基于可解吸瓦斯指標(biāo)的有效抽采半徑合理判據(jù)研究

孫小明

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100013）

預(yù)抽煤層瓦斯是防治煤與瓦斯突出、避免工作面瓦斯超限的根本措施，預(yù)抽瓦斯效果除了受到煤層地質(zhì)條件、抽采系統(tǒng)工況、封孔方式等因素影響之外，還與鉆孔有效抽采半徑密切相關(guān)。有效抽采半徑直接關(guān)系到預(yù)抽鉆孔的密度和抽采時(shí)長，合理的抽采半徑有助于消除抽采空白帶、提高瓦斯抽采效率，節(jié)約瓦斯治理成本。在工程實(shí)踐中，存在“抽采影響半徑”、“有效抽采半徑”、“排放半徑”、“有效抽采影響半徑”等概念，意思相近卻各有特指，在實(shí)際應(yīng)用中容易混為一談，甚至在文獻(xiàn)中也存在混淆的情況。因此，通過查閱有效抽采半徑的研究文獻(xiàn)[1-4]以及煤礦企業(yè)相關(guān)的技術(shù)報(bào)告等資料，結(jié)合《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》（以下簡稱《暫行規(guī)定》）等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，認(rèn)為“有效抽采半徑”是指在一定的煤層地質(zhì)條件和抽采工況下，在一定時(shí)間內(nèi)以抽采鉆孔為中心，孔周圍煤體內(nèi)瓦斯壓力和含量等指標(biāo)可降低到界定指標(biāo)以下的范圍。該定義符合工程實(shí)踐中對(duì)鉆孔布置的要求，最能體現(xiàn)抽采鉆孔合理布置間距的需要。但是有效抽采半徑界定指標(biāo)的判定依據(jù)卻尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用帶來了極大困惑。為此，從瓦斯抽采的本質(zhì)目標(biāo)出發(fā)，提出了基于抽采達(dá)標(biāo)要求的有效抽采半徑判定方法，以期滿足高瓦斯、突出礦井瓦斯治理的需求。

1 瓦斯運(yùn)移規(guī)律

瓦斯運(yùn)移規(guī)律是研究瓦斯抽采的基礎(chǔ)，瓦斯在煤體中的運(yùn)移受到滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的共同作用，瓦斯?jié)B流與煤層變形之間相互耦合[5]。鉆孔施工完成后，孔周圍應(yīng)力重新分布，煤體緩慢蠕變形成彈性區(qū)、塑性軟化區(qū)和卸壓破裂區(qū)，導(dǎo)致滲透率增大，利于瓦斯抽采。隨著抽采時(shí)間的延長，鉆孔周圍瓦斯壓力不斷下降，煤體的有效應(yīng)力增大從而導(dǎo)致煤層孔隙被壓縮，與此同時(shí)煤層瓦斯解吸導(dǎo)致煤體骨架產(chǎn)生連續(xù)的收縮變形裂隙，前者的孔隙壓縮效應(yīng)大于后者的孔隙增生效應(yīng)，因而總體呈現(xiàn)出孔隙率降低，瓦斯抽采效果逐漸減弱的趨勢(shì)[6-7]。

煤層鉆孔抽采瓦斯的過程，即是鉆孔聯(lián)通煤體的裂隙、孔隙、層理、割理等瓦斯運(yùn)移通道，使得游離瓦斯和解吸瓦斯在擴(kuò)散、滲流作用下運(yùn)移到抽采鉆孔，并通過負(fù)壓抽采作用抽出。受鉆孔周圍煤體骨架的變形效應(yīng)和煤體透氣性影響，離鉆孔越遠(yuǎn)的瓦斯運(yùn)移到鉆孔中所受阻力越大，需要的時(shí)間越長，因而抽采量是與抽采時(shí)間和距離相關(guān)的函數(shù)。為了滿足瓦斯治理的時(shí)效性要求，在某一時(shí)間段內(nèi)將煤層瓦斯含量或瓦斯壓力降低到預(yù)定指標(biāo)，就需要根據(jù)有效抽采半徑布置鉆孔進(jìn)行規(guī)?；椴?。

2 有效抽采半徑判定依據(jù)

2.1 有效抽采半徑判據(jù)現(xiàn)狀

基于對(duì)瓦斯運(yùn)移規(guī)律的認(rèn)識(shí)，業(yè)內(nèi)形成了以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法和數(shù)值模擬法為主的有效抽采半徑測(cè)試方法，其中現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法又有壓降法[8]、流量法[9]、殘余瓦斯含量法[10]、瓦斯儲(chǔ)量法[1]、示蹤氣體法[11]等。對(duì)于這些方法，前人經(jīng)過不斷的研究與改進(jìn)，其操作流程、優(yōu)缺點(diǎn)、適用條件都已得到廣泛認(rèn)可，然而抽采半徑的判定依據(jù)卻仍然莫衷一是，主要存在以下幾種情況：

