基于壓降法測定鉆孔有效抽采半徑

楊 雷，蔡 猛

(1.山西焦煤集團(tuán)公司 霍州煤電河津騰暉煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 運(yùn)城 044000； 2.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院， 山西 晉中 030600)

目前，煤礦瓦斯抽采是降低煤層瓦斯壓力、減少工作面瓦斯涌出和消除煤與瓦斯突出災(zāi)害的重要措施，直接影響瓦斯綜合治理的效果。在瓦斯抽采過程中，鉆孔的有效抽采半徑是一個重要參數(shù)，直接關(guān)系到預(yù)抽鉆孔的設(shè)計、布置和預(yù)抽時間的長短，影響瓦斯抽采效果。

考察煤層鉆孔瓦斯抽采半徑的方法有多種，歸納起來可以分為3大類：現(xiàn)場測試法、理論計算法以及數(shù)值模擬法[1]. 其中，現(xiàn)場測試法主要有鉆孔瓦斯壓力下降法、鉆孔瓦斯流量法、鉆屑指標(biāo)法、鉆孔負(fù)壓法和示蹤氣體法[2]. 應(yīng)用比較廣泛的有瓦斯壓力下降法、鉆孔瓦斯流量法和鉆屑指標(biāo)法。針對騰暉煤業(yè)的現(xiàn)狀及條件，在2號煤層2-104綜采工作面利用鉆孔瓦斯壓力下降法確定鉆孔的有效抽采半徑，保證礦井的安全生產(chǎn)。

1 礦井概況

騰暉煤業(yè)位于山西省河津市下化鄉(xiāng)杜家灣村、鄉(xiāng)寧縣棗嶺鄉(xiāng)店溝村，礦井絕對瓦斯涌出量33.88 m3/min，相對瓦斯涌出量14.15 m3/t，為高瓦斯礦井。采用以定向鉆孔結(jié)合順層鉆孔區(qū)域抽采、順層條帶鉆孔抽采、頂板定向高位鉆孔抽采和采空區(qū)埋管抽采的井下抽采模式為主的瓦斯治理模式。目前開采2、10號煤層，生產(chǎn)能力為1.20 Mt/a. 2-104綜采工作面位于2號煤層一采區(qū)，工作面設(shè)計長度450 m，其中切巷長180 m，煤層總厚5.2 m，煤層傾角2°，煤層基本頂為中粒砂巖，厚度9.5 m，淺灰色，灰色，中粒砂狀結(jié)構(gòu)，鈣質(zhì)膠結(jié)，中厚層狀，局部富集云母碎片；直接頂為沙質(zhì)砂巖，厚度11.8 m，呈灰黑色，砂質(zhì)泥狀結(jié)構(gòu)，水平層理，含植物化石碎片；直接底為泥巖，厚度3.13 m, 呈深灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，水平層理，含植物化石碎片；基本底為細(xì)粒砂巖，厚度4.1 m，呈灰色，細(xì)粒砂狀結(jié)構(gòu)，交錯層理，鈣質(zhì)膠結(jié)。2-104工作面采用走向長壁綜合機(jī)械化放頂煤開采，采空區(qū)處理采用頂板全部垮落法。依據(jù)煤層賦存情況、巷道掘進(jìn)高度及采煤機(jī)與支架的配套關(guān)系，確定工作面采高為2.5 m. 其工業(yè)儲量58.9萬t，服務(wù)年限6.2個月。

2 現(xiàn)場工業(yè)性試驗

2.1 瓦斯壓力下降法

本次選用鉆孔瓦斯壓力下降法對2號煤層2-104工作面的瓦斯抽采半徑進(jìn)行考察研究，最終確定瓦斯有效抽采半徑[3-4]. 瓦斯抽采影響半徑和瓦斯抽采有效半徑都是以煤層瓦斯壓力的下降幅度作為指標(biāo)，采用相對瓦斯壓力指標(biāo)，煤層瓦斯抽采半徑的確定方法為：在煤層打一排測壓孔，見圖1. 其中，2、3、4……n均為測壓孔，d1、d2、d3……dn-1為相鄰鉆孔之間的距離，并在每個測壓孔裝上壓力表，記錄每個測壓孔的原始瓦斯壓力P2、P3……Pn；在2號孔一側(cè)施工1號抽采鉆孔并進(jìn)行抽采。當(dāng)抽采一定時間后，觀察每個測壓孔的瓦斯壓力P22、P33……Pnn. 根據(jù)每個測壓孔的原始瓦斯壓力和抽采后的壓力，可以得到每個測壓孔的預(yù)抽率，如果a號孔以及它之前的每個測壓孔的瓦斯壓力下降量都≥51%，而a號孔之后的測壓孔都<51%，那么d=d1+d2+d3+……+da-1，這里的d就是鉆孔的有效抽采半徑;當(dāng)a號孔及其之前測壓孔瓦斯壓力均下降10%以上，可認(rèn)為其處于抽采影響圈內(nèi)，此時d為鉆孔的抽采影響半徑。測試鉆孔布置及鉆孔位置圖分別見圖1、圖2.

