西銘礦48707工作面瓦斯孔抽采半徑研究

孫東民

（山西焦煤西山煤電集團(tuán)公司西銘礦，山西 太原 030052）

0 引 言

瓦斯是影響礦井安全生產(chǎn)的重要因素，目前，治理瓦斯最常用的方式是瓦斯抽采，本煤層瓦斯抽采是工作面治理瓦斯超限的重要技術(shù)手段。在瓦斯抽采過(guò)程中，只有根據(jù)瓦斯抽采半徑確定合理的鉆孔間距和數(shù)量，才能保障工作面瓦斯抽采的效果，若鉆孔間距過(guò)大，則存在瓦斯抽采盲區(qū)，影響瓦斯的抽采效果；若鉆孔間距過(guò)小，則可能出現(xiàn)串孔顯現(xiàn)，導(dǎo)致抽采效率低下，造成一定的人力和物力的浪費(fèi)，因此，確定合理的抽采半徑對(duì)提高瓦斯抽采效率，保障抽采效果有著重要意義[1]。

目前，對(duì)于確定瓦斯抽采半徑的方法主要包括壓降法、數(shù)值模擬法、氣體示蹤法和瓦斯流量法等。幾種方法各有優(yōu)劣，在實(shí)際操作中，利用壓降法確定抽采半徑時(shí)，受封孔質(zhì)量和水壓等因素的影響，很難測(cè)到真實(shí)的瓦斯壓力，難以確定合理的瓦斯抽采半徑；數(shù)值模擬法雖然更加便捷，但其建立的模型往往過(guò)于理想化，所得抽采半徑與實(shí)際存在較大誤差；氣體示蹤法受井下實(shí)際條件影響，對(duì)封孔要求過(guò)高，測(cè)定的成功率往往不高[2-4]。因此，本文利用瓦斯流量法，根據(jù)西銘礦48707工作面實(shí)際地質(zhì)條件，確定本煤層瓦斯鉆孔的抽采半徑。

1 工作面概況

西銘礦屬于西山煤電旗下主力礦井，位于山西省太原市附近，48707工作面位于1018水平北七采區(qū)，主采8號(hào)煤層，工作面標(biāo)高為+1014～+1052m，對(duì)面標(biāo)高+1256～+1485m，蓋山厚度220～446m，平均333m。煤層厚度為4.30～7.30m，平均6.10m，傾角為2°～18°，平均5°，煤層節(jié)理發(fā)育，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。煤層上部夾石為0.60～3.50m，平均2.40m，巖性為泥巖或砂質(zhì)泥巖；下部夾石為0.30m左右的頁(yè)巖或炭質(zhì)頁(yè)巖。8號(hào)煤上分層厚度0.55～0.70m，平均0.60米；下分層厚度2.84～3.40m，平均3.10m，厚度變化不大，屬單一穩(wěn)定的中厚煤層。工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為25m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為7.2m3/t，根據(jù)該采區(qū)其他工作面的瓦斯抽采半徑測(cè)試，在抽采60d條件下，抽采半徑約為3.0m左右。

2 瓦斯抽采測(cè)定

2.1 測(cè)定原理

瓦斯抽采就是利用煤層中瓦斯壓力和鉆孔內(nèi)負(fù)壓的共同作用，將煤層內(nèi)瓦斯抽出，在鉆孔周圍，會(huì)形成以鉆孔中心線為軸心的近似圓形的抽采影響圈，影響圈半徑即瓦斯的抽采半徑，隨著抽采時(shí)間的增長(zhǎng)，瓦斯抽采半徑隨之增大，直到壓力過(guò)小，不足以使瓦斯順利抽出為止。而利用瓦斯流量法測(cè)試瓦斯抽采半徑，就是在抽采孔附近布置瓦斯涌出觀測(cè)孔，當(dāng)觀測(cè)孔內(nèi)瓦斯涌出量連續(xù)四次縮減量大于10%或涌出量為負(fù)時(shí)，則此觀測(cè)孔與抽采孔之間的距離就是對(duì)應(yīng)抽采時(shí)間內(nèi)的瓦斯抽采半徑。

2.2 鉆孔布置

鉆孔在距離48707工作面切眼60m處的運(yùn)輸巷中布置，在抽采孔兩側(cè)各布置3個(gè)觀測(cè)孔，見(jiàn)圖1。

圖1 鉆孔布置

如圖所示，1#～6#孔為觀測(cè)孔，鉆孔深度為50m，直徑為94mm，觀測(cè)孔中間為抽采孔，抽采孔深度為60m，直徑也為64mm，由于煤層平均傾角為5°，屬于近水平煤層，觀測(cè)孔與抽采孔處于同一高度，均垂直煤壁布置。鉆孔施工完成后，要及時(shí)進(jìn)行封孔工作，封孔應(yīng)采用聚氨酯和直徑為50mm的塑料管，觀測(cè)孔封孔深度為8m，抽采孔為12m，利用分段封孔的方法，以提高封孔質(zhì)量，封孔示意圖如圖2所示。封孔工作完成后，開(kāi)始對(duì)瓦斯進(jìn)行抽采觀測(cè)，為保證抽采工作順利進(jìn)行，抽采孔負(fù)壓應(yīng)保持在13.8～15.2kPa。

圖2 封孔示意圖

2.3 施工工藝

1）選擇鉆孔位置時(shí)，要注意盡量避開(kāi)滲水明顯的地段，減少水壓對(duì)觀測(cè)的影響，鉆機(jī)工作時(shí)，要密切關(guān)注工作情況，避免安全事故的發(fā)生；

