井田3#煤層以位于井田中部的長焦鐵路和長晉高速煤柱為界，劃分為2 個盤區，東翼為一盤區（東盤區），西翼為二盤區（西盤區）。截至目前，3#煤一盤區內的正規工作面已回采結束，現生產盤區為西翼二盤區。趙莊二號井為立井開拓，其工業廣場布置有主、副立井，井田東、西兩翼盤區分別布置一個回風立井。

趙莊二號井為高瓦斯礦井，在綜采工作面回采過程中，容易發生煤壁片幫，導致瓦斯大量涌出，造成瓦斯超限事故。抽采影響半徑在抽采鉆孔設計過程中起著至關重要的作用，通過測定抽采有效半徑可以更好地指導抽采鉆孔的設計，以便科學合理地確定礦井瓦斯治理方案[1-3]。

1 概況

趙莊二號井3#煤層屬于山西組中下部，與底部K7 砂巖距離為10.29 m，煤層厚度在0.35～6.78 m區間內，平均煤層厚度為4.26 m。煤層厚度由東南逐漸向西北變薄，結構簡單，含0～1 層夾矸，層位、厚度均比較穩定，為穩定的大部可采煤層。頂板巖性為泥巖、粉砂巖，底板為泥巖、粉砂巖，且含有大量的植物莖葉化石。

測試地點選在趙莊二號井西盤區2311 綜放工作面，所處水平為+471 m 水平。該工作面煤層底板最高標高與最低標高分別為+514 m、+498 m，走向長456.7 m（幫-停采線）。該工作面傾斜長度為166.4 m（幫-幫），煤層傾角為1°～5°，平均為2°，無突出危險性，煤層平均厚度為4.5 m。具體瓦斯參數見表1。

表1 瓦斯參數表

2 煤層瓦斯賦存規律確定

根據趙莊二號井三維地震探查斷層和采掘工程實際揭露斷層對比分析表明，礦井采掘過程中揭露斷層主要以落差小于5 m 的小型斷層為主，對礦井生產影響相對較小。雖存在落差大于5 m 的斷層，但走向展布均在50 m 以內，對瓦斯賦存及運移影響較小。且井田內未見巖漿巖侵入，可視為井田內3#煤層為同一瓦斯地質單元。

根據《礦井瓦斯涌出量預測方法》（AQ 1018-2006）中第C.3 條，使用地勘鉆孔解吸法進行煤層瓦斯含量測定時，當鉆孔的深度小于500 m 時，應按照《地勘時期煤層瓦斯含量測定方法》（AQ 1046-2007）的標準進行瓦斯含量測定；當鉆孔的深度為500～1000 m 或者煤的解吸性能非常強時，測定值必須進行校正[4]。趙莊二號井3#煤層主要區域埋深小于500 m，雖部分區域埋深大于500 m，但在井下解析過程中，3#煤的解吸性能弱，主要為粉碎過程中產生解析。另外，趙莊二號井井田面積較小，煤層埋深變化不明顯，經對比篩選后的地勘期間瓦斯含量和井下實測瓦斯含量相差不明顯。綜合分析，確定篩選后的地勘期間測得的瓦斯含量較為可靠，不需再修正。

大量科研成果證明煤層原始瓦斯含量受煤層埋深控制，符合線性統計規律[5-6]。通過篩選后的地勘期間及井下現場實際測量的瓦斯含量，進行趨勢擬合綜合分析，得到參與線性統計規律生成的有效數據見表2。

表2 參與線性統計規律鉆孔數據

通過擬合分析，確定出3#煤層瓦斯賦存規律（圖1），在一定程度上反映了各煤層瓦斯的基本情況，得到瓦斯含量（W）隨著煤層埋深（H）的增加而呈現增加趨勢，兩者之間遵循如下形式的線性統計規律：

圖1 3#煤層瓦斯含量與埋深關系圖

式中：W為煤層瓦斯含量，m3/t；H為煤層埋藏深度，m。

3#煤層瓦斯含量增長梯度為：3.21 m3/（t·100 m）。

由3#煤層預測可知，確定井田內3#煤層預測原始瓦斯含量為3.6～7.4 m3/t，其中二盤區預測原始瓦斯含量為5.6～7.4 m3/t。另外，趙莊二號井與趙莊礦三、五盤區距離較近，趙莊礦三盤區3#煤層原始瓦斯含量8.0～13.0 m3/t，五盤區3#煤層原始瓦斯含量4.0～7.0 m3/t，而五盤區（低瓦斯區域）距離趙莊二號井二盤區較為接近。根據趙莊二號井3#煤層瓦斯含量等值線圖可知，二盤區預測原始瓦斯含量為5.6～7.4 m3/t。結合趙莊礦五盤區3#煤層原始瓦斯含量4.0～7.0 m3/t 判斷，確定趙莊二號井3#煤層預測的原始瓦斯含量3.6～7.4 m3/t 較為準確。

