平舒礦順層預(yù)抽鉆孔瓦斯抽采半徑考察及主要影響因素分析

王亞洲 孫 銳

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶市沙坪壩區(qū)，400037； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區(qū)，400037)

礦井開采條件日益復(fù)雜，瓦斯災(zāi)害成為制約礦井安全生產(chǎn)主要因素，預(yù)抽煤層瓦斯成為礦井治理瓦斯災(zāi)害普遍采用的措施。確定預(yù)抽鉆孔合理抽采半徑是保障煤層瓦斯抽采效果的關(guān)鍵，鉆孔間距布置過大，雖節(jié)約了工程量，但煤層瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時間較長，影響礦井采掘接替緊張；鉆孔間距布置過小，不但增加了鉆孔工程量，而且容易導(dǎo)致串孔，使抽采效率低下。因此，本文根據(jù)平舒礦15#煤層實際情況，通過考察研究，確定合理的預(yù)抽鉆孔抽采半徑，指導(dǎo)礦井抽采工程科學(xué)實施。

1 工程背景

平舒礦隸屬于陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，15#煤層位于石炭系上統(tǒng)太原組下部，煤層厚度變化較大，厚1.35～7.15 m，平均厚度3.97 m，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不含或含1～4層夾矸，夾矸厚0.08～1.35 m。井田內(nèi)煤層厚度由東往西逐漸變薄。15#煤層屬全區(qū)穩(wěn)定可采、但瓦斯較難抽采煤層。15111工作面開采15#煤層，工作面傾向長度200 m，走向長度約1200 m。

2 抽采半徑考察研究

2.1 抽采半徑試驗鉆孔設(shè)計及施工

試驗選定在15111工作面進(jìn)風(fēng)巷14～16橫貫(長度為98 m)開展15#煤層順層鉆孔瓦斯抽采半徑考察工作，考察半徑分別為0.75 m、1.25 m和1.5 m，即鉆孔間距分別為1.5 m、2.5 m、3 m。每組考察鉆孔按單排15個鉆孔布置，封孔長度為8 m，鉆孔直徑為113 mm，試驗鉆孔竣工圖見圖1。

圖1 15111工作面進(jìn)風(fēng)巷抽采半徑考察試驗鉆孔成孔圖

2.2 試驗鉆孔接抽及觀測

試驗鉆孔施工完畢后立即封孔，采用“兩堵一注”封孔工藝，封孔材料為專用注漿材料，封孔長度為8 m。把每組試驗鉆孔接入抽采系統(tǒng)進(jìn)行抽采，并在每組鉆孔中安裝一套放水器、導(dǎo)流管附屬裝置。

流量監(jiān)測裝置安裝完成后，技術(shù)人員每3 d測定1次抽采參數(shù)，包括抽采負(fù)壓、壓差、濃度。抽采半徑考察期間試驗鉆孔抽采負(fù)壓約為10.0～13.0 kPa，此次試驗共監(jiān)測80 d的抽采數(shù)據(jù)，共監(jiān)測到25組考察數(shù)據(jù)。通過收集的監(jiān)測數(shù)據(jù)對試驗鉆孔瓦斯抽采半徑進(jìn)行分析考察。

2.3 試驗鉆孔覆蓋范圍內(nèi)瓦斯儲量及達(dá)標(biāo)抽采量

試驗區(qū)域煤層原始瓦斯含量實測值為15.6 m3/t，根據(jù)每組試驗鉆孔有效覆蓋面積計算該面積內(nèi)的瓦斯儲量。根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》要求，煤層瓦斯經(jīng)抽采后必須將瓦斯含量降至8 m3/t以下抽采工程方可達(dá)標(biāo)。因此，瓦斯抽采達(dá)標(biāo)需要抽采的瓦斯量為煤層瓦斯儲量與煤層瓦斯抽采達(dá)標(biāo)后殘余瓦斯量之差。

根據(jù)3組試驗鉆孔實際施工參數(shù)可知，3 m試驗鉆孔有效覆蓋面積為3810 m2，2.5 m試驗鉆孔有效覆蓋面積為3485 m2，1.5 m試驗鉆孔有效覆蓋面積為2262 m2。3組試驗鉆孔覆蓋面積內(nèi)瓦斯抽采達(dá)標(biāo)需要抽采的瓦斯量Qdc按下式計算：

Qdc=(W0-Wy)×M0×γ×S

(1)

