王坪礦順層瓦斯鉆孔有效抽采半徑的確定

王騰飛

（大同煤礦集團(tuán)朔州煤電有限責(zé)任公司王坪煤礦，山西 懷仁 038300）

1 礦井概況

王坪礦生產(chǎn)能力為260萬(wàn)t/a，礦井采用中央并列式通風(fēng)。8308工作面位于王坪井田北部，該工作面西部為303盤(pán)區(qū)皮帶巷、回風(fēng)巷和軌道巷，北部為小峪煤礦417大巷，南部、東部均為實(shí)體煤。工作面走向長(zhǎng)度為1225m，傾向長(zhǎng)度為196m，煤層屬不易自燃煤層，煤塵無(wú)爆炸危險(xiǎn)性。水文地質(zhì)類(lèi)型為中等，3號(hào)煤層開(kāi)采時(shí)，采煤方法為綜合機(jī)械化一次采全高。初始煤層滲透率為1.125×10-3，初始基質(zhì)孔隙率為6%，為低透氣性煤層。為了達(dá)到預(yù)抽瓦斯的效果，8308工作面回風(fēng)順槽布置有若干順層鉆孔，如圖1所示。

圖1 8308工作面瓦斯治理示意圖

2 鉆孔有效抽采半徑測(cè)定原理

基于瓦斯流動(dòng)理論和煤層中的瓦斯流動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生了很多測(cè)定瓦斯抽采影響半徑的方法，如壓力變化、瓦斯含量變化、敏感氣體檢測(cè)等。根據(jù)王坪礦的煤層地質(zhì)以及現(xiàn)場(chǎng)條件擬采用相對(duì)壓力法測(cè)定抽采鉆孔的有效影響半徑。根據(jù)瓦斯壓力與含量的關(guān)系式，確定鉆孔瓦斯抽采影響半徑的指標(biāo)為瓦斯壓力下降10%，確定抽采有效半徑的指標(biāo)為瓦斯壓力下降51%。

單個(gè)順層鉆孔抽采瓦斯的原理如圖2所示，鉆孔垂直于煤壁打進(jìn)一定距離，在抽采負(fù)壓和煤層瓦斯壓力的作用下，鉆孔內(nèi)外形成壓力差，煤層瓦斯從吸附狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)，沿著煤層裂隙流向順層鉆孔。隨著抽采時(shí)間的增加，鉆孔抽采的輻射范圍逐步擴(kuò)展，最終形成一個(gè)以鉆孔中線為軸心的類(lèi)似圓形的抽采圈，當(dāng)周?chē)簩油咚箟毫ψ優(yōu)樵瓉?lái)的49%時(shí)，此時(shí)鉆孔所達(dá)到的抽采范圍半徑即為抽采有效半徑。

圖2 抽采有效半徑示意圖

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中考慮到鉆孔的成孔效果，將鉆孔盡量布置到受采動(dòng)影響較小、地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單、煤質(zhì)改變小的區(qū)域，同時(shí)測(cè)試周期長(zhǎng)約60d，為了保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，將測(cè)試地點(diǎn)選擇在8308工作面回風(fēng)順槽距離開(kāi)切眼800m處。鉆孔布置如圖3所示，在回風(fēng)巷上幫布置4個(gè)測(cè)試孔和1個(gè)抽采孔，孔徑均為75mm，鉆孔測(cè)試精度達(dá)0.5m，且均平行布置并垂直巷道。各布置鉆孔參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 鉆孔布置圖

表1 鉆孔參數(shù)表

4 施工步驟

（1）在8308工作面回風(fēng)順槽按照鉆孔布置圖首先施工1-1～1-4測(cè)壓鉆孔，使用水輔助排渣，直至鉆孔施工完成。

（2）在4個(gè)測(cè)壓鉆孔施工完成后，將鉆孔清理完畢，立即接入測(cè)壓表，采用“兩堵一注”工藝對(duì)順層鉆孔進(jìn)行封孔，封孔材料選擇水泥砂漿。壓力孔為1/2''管，抽采孔采用直徑50mm管封孔，各孔封孔深度均為30m以上，以確保封孔效果的氣密性。待凝固后上壓力表開(kāi)始測(cè)壓，并記錄鉆孔壓力變化情況。

（3）待各測(cè)壓孔相對(duì)壓力穩(wěn)定后開(kāi)始施工抽采孔，抽采鉆孔施工完成后與抽采管路連接進(jìn)行抽采，抽采孔負(fù)壓控制到36kPa，并定期觀測(cè)各個(gè)測(cè)壓孔壓力變化狀態(tài)且做好詳細(xì)記錄。

（4）每隔3d觀測(cè)抽采前后測(cè)壓鉆孔瓦斯壓力的變化，測(cè)定并繪制出測(cè)壓鉆孔的瓦斯壓力變化曲線。

（5）連續(xù)觀測(cè)不少于30d，記錄測(cè)壓孔瓦斯壓力值和抽采孔瓦斯?jié)舛取?/p>

5 結(jié)果及分析

5.1 鉆孔壓力分析

在為期30d的觀測(cè)中，每隔三天記錄一次U型壓差計(jì)結(jié)果，并將數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果整理記錄，見(jiàn)表2。

8308工作面回風(fēng)順槽四個(gè)測(cè)壓孔U型壓差計(jì)數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 瓦斯壓力隨時(shí)間變化曲線圖