3 鉆孔設計及施工參數

由于預抽鉆孔測壓封孔難度較大，且成功率相對比較低，因此，預抽鉆孔的抽采影響半徑使用流量法測定。采用流量法測定抽采半徑的原理是[7]：在煤層瓦斯自然排放時，鉆孔內瓦斯流量的規律是隨時間的增加呈現負指數形式減弱；而當考察孔在抽采鉆孔抽采影響半徑的范圍內時，考察孔周圍的瓦斯就會被抽采鉆孔抽走，考察孔的瓦斯流量就會在此區間段內突然下降，根據考察孔在瓦斯抽放鉆孔聯網前后瓦斯流量的變化情況來確定預抽瓦斯鉆孔的抽采影響半徑。

3.1 封孔工藝

各鉆孔施工結束后，鉆機空轉3～5 min，將孔內的積水和煤屑排出，保證封孔管能夠順利送入鉆孔內。每個鉆孔在施工結束后，將兩個囊袋用扎帶固定在封孔管上。根據封孔長度要求，提前截取好相應長度的注漿管，把封孔管上固定好的囊袋，使用快速接頭連接在一起。截取一段注漿管，一端固定在第一根（外端口）封孔管上，另一頭固定在第二根（里端口）封孔管上，注漿管長度略短，保證注漿管里端頭位于里段封孔囊袋向外0.5～1.0 m 位置，將注漿管同時固定在封孔管上。封孔時，將提前固定好的封孔管和囊袋迅速穿入鉆孔，然后將注漿管固定在封孔管上一起穿入鉆孔，最后將第二根固定有封孔囊袋的封孔管送入鉆孔，并保證外段囊袋距孔口距離為2～3 m，保證封孔長度不少于15 m。孔口外端固定1～2 袋封孔，對鉆孔孔口段進行初封。注漿管外露長度0.5 m 左右。鉆孔初封好后，安排專人進行注漿。鉆孔注漿使用的是KFQFK-IV 型氣動自動瓦斯封孔泵，注漿壓力保持在0.8 MPa 以上并穩定1～2 min 即可達到要求。封孔要保證嚴密，不漏氣[8-9]。

3.2 測試步驟

1）按照鉆孔設計參數，在煤層中依次布置7個考察孔，分別標號1～7，此外增設8 號抽采孔，鉆孔直徑為0.094 m，打鉆設計孔深為50 m。

2）1 號～7 號考察孔施工完畢后，清除鉆孔內煤屑和積水，并退出全部鉆桿。

3）施工完每個鉆孔后馬上按照“兩堵一注”的封孔工藝進行封孔，封孔深度不少于15 m。

4）待1 號～7 號考察孔施工完畢后，鉆取8 號抽采孔。抽采孔的封孔工藝嚴格執行“兩堵一注”，進行接抽，抽采孔設計負壓抽采（抽采負壓不小于20 kPa）。

5）每天測定1 號～7 號鉆孔單孔瓦斯流量（L/min），記錄1～7 號考察孔的瓦斯流量，并繪制出隨時間的變化曲線。

6）根據上述瓦斯流量隨時間的變化曲線進行分析，在某段抽采時間內，當1 號～7 號某個考察孔流量突然減小，進而偏離抽采鉆孔瓦斯流量自然衰減曲線，即可確定該孔正處于抽采孔的影響半徑內，同時處于該條件下、距抽采孔距離最遠的考察孔，該孔與抽采孔的距離就是該預抽時間下抽采孔的影響半徑。

