九里山礦水力沖孔有效抽采半徑考察研究

魏培瑾 貴宏偉 郭斌斌

（焦作煤業(yè)（集團）有限公司，河南 焦作 454000）

煤礦瓦斯抽采是防治煤與瓦斯突出等瓦斯災(zāi)害事故、做好瓦斯資源抽采利用的主要手段，是高瓦斯和突出礦井必須采取的災(zāi)害治理技術(shù)措施。近年來，隨著抽采工程實踐的不斷深入，水力沖孔等水力化增透抽采措施得到了廣泛推廣應(yīng)用，煤層瓦斯抽放效率有了大幅度的提高。《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》第50條明確要求測試實際考察的煤層有效抽采半徑?？组g距過大時，可能造成抽采空白帶；過小時，不僅會增加鉆孔工程量，而且會發(fā)生串孔、塌孔現(xiàn)象，影響抽采效果。因此，水力沖孔鉆孔有效抽采半徑的準(zhǔn)確測定為礦井水力沖孔作業(yè)和瓦斯抽采設(shè)計提供依據(jù)，對瓦斯抽采具有非常重要的意義[1-3]。

1 測定方法選擇

有效抽采半徑定義。《煤礦瓦斯抽采工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50471-2018）中對鉆孔有效抽采半徑進行了明確的術(shù)語解釋，即鉆孔有效抽采半徑是在一定時間內(nèi)從鉆孔內(nèi)能抽出瓦斯的有效距離。

壓降法是以煤層瓦斯壓力的下降作為指標(biāo)的。煤層瓦斯抽采半徑的確定方法為：首先在煤層打一排考察孔，如圖1所示，2、3、4……n均為考察孔，d2、d3……dn為相鄰測壓孔之間的距離；記錄每個測壓孔的原始壓力，P1、P2、P3……Pn；然后在考察孔一側(cè)打抽采鉆孔并進行封孔連抽，觀測考察孔壓力變化情況，從而測出抽采鉆孔的有效抽采半徑[4]。

圖1 測試鉆孔布置示意圖

2 測定方案

2.1 測定地點概況

河南焦煤能源有限公司九里山礦距焦作市18km。根據(jù)歷年礦井瓦斯等級鑒定結(jié)果，九里山礦屬煤與瓦斯突出礦井。根據(jù)九里山礦井下實際情況，經(jīng)過綜合分析，確定本次測定地點選擇在16采區(qū)的1606底抽巷，瓦斯原始含量為20.05～24.46m3/t，瓦斯壓力 0.75～1.74MPa。

2.2 測定方案設(shè)計

在選擇的測定區(qū)域內(nèi)，施工2組水力沖孔有效抽采半徑考察鉆孔，每組7個考察鉆孔，孔徑94mm。每組中間為1個抽采孔，兩邊為考察孔，每組間距10m。具體布置如圖2所示。

圖2 有效抽采半徑考察鉆孔布置圖

鉆孔垂直于底抽巷下幫，傾角為54°，巖段12m，煤段5.5m。

為了考察穿層鉆孔水力沖孔后的有效抽采半徑，連抽孔穿過煤層后，需要進行一定時間的水力沖孔增透措施。根據(jù)九里山礦水力沖孔出煤量統(tǒng)計情況，沖孔出煤量按0.4t/m設(shè)計。

鉆孔施工完畢應(yīng)及時封孔，所有考察孔均安裝閥門、三通，每組的沖孔鉆孔最后施工，并進行沖孔作業(yè)，沖孔后連抽。

3 有效抽采半徑測試及分析

3.1 數(shù)據(jù)觀測

2組考察孔施工完畢后，將2個抽采孔接入管網(wǎng)連抽，用U型壓差計進行測定。根據(jù)對考察孔的壓力觀測數(shù)據(jù)，做出壓力變化曲線。當(dāng)某一時間壓力降為負(fù)壓時，該鉆孔距抽采孔距離作為該時間內(nèi)抽采鉆孔有效抽采半徑。

3.2 數(shù)據(jù)分析

水力沖孔的2組考察孔壓力變化情況如圖3、圖4所示。

圖3 第1組考察孔壓力變化曲線圖

可以看出，1-2號、1-3號、1-4號和1-5號考察孔分別在連抽70d、21d、9d和56d后變?yōu)樨?fù)壓，說明這4個考察孔在達(dá)到一定抽采時間后處于有效抽采半徑范圍內(nèi)；1-1號和1-6號考察孔瓦斯壓力未變成負(fù)壓，說明在觀測期內(nèi)沒有處于有效抽采半徑范圍內(nèi)。

