李村煤礦順層鉆孔有效抽采半徑的測定

王永升

(河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

開采保護層與預(yù)抽煤層瓦斯是《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中最主要的區(qū)域防突措施［1］，但是隨著大多數(shù)礦井開采深度增加，有些礦井的保護層開采難度增大或轉(zhuǎn)變?yōu)椴痪哂虚_采保護層條件的煤層，預(yù)抽煤層瓦斯現(xiàn)已成為許多礦井治理煤層瓦斯的主要技術(shù)措施。抽采鉆孔間距是布置預(yù)抽鉆孔的主要參數(shù)，鉆孔間距過大會使預(yù)抽段留有抽采空白帶，對煤礦安全生產(chǎn)造成威脅;鉆孔間距過小施工時容易發(fā)生串孔并且增加抽采鉆孔施工數(shù)量及煤炭開采成本，加劇工作面接替緊張的局面。為了實現(xiàn)抽采鉆孔設(shè)計和施工的合理性，提高抽采鉆孔的利用率，準確地測定抽采鉆孔有效抽采半徑對煤礦瓦斯治理與利用具有十分重要的意義。

1 鉆孔有效抽采半徑測定方法

1.1 鉆孔有效抽采半徑定義

煤層內(nèi)瓦斯主要以吸附態(tài)和游離態(tài)存在，游離態(tài)瓦斯僅占5% ～12%，煤層不受采動影響時兩種狀態(tài)瓦斯處于動態(tài)平衡，當煤層受采動影響或者抽采時吸附態(tài)可以轉(zhuǎn)化為游離態(tài)瓦斯［2］. 抽采鉆孔在抽放煤層瓦斯時，在抽采鉆孔負壓和煤層原始瓦斯壓力的作用下，鉆孔影響半徑范圍內(nèi)游離態(tài)瓦斯在壓力差的作用下沿煤體的裂隙通道運移至抽采鉆孔，并經(jīng)抽采管路排出;煤體內(nèi)吸附態(tài)瓦斯開始解吸，一部分吸附態(tài)瓦斯轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)瓦斯，也通過抽采管路排出。抽采鉆孔一定影響范圍內(nèi)煤層的瓦斯解吸與排放使煤體瓦斯含量降低、瓦斯壓力下降，從而形成一個以抽采鉆孔為中心的類似圓形的抽放影響圈，隨著鉆孔抽采時間的延長，抽采影響圈也在增大，直到當煤層瓦斯壓力與抽放負壓的動力不能克服煤層瓦斯運移到抽采鉆孔阻力時為止。鉆孔有效抽采半徑就是指在規(guī)定抽采時間內(nèi)以抽采鉆孔為圓心，該半徑范圍內(nèi)的瓦斯壓力與瓦斯含量降低到安全容許值的半徑值［3］.

1.2 鉆孔有效抽采半徑的測定方法

現(xiàn)場鉆孔測定法與計算機模擬法是目前應(yīng)用最多的鉆孔瓦斯抽采半徑的測定方法。

現(xiàn)場鉆孔測定法:在測定區(qū)域煤層施工一定數(shù)量的測定鉆孔，通過考察距離抽采鉆孔不同范圍的特定參數(shù)的數(shù)值變化來確定有效抽采半徑?？筛鶕?jù)不同的地質(zhì)條件選擇不同的測定參數(shù)，常用的測定參數(shù)有煤層瓦斯壓力、鉆孔瓦斯流量、惰性氣體SF6濃度等。趙楠，季淮君等采用了壓降法對蘆嶺煤礦8 號煤層瓦斯抽采半徑進行試驗研究［4］.辛明利用SF6示蹤氣體測定技術(shù)對朱集煤礦瓦斯抽采半徑進行了現(xiàn)場測定，并得出該礦井鉆孔瓦斯抽采半徑可達5 m［5］.

計算機模擬法:以達西定律為基礎(chǔ)，建立鉆孔內(nèi)瓦斯流動模型來模擬抽采鉆孔周圍瓦斯流動情況，并編制解算程序，可計算出一定抽采時間時對應(yīng)的有效抽采半徑。王兆豐，周少華等提出了利用變系數(shù)非線性瓦斯?jié)B流方程測定瓦斯抽采半徑的方法，結(jié)果表明此方法可計算出不同抽采方式和不同抽采時間情況下的抽采半徑［6］.

