基于瓦斯含量法的順層鉆孔抽采影響半徑研究

錢恒峰

（中煤能源新疆鴻新煤業(yè)有限公司，新疆 昌吉 831100）

預(yù)抽煤層瓦斯是煤礦解決瓦斯災(zāi)害的主要措施之一，其中順層鉆孔抽采是目前最常用的抽采技術(shù)手段。抽采鉆孔間距的大小直接影響煤層瓦斯抽采效果，抽采鉆孔間距過大，鉆孔之間形成抽采盲區(qū)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)不到抽采效果；抽采鉆孔間距過小，容易造成資源的浪費(fèi)，不經(jīng)濟(jì)且效果不佳[1-4]。本煤層抽采鉆孔間距確定依據(jù)是通過抽采半徑考察，將抽采半徑2 倍作為本煤層順層鉆孔間距。因此，開展抽采半徑考察工作對(duì)本煤層瓦斯抽采技術(shù)實(shí)施至關(guān)重要[5]。本文采用瓦斯含量法對(duì)煤層順層鉆孔抽采影響半徑進(jìn)行考察，旨在獲得抽采影響半徑與抽采時(shí)間關(guān)系，起到指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)瓦斯抽采的目的。

1 工程概況

寺家莊礦15 號(hào)煤層，屬于全區(qū)穩(wěn)定可采厚煤層，煤層厚度為3.1～8.65 m，平均5.67 m。煤層底板為炭質(zhì)泥巖，頂板為砂質(zhì)泥巖，煤層地質(zhì)簡(jiǎn)單。瓦斯流量衰減系數(shù)為0.031 1～0.049 7 d-1，煤層透氣性系數(shù)為0.128 79～0.153 34 m2/MPa2·d，瓦斯含量介于9.16～13.28 m3/t 之間。

礦井中央風(fēng)井廣場(chǎng)建有一座地面瓦斯抽采泵站，采用本煤層、鄰近層和采空區(qū)抽放的綜合瓦斯抽放方法。泵站內(nèi)共安裝10 臺(tái)瓦斯抽放泵，其中本煤層抽放配備8 臺(tái)水環(huán)式真空泵，鄰近層系統(tǒng)配備2 臺(tái)羅茨真空泵，總裝機(jī)能力為6 197.2 m3/min，運(yùn)行能力為3 123.6 m3/min。

2 瓦斯含量法

2.1 瓦斯含量法原理

當(dāng)使用瓦斯含量法進(jìn)行測(cè)定時(shí)，首先要進(jìn)行考察區(qū)域內(nèi)煤體原始瓦斯含量的測(cè)定，將特定孔徑的抽采鉆孔在考察區(qū)域內(nèi)施工，最后進(jìn)行封孔并進(jìn)行瓦斯抽采。抽采一段時(shí)間后，運(yùn)用直接測(cè)定法進(jìn)行考察區(qū)域瓦斯含量的測(cè)定，當(dāng)測(cè)定的瓦斯含量降到臨界值時(shí)，將此時(shí)瓦斯含量降低地點(diǎn)至抽采鉆孔的距離作為一定抽采時(shí)間內(nèi)的有效抽采半徑。

按照《煤礦安全規(guī)程》要求，煤層的預(yù)抽抽采率應(yīng)該大于30%，因此在考察抽采半徑時(shí)應(yīng)保證抽采率大于30%。當(dāng)抽采率大于30%時(shí)，將煤層瓦斯含量下降30%的等量線位置到鉆孔的距離稱為鉆孔有效抽采半徑，將煤層瓦斯含量下降10%的位置到鉆孔的距離稱為鉆孔抽采影響半徑。

2.2 抽采影響半徑實(shí)施步驟

根據(jù)寺家莊煤礦井下巷道實(shí)際布置情況，選擇在北翼帶式輸送機(jī)巷300 m 處實(shí)施抽采半徑考察，鉆孔布置如圖1。施工步驟如下：

圖1 抽采鉆孔布置示意圖

（1）在北翼帶式輸送機(jī)巷沿煤層走向方向垂直煤壁向煤層施工三個(gè)瓦斯抽采鉆孔，各抽采鉆孔之間相隔20 m，兩邊預(yù)留20 m 空白區(qū)域，鉆孔布置在煤層中間位置。

（2）在抽采鉆孔施工過程中，待鉆孔鉆進(jìn)至30 m 時(shí)取煤樣，取樣結(jié)束后立即在井下進(jìn)行解吸，升井后在實(shí)驗(yàn)室解吸，得出原始瓦斯含量。

（3）當(dāng)鉆孔施工完畢并且全程下套管后，采用“兩堵一注”的方法進(jìn)行封孔，從孔內(nèi)10 m 處起封，封孔長(zhǎng)度為18 m，采用FKL-1 型專用封孔水泥進(jìn)行封孔，保證封孔的嚴(yán)密性。

（4）待封孔完畢后立即安設(shè)瓦斯參數(shù)觀察裝置與抽采管路連接進(jìn)行抽采，保證孔口抽放負(fù)壓不低于13 kPa，每3 d 對(duì)抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察一次，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。

（5）連續(xù)抽采1 個(gè)月后，距離測(cè)試孔按一定的距離布置四個(gè)或五個(gè)鉆孔，分別進(jìn)行瓦斯含量測(cè)定，確定鉆孔抽采影響半徑范圍。