從圖4可以看出，3號(hào)煤層測(cè)點(diǎn)處四個(gè)鉆孔壓力都有一定程度的變化。

1-1#鉆孔初期變化最為明顯，測(cè)壓孔從第二天開(kāi)始迅速下降，降幅為初始?jí)翰畹?1%，隨后下降較為平穩(wěn)。當(dāng)抽采到第8d時(shí)，1-1#測(cè)壓孔又呈直線下降趨勢(shì)，下降幅度接近初次下降程度，降幅為57%。當(dāng)在36kPa負(fù)壓抽采作用下，抽采16d時(shí)首先降為0，說(shuō)明1m的環(huán)形區(qū)域內(nèi)瓦斯已經(jīng)充分抽采，1m區(qū)域在鉆孔抽采有效影響范圍內(nèi)。

表2 3號(hào)煤層測(cè)點(diǎn)U型壓差計(jì)數(shù)據(jù)記錄（mmH2O）

1-2#測(cè)壓孔前期瓦斯壓降也較大，但相對(duì)于1-1#測(cè)壓孔其變化較緩，跨度次于1-1#測(cè)壓孔，前期瓦斯壓力降幅達(dá)50%左右。在抽采至第20d開(kāi)始出現(xiàn)負(fù)壓，說(shuō)明該區(qū)域也在有效半徑的影響范圍內(nèi)。

1-3#測(cè)壓孔明顯沒(méi)有1-1#、1-2#測(cè)壓孔迅速，到后期基本平穩(wěn)下降，并保持一直下降的趨勢(shì)。當(dāng)抽采至第30d時(shí)，測(cè)壓孔壓力接近負(fù)壓狀態(tài)，根據(jù)線性分析預(yù)計(jì)在第33d左右可以達(dá)到負(fù)壓值，說(shuō)明2m區(qū)域在有效影響半徑范圍之內(nèi)，但已經(jīng)靠近最大有效影響值。

1-4#測(cè)壓孔在整個(gè)抽采過(guò)程中瓦斯壓力呈現(xiàn)緩慢平穩(wěn)的下降趨勢(shì)，在個(gè)別抽采階段有壓力上升的點(diǎn)，表現(xiàn)為下降無(wú)規(guī)律特點(diǎn)，其壓力下降幅度次于1-3#側(cè)壓孔。抽采至第30d時(shí)仍未達(dá)到負(fù)壓值，根據(jù)線性分析，壓力在36d左右出現(xiàn)負(fù)壓，說(shuō)明2.5m已經(jīng)處于有效影響半徑區(qū)域邊緣處，抽采有效半徑介于2～2.5m范圍內(nèi)。從1-4#測(cè)壓孔衰減趨勢(shì)看，半徑影響值更接近于2m。

5.2 鉆孔相對(duì)壓力與瓦斯?jié)舛鹊臄M合分析

瓦斯抽采有效半徑內(nèi)的測(cè)壓孔壓力變化應(yīng)與抽采孔瓦斯?jié)舛茸兓尸F(xiàn)出相關(guān)性，可以對(duì)其進(jìn)行相關(guān)性分析，得到其相關(guān)系數(shù)以及顯著性水平。因此，對(duì)U型壓差計(jì)觀測(cè)得到的測(cè)壓孔壓力數(shù)據(jù)與抽采孔瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，只要其具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，則認(rèn)為該測(cè)壓孔位于瓦斯抽采有效半徑范圍內(nèi)。通過(guò)對(duì)4個(gè)測(cè)壓孔的數(shù)據(jù)處理分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 瓦斯壓力與瓦斯?jié)舛葦M合相關(guān)性圖

將數(shù)據(jù)利用OriginPro軟件進(jìn)行擬合相關(guān)性分析，并將分析結(jié)果列入表3。

表3 瓦斯壓力與濃度相關(guān)性分析

由分析結(jié)果得出，相關(guān)性系數(shù)1-1#（1m）＞1-2#（1.5m）＞1-3#（2m）＞1-4#（2.5m），顯著性水平具有相同規(guī)律，可以得出瓦斯?jié)舛扰c瓦斯壓力具有一定的相關(guān)性，可以認(rèn)為8308工作面的瓦斯抽采有效半徑R值為2.0m＜R＜2.5m。

6 結(jié)論

（1）本次采用相對(duì)壓力法來(lái)確認(rèn)8308工作面煤層順層鉆孔的有效抽采半徑，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)，瓦斯抽采有效半徑R略微大于2.0m，遠(yuǎn)小于2.5m，建議在進(jìn)行鉆孔瓦斯抽采時(shí)兩孔間距不大于4m。

（2）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可以看出鉆孔抽采有效影響半徑隨著抽采時(shí)間的增加而有所增加，但達(dá)到一定的時(shí)間之后繼續(xù)延長(zhǎng)抽采時(shí)間，鉆孔抽采有效影響半徑不會(huì)增加，繼續(xù)延長(zhǎng)抽采時(shí)間對(duì)瓦斯抽采效果沒(méi)有意義。

（3）瓦斯?jié)舛扰c瓦斯壓力具有一定的正相關(guān)性，通過(guò)觀察測(cè)壓瓦斯壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律，可以充分指導(dǎo)瓦斯抽采有效半徑的確定。