式中：Qdc——煤層瓦斯抽采達(dá)標(biāo)需要完成的抽采量，m3；

W0——煤層原始瓦斯含量，實測試驗區(qū)域工作面的原始瓦斯含量為15.6 m3/t；

Wy——抽采達(dá)標(biāo)對應(yīng)的煤層殘余瓦斯含量，根據(jù)防突規(guī)定殘余瓦斯含量取值為8 m3/t；

S——每組試驗鉆孔有效覆蓋面積，m2；

M0——平均煤厚，工作面試驗區(qū)域煤層厚度為4.2 m；

γ——煤體容重，取1.43 t/m3。

經(jīng)計算，3 m、2.5 m和1.5 m試驗鉆孔有效覆蓋面積內(nèi)瓦斯抽采達(dá)標(biāo)需要抽采的瓦斯量分別為173909 m3、159075 m3和103250 m3。

2.4 抽采半徑考察分析

2.4.1各組不同間距試驗鉆孔單日瓦斯抽采量隨抽采時間的變化規(guī)律

根據(jù)監(jiān)測的試驗鉆孔瓦斯抽采參數(shù)，計算每組鉆孔單日瓦斯平均抽采量qct，并結(jié)合鉆孔平均抽采時間t形成測定數(shù)組(t，qct)。對監(jiān)測的數(shù)組進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出每組鉆孔單日瓦斯平均抽采量與抽采時間的關(guān)系。

各組試驗鉆孔抽采特征曲線如圖2所示。

通過對上述曲線擬合，得出不同間距試驗鉆孔單日瓦斯抽采量與抽采時間的關(guān)系：

1.5 m組：qct=1942.6×e-0.018t

2.5 m組：qct=2055.3×e-0.012t

3 m組：qct=1892.5×e-0.010t

由圖1可知，1.5 m、2.5 m組鉆孔竣工長度基本接近鉆孔設(shè)計長度，3 m組鉆孔由于鉆孔見巖等原因?qū)е裸@孔施工長度與設(shè)計長度存在差距。因此，1.5 m、2.5 m組鉆孔初始單日瓦斯抽采量比3 m組鉆孔的較大。

圖2 不同間距試驗鉆孔單日瓦斯抽采量與抽采時間關(guān)系圖

不同間距試驗預(yù)抽鉆孔具有不同的瓦斯流量衰減系數(shù)和初始瓦斯抽采量，試驗結(jié)果表明：鉆孔間距越大，瓦斯流量衰減系數(shù)就越小，表示衰減的越慢。反之，鉆孔間距越小，瓦斯流量衰減系數(shù)就越大，表示衰減的越快。鉆孔間距為1.5～3 m時，其衰減系數(shù)在0.01～0.018 d-1之間。

2.4.2各組不同間距試驗鉆孔瓦斯抽采量與抽采時間關(guān)系

對每組試驗鉆孔單日瓦斯抽采量在抽采時間上積分可以得到不同抽采時間內(nèi)的抽采總量：

Qct=Qcj(1-e-βt)

(2)

式中：Qct——時間t內(nèi)鉆孔瓦斯抽采總量，m3；

Qcj——t→∞時鉆孔極限瓦斯抽采量，m3。

經(jīng)積分計算，得出各組試驗鉆孔瓦斯抽采量與抽采時間的關(guān)系如下：

1.5 m組：Qct=107922×(1-e-0.018t)

2.5 m組：Qct=171275×(1-e-0.012t)

3 m組：Qct=189250×(1-e-0.010t)

據(jù)此可分析得出：1.5 m組、2.5 m組和3 m組鉆孔的極限瓦斯抽采量分別為107922 m3、171275 m3和189250 m3。預(yù)抽鉆孔間距越大，其極限瓦斯抽采量越大。

2.4.3各組不同間距試驗鉆孔瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時間分析

(1)當(dāng)試驗預(yù)抽鉆孔瓦斯抽采量Qct達(dá)到抽采達(dá)標(biāo)需要預(yù)抽的瓦斯抽采量Qdc時，則鉆孔有效覆蓋面積內(nèi)煤層瓦斯抽采達(dá)標(biāo)，即Qct≥Qdc。

各組試驗預(yù)抽鉆孔抽采達(dá)標(biāo)的條件為：

1.5 m組：Qct≥103250 m3

2.5 m組：Qct≥159075 m3

3 m組：Qct≥173909 m3

經(jīng)計算，得出1.5 m組、2.5 m組和3 m組試驗預(yù)抽鉆孔有效覆蓋面積內(nèi)煤層瓦斯抽采達(dá)標(biāo)所需要的抽采時間為175 d、221 d和252 d。

