一種煤礦瓦斯抽采半徑確定的方法

張 帥

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司四臺(tái)礦，山西 大同 037000）

0 引言

瓦斯抽采半徑受煤層賦存、瓦斯地質(zhì)及抽采系統(tǒng)等多方面因素影響，其考察過程較為復(fù)雜，國內(nèi)外研究人員為此提出了多種考察方法［1-5］。不同的瓦斯抽采半徑考察方法均具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同煤層、不同測試條件，只有采用合適的考察方法才能準(zhǔn)確、高效地獲得煤層瓦斯抽采半徑。因此，在具體的考察工作中需要針對(duì)礦井的實(shí)際條件選擇合理的瓦斯抽采半徑考察方法。

1 煤礦瓦斯抽采半徑的方法

目前瓦斯抽采半徑的測試方法眾多，尚沒有一個(gè)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)各不相同，適用于不同條件的礦井。傳統(tǒng)的瓦斯壓力方法，在透氣性較好、煤層測壓條件較佳時(shí)可能得到考察結(jié)果，但其測試效率低；當(dāng)煤層透氣性差時(shí)測定成功率極低，實(shí)用性差［6-9］。瓦斯流量法和工作面點(diǎn)預(yù)測預(yù)報(bào)法最初都是設(shè)計(jì)用于測試瓦斯排放鉆孔的影響半徑，在抽采鉆孔條件下精度差、效率低、可靠性不足。近年來提出的瓦斯抽采流量法，忽略了不同抽采間距條件下瓦斯抽采流量衰減規(guī)律的差異性，僅用某一特定間距下抽采鉆孔流量與時(shí)間的關(guān)系來推算不同的抽采半徑，與實(shí)際抽采條件相比具有一定的誤差［10-12］。各測試方法的優(yōu)缺點(diǎn)具體見表1。

表1 測定方法優(yōu)缺點(diǎn)分析

一般情況下，煤層的透氣性及鉆孔瓦斯補(bǔ)給量是有限的，煤層的瓦斯流動(dòng)性質(zhì)是非穩(wěn)定流動(dòng)，即隨著流動(dòng)時(shí)間的增長，鉆孔的瓦斯涌出強(qiáng)度、瓦斯流量會(huì)衰減，根據(jù)煤層瓦斯流動(dòng)理論，抽采鉆孔的瓦斯涌出強(qiáng)度隨時(shí)間變化為

式中：q—t時(shí)刻的鉆孔瓦斯涌出強(qiáng)度，m3/（min·m2）；α—鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)，d-1；t—鉆孔內(nèi)瓦斯流動(dòng)時(shí)間，min。

t時(shí)刻鉆孔瓦斯涌出量為

式中：qt—t時(shí)刻的鉆孔瓦斯涌出量，m3/（min·m2）；L—鉆孔長度，m。

對(duì)式（2）積分，并令2πrLq0=β，則可以得到t時(shí)間內(nèi)抽采鉆孔的抽采總量

式中：Q—在t時(shí)間內(nèi)，鉆孔瓦斯抽采總量，m3。

因此，在煤層瓦斯含量測定基礎(chǔ)上，根據(jù)抽采目的，測定出鉆孔瓦斯抽采能力，通過三者之間的關(guān)系計(jì)算分析，就可確定出鉆孔的抽采半徑。通過對(duì)不同間距抽采鉆孔的抽采數(shù)據(jù)擬合，可求出對(duì)應(yīng)不同抽采半徑鉆孔在某一時(shí)間段內(nèi)的全部抽采瓦斯量。一般情況下，在特定的區(qū)域，鉆孔直徑、抽采負(fù)壓、鉆孔長度等確定后，煤層厚度、透氣性系數(shù)可認(rèn)為是一定值，因此鉆孔抽采瓦斯的能力與抽采時(shí)間呈負(fù)指數(shù)，從而根據(jù)鉆孔抽采能力與抽采半徑的關(guān)系就可分析得出鉆孔不同抽采時(shí)間所對(duì)應(yīng)的抽采半徑。