1.3 測定方法的選擇

現(xiàn)場鉆孔測定法能準確反映測定區(qū)域鉆孔有效抽采半徑，但是現(xiàn)場施工難度較大，測定結(jié)果容易受施工人員的操作失誤影響;現(xiàn)場實測的結(jié)論僅適用于測定區(qū)域煤層，不能用于不同條件的瓦斯地質(zhì)區(qū)域，成本較高。

計算機模擬法能模擬瓦斯抽采過程中不同抽采時間、煤層滲透率、抽采負壓、原始煤層瓦斯壓力及鉆孔直徑的抽采半徑的變化，可根據(jù)不同煤層地質(zhì)條件更改模型參數(shù)，適用性強。但是模擬時將模型理想化，未考慮含瓦斯煤的流變特性，邊界條件和參數(shù)的設(shè)置不夠精確，可能沒有考慮其他外界因素的影響，模擬出的抽采半徑與實際情況有偏差［7］.

經(jīng)比較分析，此次有效抽采半徑測定選擇現(xiàn)場測定法并選取壓力降低指標作為考察參數(shù)，該方法能夠把抽放負壓、抽放半徑、抽放時間等參數(shù)緊密結(jié)合起來，實用性強，不易受外界因素影響。

1.4 壓力降低指標的選取

2 現(xiàn)場測定有效抽采半徑

2.1 測定工作面概況

測定地點位于潞安集團李村煤礦1303 進風(fēng)巷，測點煤層頂板為深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，底板為黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖，深灰色粉砂巖，煤層平均厚4.76 m.煤層層位穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，厚度變異系數(shù)為0.24，可采系數(shù)為100%，屬穩(wěn)定的可采煤層，煤層呈一單斜構(gòu)造，傾角一般3° ～8°，為近水平煤層。測點區(qū)域?qū)崪y煤層瓦斯壓力為0.62 MPa，實測最大煤層瓦斯含量最大值為10.96 m3/t，煤體普氏系數(shù)f 值為0.74，瓦斯放散初速度ΔP 為14. 煤塵有爆炸危險性，煤層屬于不易自燃煤層，該區(qū)域為地溫正常區(qū)。

2.2 測定鉆孔布置

測定鉆孔的布置方法分為平行鉆孔布置和圓周鉆孔布置法，依據(jù)測定地點地質(zhì)條件本次測定選擇平行鉆孔的測定方法。共設(shè)計施工7 個測定鉆孔，一個抽采瓦斯鉆孔B0，6 個壓力觀測鉆孔B1 ～B6，6 個測壓鉆孔距離抽采鉆孔分別為1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m.鉆孔均位于同一水平面上，距煤層底板高度均為1.4 m，鉆孔方位為垂直煤壁。有效抽采半徑測定鉆孔施工參數(shù)見表1，鉆孔布置方式見圖1.

表1 鉆孔施工參數(shù)表

圖1 測定鉆孔布置示意圖

2.3 測定鉆孔施工順序

1)首先施工壓力觀測鉆孔B1 ～B6，嚴格按照鉆孔設(shè)計參數(shù)施工，并保證各個鉆孔平直、孔形完整、方位角相同、鉆孔深度達到要求。

2)施工完1 個壓力觀測鉆孔后，立即進行封孔，此次測定采用膨脹水泥和聚氨酯綜合封孔工藝，封孔深度30 m，封孔24 h 后安裝量程為1.0 MPa 抗震壓力表并每天觀測壓力表讀數(shù)，封孔1 個后再施工下一個鉆孔，要保證每一個鉆孔的封孔質(zhì)量。

3)每天觀測6 個壓力觀測鉆孔壓力表讀數(shù)并記錄直到壓力表讀數(shù)均穩(wěn)定，并將每個壓力表讀數(shù)穩(wěn)定時的壓力值作為其鉆孔的原始瓦斯壓力值，壓力值穩(wěn)定一般需要15 ～20 天。

4)施工瓦斯抽采鉆孔B0，施工完畢立即進行封孔并接入抽采管路進行24 h 不間斷抽采，抽采期間每天相同時間觀測各個壓力表數(shù)值并記錄，連續(xù)觀測60 天，并繪制每個鉆孔瓦斯壓力變化曲線圖。

3 測定結(jié)果與分析

在抽采負壓為17 kPa 的抽采參數(shù)下，連續(xù)觀測并記錄每個壓力觀測鉆孔每天壓力值數(shù)據(jù)，現(xiàn)將觀測鉆孔壓力值變化情況繪制成曲線并分析，壓力值變化曲線見圖2，鉆孔壓力下降幅度見表2.

