基于臨界殘余瓦斯含量的抽采半徑確定方法

劉 興

(陽泉市上社煤炭有限責(zé)任公司，山西市陽泉市，045200)

預(yù)抽煤層瓦斯和開采保護(hù)層是區(qū)域防突措施兩種方式，到目前為止，開采保護(hù)層是更有效的區(qū)域防突措施，然而并不是所有的突出煤層都具有開采保護(hù)層的條件。在沒有保護(hù)層開采條件的突出煤層，預(yù)抽煤層瓦斯是防治煤與瓦斯突出的一種優(yōu)選方式。

瓦斯抽采半徑作為預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施關(guān)鍵參數(shù)之一，直接影響到了預(yù)抽鉆孔的布孔間距，在預(yù)抽時(shí)間一定的條件下，抽采半徑大的突出煤層，鉆孔間距就大；反之，間距就小。抽采半徑和抽采鉆孔間距直接關(guān)系到抽采鉆孔工程量、防突效果和經(jīng)濟(jì)成本。因此，對(duì)突出礦井而言，確定科學(xué)、合理的瓦斯抽采半徑具有重要的意義。

1 抽采半徑確定原則

抽采半徑的考察確定方法主要有鉆孔瓦斯流量法、瓦斯含量降低法、瓦斯壓力降低法和數(shù)據(jù)模擬法4種。

抽采半徑是指采取預(yù)抽煤層瓦斯防突措施后在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，煤層中發(fā)生突出的因素值降低到臨界數(shù)值以下的范圍。也就是說，煤層瓦斯經(jīng)過按抽采半徑設(shè)計(jì)的鉆孔預(yù)抽一定時(shí)間后，以抽采鉆孔為中心，以鉆孔間距的二分之一(抽采半徑)為半徑的區(qū)域內(nèi)煤層的殘余瓦斯壓力降到0.74 MPa或殘余瓦斯含量降到8 m3/t以下。

對(duì)同一地質(zhì)條件下同一煤層而言，抽采半徑和抽采時(shí)間是一一對(duì)應(yīng)的兩組數(shù)據(jù)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)考察出的數(shù)據(jù)擬合成抽采半徑和抽采時(shí)間的函數(shù)關(guān)系式，然后根據(jù)函數(shù)關(guān)系式并結(jié)合礦井實(shí)際抽采時(shí)間計(jì)算出需要的抽采半徑。以兩倍的抽采半徑的數(shù)值作為抽采鉆孔的間距施工抽采鉆孔，通過殘余瓦斯含量以及回采期間的工作面預(yù)測(cè)的方式檢驗(yàn)抽采半徑的合理性。

考慮到瓦斯壓力測(cè)定比較復(fù)雜，且易受地質(zhì)構(gòu)造、封孔質(zhì)量等因素影響，本文選取瓦斯含量降低法進(jìn)行抽采半徑考察。

2 現(xiàn)場(chǎng)考察

2.1 工作面概況

上社煤礦位于山西省陽泉市盂縣境內(nèi)，隸屬于晉能集團(tuán)。礦井井田面積12.464 km2，屬煤與瓦斯突出礦井, 設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為240 萬t/a 。主要開采9#和15#煤層，其中15#煤層是突出煤層。試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在15104工作面，其上部15103工作面已采，下部為15105工作面未采。15#煤層傾角3°～5°，煤層厚度5.4 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，瓦斯含量為12.91 m3/t。15104工作面走向長度960 m，傾斜長度200 m，綜合機(jī)械化采煤，一次采全高。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)考察實(shí)施方案

在15104進(jìn)風(fēng)巷選取煤層賦存較穩(wěn)定的區(qū)域施工5組鉆孔，編號(hào)為1組、2組、3組、4組、5組，每組施工10個(gè)鉆孔，鉆孔長度為110 m，孔徑110 mm，為保證每組鉆孔的測(cè)定數(shù)據(jù)獨(dú)立、可靠，每相鄰兩組鉆孔孔間距為50 m。1～5組組內(nèi)鉆孔的間距分別是2 m、3 m、4 m、5 m、6 m，對(duì)應(yīng)的抽采半徑分別是1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m。根據(jù)上社煤礦的經(jīng)驗(yàn)，其巷道瓦斯預(yù)排等值寬度為15 m，因此，為保證抽采效果，封孔長度為16 m，采用兩堵一注封孔方式，抽采半徑考察鉆孔布置如圖1所示。抽采鉆孔施工時(shí)，每30 m測(cè)定1次瓦斯含量，選取最大的含量值作為組內(nèi)瓦斯含量，記錄如表1所示。

圖1 抽采半徑考察鉆孔布置示意圖

組別孔號(hào)鉆孔間距/m抽采半徑/m鉆孔傾角/(°)鉆孔長度/m原始瓦斯含量/m3·t-111-1021411010.98211-2031.5411012.15321-3042411011.34431-4052.5411012.30541-5063411011.56