2 儲(chǔ)量法確定抽采半徑

2.1 工程背景

同煤集團(tuán)某礦井，生產(chǎn)能力為8.0 Mt/a。3#煤層回采工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量138.18 m3/min，3#煤層掘進(jìn)工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量20.48 m3/min；礦井最大相對(duì)瓦斯涌出量31.07 m3/t，礦井最大絕對(duì)瓦斯涌出量523.02 m3/min。隨著開采深度的延伸，瓦斯災(zāi)害的威脅日趨嚴(yán)重，為解決瓦斯問題，保障煤炭安全、高效生產(chǎn)，需要大力推動(dòng)瓦斯抽采工作。井下瓦斯抽采工作受到多種因素影響，與瓦斯抽采半徑、煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)密切相關(guān)。合理的礦井抽采半徑和準(zhǔn)確的煤層瓦斯賦存情況，是瓦斯抽采工藝技術(shù)選擇的基礎(chǔ)，能夠?yàn)橥咚钩椴上到y(tǒng)的準(zhǔn)確、安全、高效運(yùn)轉(zhuǎn)和礦井“抽掘采”平衡提供保障。

2.2 試驗(yàn)過程

測定位置在N1306工作面回風(fēng)順槽500～600 m范圍內(nèi)，施工2種6組抽采試驗(yàn)鉆孔，即抽采流量監(jiān)測鉆孔和抽采邊界條件鉆孔各3組，抽采流量監(jiān)測鉆孔用于直接測試煤層瓦斯抽采半徑，而抽采邊界條件鉆孔用于保證每組抽采流量監(jiān)測鉆孔中的各鉆孔均具有相同的邊界條件。經(jīng)過計(jì)算，抽采區(qū)域內(nèi)不同抽采鉆孔間距（3 m、2 m、1.5 m）對(duì)應(yīng)的抽采鉆孔布置數(shù)量分別為54個(gè)、80個(gè)及107個(gè)。圖1為測點(diǎn)鉆孔的布置示意圖。

施工好的抽采鉆孔需要及時(shí)連入抽采支管中，抽采孔口管路部分包括從支管下來至鉆孔口的連接管路及其附屬設(shè)備，每組試驗(yàn)鉆孔連接在一個(gè)多孔器上，再由匯流管接到放水器和孔板流量計(jì)（抽采邊界條件鉆孔不需要安裝孔板流量計(jì)），之后連到支管上。

根據(jù)鉆孔布置方案本次共施工試驗(yàn)鉆孔39個(gè)，在施工2 m間距和1.5 m間距的試驗(yàn)鉆孔期間，由于鉆孔之間距離較近加上煤層軟硬分布不均，串孔現(xiàn)象十分嚴(yán)重，特別是1.5 m間距的抽采鉆孔幾乎80%都出現(xiàn)了不同程度的串孔現(xiàn)象，對(duì)鉆孔抽采效果具有一定影響。

圖1 測點(diǎn)鉆孔的布置示意圖

3 測定結(jié)果

3.1 測定數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過初步測定，該區(qū)煤層可解析瓦斯含量為7.078 m3/t，根據(jù)《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》及《煤礦瓦斯抽采規(guī)范》確定該回采工作面目標(biāo)瓦斯預(yù)抽率應(yīng)為43.5%。對(duì)各個(gè)測試孔進(jìn)行觀測，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并進(jìn)行衰減規(guī)律的分析，擬合結(jié)果如圖2所示。

圖2 抽采鉆孔單孔日抽采瓦斯純量統(tǒng)計(jì)圖

從圖2可以看出，在相同抽采負(fù)壓和時(shí)間下，不同間距鉆孔的單孔日抽采純量存在較大差異，其中3 m間距抽采鉆孔明顯高于2 m間距抽采鉆孔和1.5 m間距抽采鉆孔，而2 m間距抽采鉆孔又明顯高于1.5 m間距抽采鉆孔。