1）將瓦斯壓力降低到0.74 MPa 或瓦斯含量降低到8 m3/t 以下的區(qū)域認(rèn)定在有效抽采半徑內(nèi)，該判定方法是以消除煤層突出危險(xiǎn)性為主要目標(biāo)，可作為突出煤層的有效抽采半徑的界定指標(biāo)。另外，考察出煤層始突深度的瓦斯壓力或瓦斯含量的礦井，可將考察的臨界值作為有效抽采半徑的判據(jù)。

2）在抽采鉆孔旁設(shè)置壓力測(cè)試孔，連續(xù)3 次測(cè)試鉆孔瓦斯壓力都比預(yù)抽前降低10%以上，表明該測(cè)試孔處于抽采鉆孔的抽采半徑之內(nèi)，符合該條件的最遠(yuǎn)鉆孔的距離即為抽采半徑。該方法本質(zhì)上是反映了抽采影響半徑而非有效抽采半徑，因此對(duì)工程實(shí)踐指導(dǎo)意義有限。

3）以瓦斯預(yù)抽率大于30%作為判定依據(jù)。即根據(jù)單孔抽采量與鉆孔控制范圍內(nèi)瓦斯儲(chǔ)量計(jì)算預(yù)抽率，從而得到不同預(yù)抽率下的抽采半徑[12]；另外，預(yù)抽率大于30%，也就是煤層抽采后的殘余瓦斯含量應(yīng)小于抽采前瓦斯含量的70%，以此反算出抽采達(dá)標(biāo)時(shí)的殘余瓦斯含量或殘余瓦斯壓力，作為有效抽采半徑的判據(jù)。該方法判據(jù)簡便，便于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，因而應(yīng)用廣泛。一般認(rèn)為，該判定依據(jù)引自2010 版《煤礦安全規(guī)程》，預(yù)抽煤層瓦斯后，必須對(duì)預(yù)抽瓦斯防治突出效果進(jìn)行檢驗(yàn)，煤層瓦斯預(yù)抽率大于30%。然而，2016 版《規(guī)程》要求：“有突出危險(xiǎn)煤層的新建礦井必須先抽后建。礦井建設(shè)開工前，應(yīng)當(dāng)對(duì)首采區(qū)突出煤層進(jìn)行地面鉆井預(yù)抽瓦斯，且預(yù)抽率應(yīng)當(dāng)達(dá)到30%以上?！鳖A(yù)抽率達(dá)到30%以上是針對(duì)地面鉆井預(yù)抽而言，不適于指導(dǎo)井下預(yù)抽鉆孔。

2.2 基于抽采達(dá)標(biāo)的有效抽采半徑判據(jù)

對(duì)于以消除突出危險(xiǎn)性為目標(biāo)的抽采鉆孔，一般均以突出臨界值作為判定抽采是否有效的依據(jù)，而對(duì)于以降低煤層瓦斯含量、防止回采過程中出現(xiàn)瓦斯超限為目標(biāo)的有效抽采半徑判斷依據(jù)，可根據(jù)《暫行規(guī)定》的要求，從可解吸瓦斯量這一指標(biāo)出發(fā)，探索得到相應(yīng)的有效抽采半徑，該方法得出的有效抽采半徑具有一定的權(quán)威性，可以有效指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，滿足現(xiàn)場(chǎng)瓦斯治理的需求。

對(duì)于瓦斯涌出量主要來自于開采層的采煤工作面，評(píng)價(jià)范圍內(nèi)煤的可解吸瓦斯量滿足規(guī)定的，判定采煤工作面評(píng)價(jià)范圍瓦斯抽采效果達(dá)標(biāo)。采煤工作面回采前煤的可解吸瓦斯量應(yīng)達(dá)到的指標(biāo)見表1。

可解吸瓦斯量Wj為：

表1 采煤工作面回采前煤的可解吸瓦斯量應(yīng)達(dá)到的指標(biāo)Table 1 Indicators of desorption gas content before mining in coal face

式中：Wj為煤的可解吸瓦斯量，m3/t；WCY為抽采瓦斯后煤層的殘余瓦斯含量，m3/t；WCC為煤在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下的殘存瓦斯含量；a、b 為瓦斯吸附常數(shù)；Ad為煤的灰分，%；Mad為煤的水分，%；π 為煤的孔隙率，m3/m3；ρ 為煤的密度，t/m3。