圖4 第2組考察孔壓力變化曲線圖

可以看出，2-3號、2-4號、2-5號考察孔分別在連抽28d、19d和69d后變?yōu)樨?fù)壓，說明這3個考察孔在達(dá)到一定抽采時間后處于有效抽采半徑范圍內(nèi)；2-1號、2-2號孔和2-6號考察孔瓦斯壓力未變成負(fù)壓，說明在觀測期內(nèi)沒有處于有效抽采半徑范圍內(nèi)。

3.3 抽采有效半徑計算

將進行水力沖孔的2組考察孔中的7個考察孔壓力發(fā)生明顯變化的時間和距抽采孔距離進行統(tǒng)計，匯總?cè)绫?。

表1 考察孔抽采天數(shù)和影響距離對應(yīng)表

圖5 抽采時間與有效抽采半徑關(guān)系曲線

如圖5所示，根據(jù)對考察孔抽采影響距離及抽采時間進行擬合回歸，可以得出未沖孔鉆孔有效抽采半徑變化規(guī)律符合公式：

式中：

y-有效抽采半徑，m；

x-抽采時間，d。

可推算出：九里山礦二1煤層Φ94mm的穿層鉆孔在水力沖孔強度不小于0.4t/m的條件下，當(dāng)抽采時間為180d時，鉆孔有效抽采半徑約為4.97m。考慮煤體賦存和沖孔不均勻等因素的影響，建議應(yīng)考慮一定的安全系數(shù)（建議為0.8）進行有效抽采半徑的選擇，因此，當(dāng)抽采時間為180d時，有效抽采半徑約為3.98m[5-6]。

3.4 抽采時間計算

對16采區(qū)水力沖孔單孔日平均抽采瓦斯量數(shù)據(jù)統(tǒng)計擬合得出抽采衰減曲線y=39.968e-0.004x，如圖6所示。根據(jù)抽采衰減負(fù)指數(shù)曲線公式，積分解算16采區(qū)抽采鉆孔有效抽采半徑范圍內(nèi)抽采達(dá)標(biāo)時間[7]。

煤層瓦斯抽采是否達(dá)標(biāo)，應(yīng)以鉆孔有效抽采范圍內(nèi)煤層殘余瓦斯含量能否降至6m3/t（根據(jù)河南省“雙六”規(guī)定，瓦斯含量抽采達(dá)標(biāo)指標(biāo)為6m3/t）以下判斷，即鉆孔抽采范圍內(nèi)抽出瓦斯量滿足下式要求：

式中：

Q-鉆孔瓦斯抽出量，m3；

W0-煤層原始瓦斯含量，m3/t；

Wcy-煤層殘余瓦斯含量，按照消突評判臨界值，取6m3/t；

r-鉆孔抽采影響半徑，m；

γ-煤的容重，t/m3；

L-穿層鉆孔煤孔段平均長度，m。

依據(jù)回歸瓦斯抽采量積分公式，計算水力沖孔條件下的達(dá)標(biāo)抽采時間和合理鉆孔間距：

按目前實測16采區(qū)最大原始瓦斯含量24.46m3/t計算，若穿層鉆孔平均煤孔段長度為5.5m，按照最大抽采半徑3.98m計算，需要經(jīng)過335d才能將抽采范圍內(nèi)瓦斯降至6m3/t以下。若以180d內(nèi)能夠抽采達(dá)標(biāo)計算，則鉆孔有效抽采半徑應(yīng)在3.32m以下。

圖6 單孔日抽采瓦斯量衰減曲線圖

4 結(jié)論

（1）根據(jù)對考察孔抽采影響距離及抽采時間進行擬合回歸，得出九里山礦16采區(qū)二1煤層Φ94mm的穿層鉆孔沖孔強度不小于0.4t/m條件下，有效抽采半徑符合公式：y=1.1553ln（x）-1.0294，當(dāng)抽采時間為180d時，鉆孔有效抽采半徑約為3.74m（安全系數(shù)為0.8）。

（2）將有效抽采半徑（3.98m）范圍內(nèi)瓦斯含量抽采至6m3/t以下，需要335d。若以180d抽采期進行計算，抽采半徑則不應(yīng)大于3.32m。礦井在地質(zhì)構(gòu)造破壞帶、煤厚變化帶、夾矸層等復(fù)雜地質(zhì)條件的地點，應(yīng)適當(dāng)縮小鉆孔間距，并做好鉆孔測斜工作，確保措施按照設(shè)計實施到位。