通過擬合分析，得出各間距下的衰減函數(shù)：

鉆孔間距為3 m時(shí)：q=131.05e-0.01t

鉆孔間距2 m時(shí)：q=90.557e-0.01t

鉆孔間距1.5 m時(shí)：q=61.794e-0.01t

但是，在鉆孔施工過程中，2 m間距鉆孔（S6～S12鉆孔）和1.5 m間距鉆孔（S13～S21鉆孔）中存在串孔現(xiàn)象，這屬于施工工藝的影響。因此，主要分析3 m鉆孔。

時(shí)間的計(jì)算公式如下式所示

式中：Qz—抽采區(qū)域需抽采瓦斯總量，m3；N—抽采區(qū)域內(nèi)布置鉆孔數(shù)量，個(gè)；t—按某一抽采間距下抽采達(dá)標(biāo)時(shí)的累積抽采時(shí)間，d；α、β—表明鉆孔流量衰減情況的系數(shù)。

對(duì)式（4）進(jìn)行求解，得到3 m間距抽采鉆孔達(dá)到抽采達(dá)標(biāo)時(shí)的時(shí)間為430 d，即抽采半徑為1.5 m時(shí)，對(duì)應(yīng)的抽采時(shí)間為430 d，抽采率達(dá)到43.49%。

當(dāng)采用1.5 m抽采半徑時(shí)，抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間為430 d，時(shí)間較長，如果采用直接監(jiān)測瓦斯抽采量的方法來驗(yàn)證抽采半徑可靠性的話，將會(huì)耗費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間，效率過低。因此，利用實(shí)測單孔累積抽采量與公式積分計(jì)算抽采量相比較的方法來間接驗(yàn)證抽采半徑的可靠性。

3.2 數(shù)據(jù)驗(yàn)證

通過統(tǒng)計(jì)可知，抽采120 d時(shí)抽采鉆孔單孔的累積抽采瓦斯量為8 627.11 m3，此時(shí)抽采區(qū)域的抽采率為29.03%，在監(jiān)測過程中受安全檢查、巷道施工等因素影響漏測了8 d的數(shù)據(jù)。

通過式（4）計(jì)算抽采120 d時(shí)的單孔累計(jì)抽采瓦斯量如下。

由于現(xiàn)場監(jiān)測過程中漏測了8 d的數(shù)據(jù)，也需要扣除相應(yīng)的單日抽采量，經(jīng)計(jì)算扣除后的單孔累積抽采瓦斯量為8 312.63 m3，此時(shí)抽采區(qū)域的抽采率為27.97%。經(jīng)對(duì)比，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的120 d鉆孔累計(jì)抽采瓦斯量、抽采率與計(jì)算的瓦斯抽采量、抽采率基本相同，驗(yàn)證間接說明抽采半徑的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語

通過對(duì)傳統(tǒng)的瓦斯抽采半徑的分析，提出了改進(jìn)的方法，并進(jìn)行了研究和試驗(yàn)性測定。根據(jù)測定結(jié)果可以看出，該方法具有較好的適應(yīng)性，測定結(jié)果比較可靠。同時(shí)測定結(jié)果顯示，在3 m間距（即抽采半徑1.5 m）時(shí)，抽采時(shí)間太長，效率太低。因此，為提高抽采效率，減少抽采時(shí)間，需要對(duì)鉆孔施工設(shè)備、技術(shù)及工藝進(jìn)行優(yōu)化研究，提高鉆孔鉆進(jìn)精度，減少小間距鉆孔施工中的串孔、孔間擾動(dòng)等現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)通過減小抽采鉆孔間距，增加抽采鉆孔數(shù)量，提高抽采效率，減少抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間的目的。