2.4.4 試驗鉆孔預(yù)抽效果檢驗

對預(yù)抽鉆孔抽采參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，根據(jù)試驗鉆孔有效覆蓋范圍內(nèi)瓦斯儲量、瓦斯抽采量初步判定試驗區(qū)域煤層瓦斯預(yù)抽達(dá)標(biāo)后，需對瓦斯預(yù)抽效果進(jìn)行檢驗。檢驗指標(biāo)為煤層殘余瓦斯含量，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》(GB/T23250-2009)。

在3組不同間距試驗鉆孔施工區(qū)域各均勻布置3個效果檢驗鉆孔，效果檢驗鉆孔位于相鄰預(yù)抽鉆孔中部，每個鉆孔測定1組殘余瓦斯含量。

3組試驗區(qū)域煤層殘余瓦斯含量測定結(jié)果為6.82～7.65 m3/t，小于效果檢驗指標(biāo)臨界值8 m3/t，驗證了1.5 m、2.5 m、3 m組預(yù)抽鉆孔分別預(yù)抽175 d、221 d、252 d后，消除了煤層煤與瓦斯突出危險性，預(yù)抽措施有效，滿足了礦井防突要求。

2.4.5抽采鉆孔的布置間距與抽采達(dá)標(biāo)所需時間關(guān)系

為了更好地指導(dǎo)礦井實際生產(chǎn)工作，依據(jù)現(xiàn)有的考察數(shù)據(jù)確定瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時，抽采鉆孔的布置間距與抽采達(dá)標(biāo)所需時間之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 預(yù)抽鉆孔間距與抽采達(dá)標(biāo)時間的關(guān)系曲線

由各組試驗鉆孔抽采達(dá)標(biāo)時間關(guān)系可以得出平舒煤礦相似煤層瓦斯地質(zhì)單元內(nèi)抽采鉆孔間距與抽采達(dá)標(biāo)時間的關(guān)系：

T=10.67r2+3.33r+146

(3)

式中：T——鉆孔抽采達(dá)標(biāo)所需時間，d；

r——預(yù)抽鉆孔間距，m。

3 結(jié)論

3.1 考察結(jié)論

(1)根據(jù)3組試驗鉆孔實際施工參數(shù)得知，3 m、2.5 m和1.5 m試驗鉆孔有效覆蓋面積分別為3810 m2、3485 m2和2262 m2。3 m、2.5 m和1.5 m試驗鉆孔有效覆蓋面積內(nèi)瓦斯抽采達(dá)標(biāo)需要抽采的瓦斯量分別為173909 m3、159075 m3和103250 m3。

(2)得出不同間距試驗鉆孔單日瓦斯抽采量與抽采時間的關(guān)系。不同間距組試驗預(yù)抽鉆孔具有不同的瓦斯流量衰減系數(shù)和初始瓦斯抽采量，鉆孔間距越大，瓦斯流量衰減系數(shù)就越小，表示衰減的越慢；反之，鉆孔間距越小，瓦斯流量衰減系數(shù)就越大，表示衰減的越快。鉆孔間距為1.5～3 m時，其衰減系數(shù)在0.01～0.018 d-1之間。

(3)得出1.5 m、2.5 m和3 m組試驗預(yù)抽鉆孔有效覆蓋面積內(nèi)煤層瓦斯抽采達(dá)標(biāo)所需要的抽采時間分別為175 d、221 d和252 d。

抽采半徑考察期間試驗鉆孔抽采負(fù)壓約為10.0～13.0 kPa。為了保障煤層瓦斯預(yù)抽效果，平舒煤礦各抽采支管孔口負(fù)壓應(yīng)不低于13 kPa。

3.2 抽采半徑主要影響因素分析

抽采半徑合理確定由鉆孔瓦斯抽采效果及煤層瓦斯儲量兩個方面共同決定，即主要取決于煤層厚度、瓦斯含量、接抽工藝、抽采負(fù)壓等指標(biāo)。其中，抽采負(fù)壓及接抽工藝指標(biāo)相對穩(wěn)定，在各工作面變化不大；煤層厚度、瓦斯含量指標(biāo)決定了煤層瓦斯儲量，對瓦斯抽采效果產(chǎn)生一定的影響，因此，該抽采半徑考察結(jié)論適用于平舒煤礦15#煤層賦存、瓦斯地質(zhì)相似的區(qū)域，對于差異較大的煤層賦存、瓦斯地質(zhì)單元區(qū)域應(yīng)參考本次預(yù)抽鉆孔抽采半徑考察結(jié)論作相應(yīng)的調(diào)整，更有針對性地指導(dǎo)礦井瓦斯抽采工程。