3.3 鉆孔施工參數

煤層賦存比較穩定，頂、底板條件較好，無裂隙發育的未采區域選作布孔地點。經現場考察，在趙莊二號井2311 軌道回風槽距工作面100 m 處，煤層賦存穩定，可以滿足瓦斯抽采影響半徑的地質條件。在2311 軌道回風槽距工作面100 m 處共布置有8 個孔，其中7 個考察孔和1 個抽采孔，具體標號是1 號～7 號鉆孔為設計中的考察孔，8 號鉆孔為設計中的抽采孔。考察孔和抽采孔具體的布置位置及各個孔的間距如圖2。8 個鉆孔垂直煤壁進行打鉆。考察及抽采孔封孔方式及相關具體要求同3.2，具體參數見表3。

圖2 預抽鉆孔抽采半徑測定鉆孔布置圖（m）

表3 考察孔和抽采孔實際布置參數

4 測試結果及分析

對各考察孔的瓦斯流量測定結果進行統計分析，各考察孔在8 號孔開始抽采后的瓦斯流量變化曲線如圖3。

圖3 各考察孔瓦斯抽采流量變化曲線圖

由圖3 可以看出：

1）1 號和2 號考察鉆孔在測定過程中，瓦斯抽采流量雖然有起伏，但是考察期內沒有大幅度的下降變化，無明顯的衰減擬合曲線偏離，總體上符合正常衰減的趨勢情況；3 號考察孔在測定過程中，瓦斯流量在抽采后第34 天發生了大幅下降，之后逐漸衰減至0；4 號考察孔瓦斯流量在抽采后第10天發生了大幅度的下降，之后逐漸衰減至0；5 號考察孔瓦斯流量在抽采后第7 天發生了大幅度的下降，之后逐漸衰減至0；6 號考察孔瓦斯流量在抽采后第17 天發生了大幅度的下降，之后逐漸衰減至0；7 號考察孔瓦斯流量在抽采后第56 天發生了大幅度的下降，之后逐漸衰減至0。

2）從圖3 還可發現，除1 號和2 號考察孔外，其他考察孔瓦斯流量發生大幅下降后，其流量測值均偏離了原有鉆孔自然排放擬合曲線。

通過分析可知，趙莊二號井3 號煤層在Φ94 mm 順層抽采鉆孔、抽采負壓為36 kPa 條件下，抽采7 d 時其抽采影響半徑為1.0 m，抽采10 d 時其抽采影響半徑為1.5 m，抽采17 d 時其抽采影響半徑為2.0 m，抽采34 d 時其抽采影響半徑為2.5 m，抽采56 d 時其抽采影響半徑為3.5 m。抽采鉆孔影響半徑與抽采時間的關系見表4。隨著抽采時間的延長，抽采影響半徑將會增加。

表4 抽采鉆孔影響半徑與抽采時間的關系

現場實測的抽采孔抽采影響半徑和抽采時間的一一對應數據如表4 所示。對表中數據進行回歸分析，擬合抽采鉆孔抽采影響半徑r與抽采時間t數據，得出二者關系如圖4，其相關系數R2=0.989 9。

圖4 抽采影響半徑與時間的擬合曲線圖

式中：r為抽采影響半徑，m；t為抽采時間，d。

根據上述預抽鉆孔的影響半徑和時間之間的數學關系，能夠計算出不同預抽時間下抽采孔的抽采影響半徑，具體計算結果見表5。其中可以看出，在抽采90 d 后，抽采影響半徑增加趨勢逐漸減弱，抽采影響半徑變化趨于穩定。按照預抽時間不少于90 d，抽采影響半徑3.45 m左右，考慮工程施工便利，確定趙莊二號井本煤層預抽鉆孔抽采影響半徑3.00 m，可做為鉆孔布置設計依據。

表5 順層預抽鉆孔抽采影響半徑計算表

5 結論

1）順層鉆孔的抽采半徑測定方法有很多，本文根據現場的實際情況布置考察孔與抽采孔，采用流量法對趙莊二號井預抽瓦斯的瓦斯抽采影響半徑進行測試，并對數據進行分析和研究，得出了瓦斯抽采時預抽時間不少于90 d，確定了趙莊二號井本煤層預抽鉆孔的抽采影響半徑為3.00 m，為礦井瓦斯治理及抽采鉆孔設計提供理論依據。

2）本文現場試驗地點為趙莊二號井2311 軌道回風順槽距離工作面100 m 處，建議當在煤層或瓦斯賦存條件有較大變化時、地質構造較大時，及時測定瓦斯抽采半徑、煤層的原始瓦斯含量、煤的堅固性與透氣性系數等相關參數，以此來保障礦井的安全生產。