圖1 2號煤層測試鉆孔布置示意圖

圖2 抽采半徑鉆孔測點(diǎn)位置圖

2.2 鉆孔設(shè)計

在測試地點(diǎn)施工7個鉆孔，其中測壓鉆孔6個，抽采鉆孔1個，測壓鉆孔與抽采鉆孔間距依次取1 m、2 m、3 m、4 m、5 m和6 m，鉆孔垂直于煤壁施工。施工地點(diǎn)在2-2-1042巷距切眼200 m，鉆孔布置見圖3，鉆孔參數(shù)見表1.

圖3 斷面鉆孔布置圖

1) 在測試點(diǎn)施工測壓孔，根據(jù)測壓鉆孔的施工要求，每個測壓鉆孔施工長度為55 m，封孔深度為45 m，以確保封孔效果的氣密性。測壓管采用長度為2 m的d12.5 mm的無縫鋼管連接而成，壓力表采用1.6 MPa標(biāo)準(zhǔn)壓力表，封孔采用“兩堵一注”囊袋式封孔器，每天觀測壓力表讀數(shù)并記錄。

表1 鉆孔參數(shù)表

2) 待測壓鉆孔瓦斯壓力值穩(wěn)定后，施工抽采鉆孔，抽采鉆孔與測壓鉆孔的孔口及孔底間距必須保持平行，在空間內(nèi)不能交叉。抽采鉆孔施工完畢后及時進(jìn)行封孔，封孔管采用d50 mmPE管，封孔方式采用“兩堵一注”囊袋式封孔，封孔深度為12 m，封孔完成后連接抽采系統(tǒng)，抽采負(fù)壓保持在15 kPa左右。

3) 預(yù)抽開始后，觀察測壓鉆孔瓦斯壓力變化情況，測試時間不少于80天，每天測試次數(shù)不低于1次，抽采期間要保證抽采負(fù)壓基本維持穩(wěn)定，做好記錄并繪制各測量鉆孔的瓦斯壓力曲線。通過瓦斯壓力下降情況考察抽采孔的抽采效果，以確定2號煤層的鉆孔瓦斯抽采半徑。

3 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

鉆孔施工完畢后立即封孔，并采用被動測壓法進(jìn)行壓力測試，觀測每個鉆孔瓦斯壓力變化，待測壓鉆孔瓦斯壓力穩(wěn)定后，施工抽采鉆孔2-0#，并接入已有的預(yù)抽管路進(jìn)行瓦斯抽采。經(jīng)過3個多月的觀察，同時對6個測壓鉆孔的壓力變化進(jìn)行記錄，共收集6組數(shù)據(jù)并繪制壓力變化曲線，得到了不同抽采時間內(nèi)不同距離測壓鉆孔的瓦斯壓力變化曲線，見圖4，分別對測壓鉆孔第40天、60天、80天的瓦斯壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，壓力下降幅度統(tǒng)計表見表2.

3.2 數(shù)據(jù)分析

2-1#—2-3#鉆孔在80 d時瓦斯壓力下降幅度分別達(dá)到77%、64%、63%，根據(jù)瓦斯抽采影響半徑和有效半徑的確定指標(biāo)，瓦斯壓力下降幅度均超過51%，分析確定3個鉆孔均處于瓦斯有效抽采半徑以內(nèi)；2-4#—2-6#鉆孔在80 d時瓦斯壓力下降幅度分別達(dá)到了28%、11%、13%，均大于10%，由此確定3個鉆孔均處于抽采影響圈內(nèi)。

表2 測壓鉆孔瓦斯壓力統(tǒng)計分析表

圖4 測壓孔瓦斯壓力值變化曲線圖

4 結(jié) 論

1) 當(dāng)抽采半徑為1～3 m時，根據(jù)鉆孔瓦斯壓力下降法指標(biāo)，3組壓力測試鉆孔中瓦斯壓力下降幅度均超過51%，平均達(dá)到68%，滿足《煤礦安全規(guī)程》、《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》等要求煤層瓦斯預(yù)抽率一般大于30%的要求，能夠保證工作面回采期間礦井的安全生產(chǎn)。騰暉煤業(yè)2號煤層抽采半徑為2 m時較為合適，可以滿足工作面瓦斯抽采率，保證工作面的安全生產(chǎn)和瓦斯的高效利用。

2) 由于鉆孔瓦斯抽采半徑的考察影響因素較多，在不同的地質(zhì)區(qū)域、不同的煤質(zhì)條件和不同的鉆孔參數(shù)條件下，需要重新考察瓦斯抽采半徑。所以，在上述條件發(fā)生變化時，應(yīng)重新考察鉆孔瓦斯抽采半徑，以保證礦井的安全生產(chǎn)。