圖2 壓力觀測鉆孔壓力值變化曲線圖

表2 壓力觀測鉆孔壓力下降幅度表

由圖2、表2 可以看出:

1)B1 觀測鉆孔距離抽采鉆孔B0 孔1 m，瓦斯壓力在抽采第33 天由0.58 MPa 下降至0.28 MPa，下降了52%，說明在抽采33 天的情況下，鉆孔的有效抽采半徑達到1 m.

2)B2 觀測鉆孔距離抽采孔B0 孔1.5 m，抽采58 天后瓦斯壓力由0.34 MPa 下降至0.16 MPa，下降了52%.說明在抽采58 天的情況下，鉆孔的有效抽采半徑未達到1.5 m;B3、B4、B5、B6 觀測鉆孔距離抽采孔B0 孔分別為2 m、2.5 m、3 m、3.5 m，瓦斯壓力值在抽采第60 天分別下降了37%、36%、13%、12%，均未達到51%，說明在抽采60 天的情況下，鉆孔的有效抽采半徑未達到2 m.

3)觀測鉆孔壓力值呈整體下降趨勢，距離抽采孔較近的鉆孔下降幅度明顯比距離較遠鉆孔大;隨著抽采時間的延長抽采鉆孔影響范圍越大，但是隨著抽采時間的延長壓力下降的幅度變小。

4)由圖2 可觀察出抽采40 d 后各曲線下降幅度均明顯變小，瓦斯抽采效果已不理想，此時可考慮實施煤層增透措施，增加煤層透氣性，強化瓦斯抽采效果。

4 結(jié) 語

1)通過運用現(xiàn)場鉆孔測定方法以壓力降低值作為考察指標，測定李村煤礦試驗區(qū)域煤層在17 kPa抽采負壓下，抽采時間為33 天時直徑113 mm 抽采鉆孔有效抽采半徑為1 m，抽采時間為58 天時有效抽采半徑為1.5 m，對煤礦抽采鉆孔的參數(shù)設(shè)計與優(yōu)化有一定指導(dǎo)意義。

2)由于抽采鉆孔瓦斯衰減較快，鉆孔瓦斯抽采40 天后濃度下降到10%左右，此時有效抽采半徑受抽采時間影響較小，可實施煤層增透措施增加煤層透氣性，強化瓦斯抽采效果。

3)鉆孔有效抽采半徑的大小與煤層原始瓦斯壓力、瓦斯含量、滲透率、抽采時間和抽采鉆孔半徑等因素有關(guān)，當煤層地質(zhì)條件或者礦井抽采條件發(fā)生變化時應(yīng)重新測定抽采半徑，以便更好地指導(dǎo)煤礦瓦斯治理與利用。

［1］ 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.防治煤與瓦斯突出規(guī)定［S］.2009 -04 -30.

［2］ 俞啟香.礦井瓦斯防治［M］.中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1992:11 -12.

［3］ 王兆豐，周少華，李志強.瓦斯抽采鉆孔有效抽采半徑的數(shù)值計算方法［J］.煤炭工程，2011(6):82 -84.

［4］ 趙 楠，季淮君，李雨佳.關(guān)于測定煤層瓦斯抽放影響半徑的試驗研究［J］.江西煤炭科技，2011(3):13 -15.

［5］ 辛 明.利用SF6 示蹤技術(shù)測試煤層瓦斯抽采半徑［J］.安徽理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012，32(1):64 -66.

［6］ 王兆豐，周少華，李志強.瓦斯抽采鉆孔有效抽采半徑的數(shù)值計算方法［J］.煤炭工程，2011(6):82 -84.

［7］ 郝富昌，劉明舉，孫麗娟.瓦斯抽采半徑確定方法的比較及存在問題研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，40(12):55 -58.