3 抽采半徑確定及驗(yàn)證

3.1 抽采半徑確定

抽采一定時(shí)間后，首先根據(jù)瓦斯抽采量計(jì)算殘余瓦斯含量：

(1)

式中：WCY——煤的殘余瓦斯含量，m3/t；

W0——煤的原始瓦斯含量，m3/t；

Q——評(píng)價(jià)單元鉆孔預(yù)抽排放瓦斯總量，m3；

G——評(píng)價(jià)單元參與計(jì)算煤量，t。

經(jīng)計(jì)算，殘余瓦斯含量降到8 m3/t以下后，再分別采用瓦斯含量直接測(cè)定方法測(cè)定殘余瓦斯含量進(jìn)行預(yù)抽防突效果檢驗(yàn)，1～4組鉆孔范圍內(nèi)分別施工2個(gè)測(cè)試鉆孔，在第5組施工3個(gè)測(cè)試鉆孔，孔深80 m，每個(gè)測(cè)試孔測(cè)定瓦斯含量4次，同一孔中選取最大的含量數(shù)據(jù)作為該孔的瓦斯含量，每組選取組內(nèi)所有孔的最大瓦斯含量作為該組的瓦斯含量(如果實(shí)測(cè)的瓦斯含量仍大于8 m3/t，繼續(xù)抽采直到實(shí)測(cè)的殘余瓦斯含量降至8 m3/t以下)，得到一定抽采時(shí)間后對(duì)應(yīng)的殘余瓦斯含量情況如表2所示。

表2 抽采一定時(shí)間后殘余瓦斯含量測(cè)定結(jié)果

由表2可以看出，1～5組分別經(jīng)過16 d、41 d、89 d、179 d、378 d抽采后，瓦斯含量降為7.12 m3/t、7.58 m3/t、7.69 m3/t、7.84 m3/t、7.93 m3/t，均小于8 m3/t，抽采半徑分別達(dá)到1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m。

根據(jù)表2繪制出抽采半徑R與預(yù)抽時(shí)間t關(guān)系曲線，如圖2所示。由圖2可知，上社煤礦15#煤層抽采半徑R與抽采時(shí)間t之間符合對(duì)數(shù)關(guān)系，關(guān)系表達(dá)式為：

F(R，t)= 0.6391×lnt-0.8243

(2)

3.2 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

抽采鉆孔布置在工作面巷道中線位置，選擇的抽采半徑為煤層厚度的一半，也就是2.7 m，帶入上述關(guān)系式，可得抽采時(shí)間248 d。綜合考慮上社煤礦實(shí)際煤厚特點(diǎn)、工作面布面時(shí)間(一般1個(gè)工作面需要布置1年的時(shí)間)、鉆孔的施工能力等因素，從時(shí)間上來說抽采時(shí)間為248 d能滿足礦井銜接的需要。

圖2 抽采時(shí)間t與抽采半徑R之間的關(guān)系曲線

選擇在11504工作面進(jìn)風(fēng)巷和11504工作面回風(fēng)巷施工順層鉆孔抽采，經(jīng)過248 d抽采后，工作面回采前預(yù)抽防突措施效果檢驗(yàn)時(shí)測(cè)得最大殘余瓦斯含量為7.81 m3/t。工作面回采期間，每50 m測(cè)定兩次瓦斯解吸指標(biāo)K1值，測(cè)得的K1值一般介于0.2～0.3 mL/(g·min0.5)之間，最大K1值為0.49 mL/(g·min0.5)，均在臨界值以下。無論采用殘余瓦斯含量進(jìn)行效果檢驗(yàn)，還是采用瓦斯解吸指標(biāo)K1值進(jìn)行驗(yàn)證，工作面可判定為無突出危險(xiǎn)，事實(shí)上工作面實(shí)際回采期間回風(fēng)、隅角瓦斯也均未出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象，說明采用2.7 m的抽采半徑經(jīng)過248 d抽采后，瓦斯抽采取得了良好的效果。

4 結(jié)論

(1)以10個(gè)抽采鉆孔為一組作為評(píng)價(jià)單元，避免了鉆孔較少帶來的測(cè)量誤差，保證了測(cè)量的可靠性。

(2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)考察結(jié)果，確定出上社煤礦15#煤層?110 mm鉆孔的抽采半徑R與抽采時(shí)間t之間滿足對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，由此確定抽采半徑為2.7 m時(shí)，工作面至少需要抽采248 d。

(3)工作面回采前參與瓦斯含量效果檢驗(yàn)和回采期間瓦斯解吸指標(biāo)K1值驗(yàn)證結(jié)果表明，抽采半徑2.7 m能滿足上社礦的需要，可在其他工作面推廣使用。