2）鉆機(jī)退桿過(guò)程中，要保持緩慢速度，同時(shí)保持高壓通風(fēng)，盡量吹凈鉆孔內(nèi)的碎屑；

3）封孔速度要快，施工前要對(duì)鉆孔進(jìn)行透孔處理，封孔時(shí)間不得超過(guò)2min；

4）瓦斯抽采前，要對(duì)抽采系統(tǒng)進(jìn)行仔細(xì)檢查，確保抽采管路通暢且沒(méi)有漏氣現(xiàn)象。

2.4 觀測(cè)方法

瓦斯抽采開(kāi)始后，利用觀測(cè)孔對(duì)瓦斯涌出量進(jìn)行觀測(cè)，每天觀測(cè)一次，共觀測(cè)60d，記錄數(shù)據(jù)，繪制瓦斯涌出量變化曲線，根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，確定瓦斯抽采鉆孔有效影響半徑，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，確定擬合方程，得到相應(yīng)時(shí)間內(nèi)的瓦斯抽采半徑。

3 觀測(cè)結(jié)果及分析

瓦斯抽采過(guò)程中，觀測(cè)1#～6#觀測(cè)孔內(nèi)的瓦斯涌出量，記錄數(shù)據(jù)，并繪制變化曲線，如圖3所示。

圖3 各鉆孔瓦斯流量變化曲線

根據(jù)抽采半徑測(cè)定原理，可得出以下結(jié)論：

1）1#觀測(cè)孔在觀測(cè)第8d時(shí)瓦斯涌出量降為0,但是，距離抽采孔更近的2#、3#觀測(cè)孔瓦斯涌出量縮減幅度較小，說(shuō)明瓦斯抽采影響范圍并未影響到1#孔，1#觀測(cè)孔數(shù)據(jù)的異常變化可能由于封孔質(zhì)量不佳，因此該孔數(shù)據(jù)無(wú)效，沒(méi)有參考價(jià)值；

2）2#觀測(cè)孔在觀測(cè)第45d時(shí)，瓦斯涌出量連續(xù)4次降幅超過(guò)10%，由此可以確定在第45d時(shí)，瓦斯抽出影響范圍到達(dá)2#觀測(cè)孔，抽采半徑為2.5m；

3）3#觀測(cè)孔在觀測(cè)第9d時(shí)，開(kāi)始受到瓦斯抽采的影響，在第18d時(shí)，瓦斯涌出量連續(xù)4次降幅超過(guò)10%，由此可以確定在第18d時(shí)，瓦斯抽出影響范圍到達(dá)3#觀測(cè)孔，抽采半徑為1.5m；

4）4#觀測(cè)孔在觀測(cè)第8d時(shí)，瓦斯涌出量連續(xù)4次降幅超過(guò)10%，由此可以確定在第8d時(shí)，瓦斯抽出影響范圍到達(dá)4#觀測(cè)孔，抽采半徑為1.0m；

5）5#觀測(cè)孔在觀測(cè)第4d后，瓦斯涌出量降幅明顯減小，且現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到孔內(nèi)開(kāi)始充水，因此該孔數(shù)據(jù)無(wú)效，不具有參考價(jià)值；

6）6#觀測(cè)孔在觀測(cè)第5d時(shí)瓦斯涌出量降至0，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，可能是由于孔內(nèi)塌陷導(dǎo)致，因此，該孔數(shù)據(jù)也應(yīng)舍棄。

通過(guò)上面的分析，2#、3#和4#觀測(cè)孔為有效觀測(cè)數(shù)據(jù)，在抽采8、18、45d時(shí)，瓦斯抽采影響半徑分別為1.0、1.5、2.5m，利用回歸分析的方法，對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得回歸方程為

式中：y為抽采半徑，m；t為抽采時(shí)間，d。相關(guān)系數(shù)R2=0.992，擬合曲線如圖4所示。

圖4 瓦斯抽采半徑與時(shí)間的擬合曲線

根據(jù)擬合方程，可得不同時(shí)間下的瓦斯抽采半徑如表1所示。

表1 不同時(shí)間下瓦斯抽采半徑

由圖4和表1可以看出，在抽采60d時(shí)，瓦斯抽采半徑為2.84m，與鄰近工作面測(cè)試結(jié)果（3m左右）接近，說(shuō)明該測(cè)試結(jié)果基本可靠，瓦斯抽采90d時(shí)，抽采半徑為3.22m，且抽采半徑增幅逐漸放緩，在180d時(shí)，抽采半徑為3.89m。在實(shí)際生產(chǎn)中，一般瓦斯抽采時(shí)間為90～180d，因此該工作面的瓦斯抽采半徑為3.22～3.89m。

4 結(jié) 論

為確定本煤層瓦斯抽采半徑，根據(jù)48707工作面實(shí)際條件，利用瓦斯流量法對(duì)抽采半徑進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，得到以下結(jié)論：

1）分析各瓦斯抽采半徑測(cè)定方法的優(yōu)缺點(diǎn)，確定采用瓦斯流量法，分析其測(cè)定原理，提出測(cè)定布置方案；

2）根據(jù)測(cè)定結(jié)果，繪制瓦斯流量變化曲線，利用回歸分析的方法，得到擬合方程，最后確定在抽采90～180d的條件下，瓦斯抽采半徑為3.22～3.89m，為工作面瓦斯抽采鉆孔的合理布置提供參考，有效提高了瓦斯抽采效率。