（6）保證整個(gè)過程中測(cè)試區(qū)域不受采動(dòng)影響，同時(shí)能夠保證連續(xù)抽采、抽采系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

其中抽采鉆孔孔徑為94 mm，間距20 m，孔深80 m，鉆孔與巷道夾角90°。在預(yù)抽鉆孔施工期間，測(cè)定得出的煤層瓦斯含量分別為13.315 7 m3/t、13.769 8 m3/t、13.670 9 m3/t。

瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行接抽之后，在連續(xù)抽采1、2、3、4、5、6 個(gè)月后，在抽采鉆孔周圍按照0.3 m、0.4 m、0.5 m 的間距實(shí)施檢驗(yàn)鉆孔。檢驗(yàn)鉆孔孔徑為75 mm，孔深70 m。瓦斯含量測(cè)定結(jié)果見表1。

表1 校檢瓦斯含量測(cè)定結(jié)果

2.3 抽采影響半徑分析

通過表1 發(fā)現(xiàn)：連續(xù)抽采1 個(gè)月之后，距離1#鉆孔0.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m 處的瓦斯含量分別 為10.647 4 m3/t、11.914 8 m3/t、12.071 7 m3/t、12.893 3 m3/t，比原始瓦斯含量13.315 7 m3/t 降低了20.04%、10.52%、5.59%、3.17%。根據(jù)判定準(zhǔn)則，判定1-1#、1-2#校檢孔均不在有效半徑范圍內(nèi)，但位于影響半徑范圍內(nèi)；1-3#、1-4#校檢孔不在鉆孔影響半徑范圍內(nèi)。綜上所述，當(dāng)鉆孔抽采1 個(gè)月時(shí)，抽采影響半徑0.6 m ＜R ＜0.9 m，采用插值法確定抽采影響半徑為0.63 m。

連續(xù)抽采2 個(gè)月后，距1#測(cè)試孔0.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m 處的瓦斯含量分別為10.475 9 m3/t、10.728 7 m3/t、11.851 3 m3/t、12.707 8 m3/t， 比 原始瓦斯含量13.315 7 m3/t 降低了21.33%、19.43%、11.00%、4.57%。因此，可以判定2-1#、2-2#、2-3#校檢孔在鉆孔影響半徑范圍內(nèi)；2-4#校檢孔不在鉆孔影響半徑范圍內(nèi)。綜上所述，當(dāng)鉆孔抽采2 個(gè)月時(shí)，鉆孔有效抽采半徑為抽采影響半徑0.9 m＜r＜1.2 m，采用插值法確定抽采影響半徑為0.95 m。

連續(xù)抽采3 個(gè)月后，距離2#測(cè)試孔0.4 m、0.8 m、1.2 m、1.6 m 位置的瓦斯含量分別為10.831 9 m3/t、11.711 7 m3/t、12.365 7 m3/t、13.593 5 m3/t，比 原 始瓦斯含量13.769 8 m3/t 降低了21.34%、14.95%、10.20%、1.28%。因此，可以判定3-1#、3-2#、3-3#校檢孔不在有效半徑范圍內(nèi)，但都位于影響半徑范圍內(nèi)；3-4#校檢孔不在影響半徑范圍內(nèi)。綜上所述，當(dāng)鉆孔抽采3個(gè)月時(shí)，鉆孔抽采影響半徑為1.2 m＜R＜1.6 m，采用插值法確定抽采影響半徑為1.21 m。

連續(xù)抽采4 個(gè)月、5 個(gè)月、6 個(gè)月采取上述相同的方法分析。當(dāng)鉆孔抽采4 個(gè)月時(shí)，鉆孔抽采影響半徑1.2 m ＜R ＜1.6 m，采用插值法確定抽采影響半徑為1.57 m；當(dāng)鉆孔抽采5 個(gè)月時(shí)，鉆孔抽采影響半徑1.5 m ＜R ＜2.0 m，采用插值法確定抽采影響半徑為1.84 m；鉆孔抽采6 個(gè)月時(shí)，鉆孔瓦斯抽采影響半徑2.0 m ＜R ＜2.5 m，采用插值法確定抽采影響半徑為2.09 m。

瓦斯抽采影響半徑隨時(shí)間變化如圖2。

通過圖2 看出：15 號(hào)煤層抽采影響半徑隨著抽采時(shí)間增加而增大，抽采影響半徑與抽采時(shí)間之間的關(guān)系可以表示為y=0.061 2x0.6758。式中：y為抽采影響半徑，m；x為抽采時(shí)間，d。

圖2 抽采影響半徑與時(shí)間關(guān)系

3 結(jié)論

通過選用瓦斯抽采半徑測(cè)定常用的瓦斯含量法對(duì)寺家莊煤礦15 號(hào)煤層進(jìn)行了抽采影響半徑的分析，得到抽采影響半徑與抽采時(shí)間的關(guān)系為y=0.061 2x0.6758。通過抽采影響半徑與抽采時(shí)間關(guān)系方程，根據(jù)不同煤礦實(shí)際情況選擇合理的抽采時(shí)間進(jìn)而確定抽采半徑，能夠?yàn)榈V井瓦斯治理工作提供重要的價(jià)值信息。