工作面日產(chǎn)量以及開采煤層的各項(xiàng)物理指標(biāo)均為確定值，可根據(jù)表1、式（1）、式（2）計(jì)算得到相應(yīng)的煤層殘余瓦斯含量。

為便于現(xiàn)場(chǎng)考察數(shù)據(jù)，可由式（3）將抽采達(dá)標(biāo)時(shí)的煤層瓦斯含量轉(zhuǎn)化為瓦斯壓力，通過壓降法實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)煤層瓦斯壓力降低到相應(yīng)指標(biāo)時(shí)，該抽采時(shí)長下的鉆孔間距即為有效抽采半徑。在工程應(yīng)用誤差允許范圍內(nèi)，還可采用周世寧院士[13]提出的瓦斯含量法，即式（4）。

式中：W 為煤層瓦斯含量，m3/t；p 為瓦斯壓力，MPa；α 為含量系數(shù)，m3/（t·MPa0.5）。

對(duì)于瓦斯涌出量主要來自于鄰近層或圍巖的采煤工作面，應(yīng)綜合考慮本煤層抽采、鄰近層抽采和風(fēng)排瓦斯量，使工作面瓦斯抽采率滿足《暫行規(guī)定》中對(duì)應(yīng)的瓦斯涌出量的指標(biāo)。

2.3 以可解吸瓦斯量為判據(jù)的合理性

煤層瓦斯含量由可解吸瓦斯量和常壓不可解吸量2 部分組成?？山馕咚沽渴峭咚怪卫淼膶?duì)象，其脫離煤體經(jīng)歷3 個(gè)過程，首先是通過煤壁涌出和鉆孔抽采，其次在落煤期間大量解吸逸散在采掘空間內(nèi)，隨工作面風(fēng)流流出采場(chǎng)，最后是隨煤體運(yùn)輸過程中不斷緩慢解吸釋放。其中，第2 個(gè)階段是造成工作面、上隅角瓦斯超限的主要原因，所以瓦斯治理工作的關(guān)鍵，除了工作面合理配風(fēng)以外，就是需要通過高效抽采將可解吸瓦斯量減低到一定程度，使采煤過程中解吸出的瓦斯不足以引起瓦斯超限，從而實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。以可解吸瓦斯量作為有效抽采半徑的判定依據(jù)，是基于瓦斯抽采的核心目標(biāo)，具有合理性。

3 有效抽采半徑現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

為了考察基于抽采達(dá)標(biāo)的有效抽采半徑測(cè)試方法的實(shí)用性，在試驗(yàn)礦井1204 工作面開展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。試驗(yàn)礦井為高瓦斯礦井，礦井相對(duì)瓦斯涌出量19.17 m3/t。井田內(nèi)主要可采煤層為山西組03、2、4號(hào)煤層和太原組5 上、5、6、8+9 號(hào)煤層，首采2 號(hào)煤層屬貧煤，平均厚度2.79 m，工作面日產(chǎn)量約4 200 t，工作面瓦斯涌出主要來源于本煤層。礦井采用中央分列式通風(fēng)，走向長壁一次采全高的采煤方法。

考察有效抽采半徑的方法有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法和數(shù)值模擬法，數(shù)值模擬法可以節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的工程量和測(cè)試時(shí)間，并且得到有效抽采半徑隨時(shí)間變化的連續(xù)曲線，而且諸多學(xué)者在建立瓦斯流動(dòng)數(shù)學(xué)模型時(shí)，已經(jīng)在流固耦合理論的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步細(xì)化考慮了煤層埋深[14]、滲流場(chǎng)和煤層變形場(chǎng)控制方程[15]等多因素對(duì)瓦斯流動(dòng)規(guī)律的影響，但是一系列的簡化和假定條件，導(dǎo)致模擬計(jì)算的結(jié)果其偏離度難以確定，不利于直接指導(dǎo)實(shí)踐。因此，結(jié)合礦井條件，試驗(yàn)采用壓降法實(shí)測(cè)有效抽采半徑。

1）選擇未施工瓦斯抽采鉆孔的1204 運(yùn)輸巷里程900～950 m 范圍作為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試地點(diǎn)。在巷道里程900 m 處施工1#、2#壓力測(cè)試孔，在巷道里程930 m處施工3#、4#壓力測(cè)試孔?？讖骄鶠?4 mm，傾角5°，采用“兩堵一注”方法封孔，孔深35 m，封孔深度為33 m，保證封孔段不漏氣。鉆孔布置圖如圖1。

圖1 鉆孔布置圖Fig.1 Drilling layout drawing

2）封孔材料凝固后，安裝壓力表，連續(xù)測(cè)試鉆孔瓦斯壓力變化情況。

3）待壓力穩(wěn)定后，分別施工A、B 抽采鉆孔。A孔距1#孔1.0 m，距2#孔1.5 m；B 孔距3#孔2.0 m，距4#孔2.5 m，用于考察不同間距的瓦斯壓力變化情況。抽采孔孔徑94 mm，孔深35 m，傾角5°，采用“兩堵一注”封孔，封孔長度為10 m，抽采負(fù)壓為20 kPa。每天讀取壓力表數(shù)據(jù)，做好記錄并繪制各鉆孔的瓦斯壓力曲線。

根據(jù)前文2.2 小結(jié)闡述的有效抽采半徑判定方法，1204 工作面回采前應(yīng)滿足可解吸瓦斯量Wj≤5.5 m3/t。2 號(hào)煤層吸附常數(shù)a 值為31.313 m3/t，吸附常數(shù)b 值為0.432 MPa-1，煤的水分0.76%，灰分12.73%，孔隙率為2.11 m3/m3，密度為1.37 m3/t。結(jié)合式（1）、式（2）計(jì)算可得抽采后的殘余瓦斯含量WCY≤7.9 m3/t，由式（3）計(jì)算可得抽采達(dá)標(biāo)時(shí)煤層殘余瓦斯壓力應(yīng)降低到0.33 MPa 以下。因此，在一定時(shí)間內(nèi)，能將瓦斯壓力降低到該界定指標(biāo)以下的鉆孔間距即為有效抽采半徑。

各鉆孔瓦斯壓力隨抽采時(shí)間變化曲線如圖2。由圖2 可知：①1#測(cè)壓孔初始最大壓力為0.52 MPa，抽采孔接抽后，壓力持續(xù)下降，在第10～20 d下降較快，抽采50 d 后，壓力下降至0.32 MPa，低于界定指標(biāo)0.33 MPa，說明經(jīng)過50 d 時(shí)間，A 鉆孔周圍1 m 范圍內(nèi)瓦斯抽采達(dá)標(biāo)；②2#測(cè)壓孔初始最大壓力為0.66 MPa，為本次測(cè)試的最大壓力，抽采孔接抽后，在第12～25 d 壓力下降較快，抽采79 d 后，瓦斯壓力下降至0.32 MPa，低于界定指標(biāo)0.33 MPa，說明經(jīng)過79 d 時(shí)間，A 鉆孔周圍1.5 m 范圍內(nèi)瓦斯抽采達(dá)標(biāo)；③3#和4#測(cè)壓孔初始最大壓力分別為0.5、0.45 MPa，開始抽采后，瓦斯壓力下降較小，基本保持穩(wěn)定，觀測(cè)到第100 d 后，壓力分別降低到0.42、0.4 MPa，仍高于0.33 MPa 的界定指標(biāo)。

圖2 瓦斯壓力隨抽采時(shí)間變化曲線Fig.2 Curves of gas pressure changing with extraction time

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，抽采79 d 時(shí)有效抽采半徑可達(dá)1.5 m，結(jié)合1204 工作面的采掘接替時(shí)間安排，采用3.0 m 的鉆孔間距布置本煤層抽采鉆孔進(jìn)行預(yù)抽。為了驗(yàn)證該有效抽采半徑參數(shù)的合理性，對(duì)1204 回采工作面上隅角瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行連續(xù)1 個(gè)月的觀測(cè)，均保持在0.28%～0.66%范圍內(nèi)，未出現(xiàn)瓦斯超限情況，表明該有效抽采半徑可有效指導(dǎo)本煤層預(yù)抽鉆孔的布置。

4 結(jié) 論

1）基于抽采達(dá)標(biāo)的要求，確立了以工作面日產(chǎn)量對(duì)應(yīng)的可解吸瓦斯量為有效抽采半徑的核心判據(jù)，并且建立了有效抽采半徑的測(cè)試方法。該判定依據(jù)的來源具有一定的權(quán)威性，測(cè)試方法簡便易行，有助于形成規(guī)范的有效抽采半徑測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)?shù)V井回采進(jìn)入新采區(qū)或遇到瓦斯地質(zhì)異常區(qū)域時(shí)，可及時(shí)重新考察有效抽采半徑指導(dǎo)鉆孔布置，提升礦井瓦斯治理水平。

2）利用有效抽采半徑測(cè)試方法開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在1204 工作面瓦斯地質(zhì)條件和20 kPa 抽采負(fù)壓情況下，抽采50 d 時(shí)，有效抽采半徑可達(dá)1.0 m，抽采79 d 時(shí)，有效抽采半徑可達(dá)1.5 m，以此參數(shù)指導(dǎo)本煤層抽采鉆孔布置，實(shí)現(xiàn)了工作面瓦斯有效治理，反映了該判據(jù)的合理性和實(shí)用性。