楊柳礦穿層鉆孔抽采半徑測定

崔 魁

（淮北礦業(yè)集團，安徽 淮北 233600）

在礦井瓦斯抽采過程中，鉆孔抽采間距的設(shè)計與瓦斯抽采效果的好壞有直接關(guān)系。其中，抽采半徑在抽采鉆孔間距設(shè)計過程中可以起到指導(dǎo)性作用，鉆孔流場的控制范圍又會影響鉆孔最佳抽采間距[1-3]。鉆孔抽采間距和抽采半徑都與很多影響因素有關(guān)[4-6]，故合理的鉆孔間距應(yīng)該在測定抽采有效半徑的基礎(chǔ)上確定，以便科學(xué)確定鉆孔間距，確定抽采期[7-9]。

1 測試地點概況

測試地點選在淮北礦區(qū)楊柳礦1061 工作面，機抽巷位于10 煤底板，距10 煤法距21～30 m，巖性以粉砂巖和細砂巖為主。巖巷施工過程中揭露多條斷層，其中3 條正斷層。10 煤層賦存比較穩(wěn)定，平均煤厚3.05 m，傾角在0～5°之間，有突出危險性，瓦斯參數(shù)見表1。

表1 部分瓦斯參數(shù)表

2 鉆孔設(shè)計及施工參數(shù)

在1061 機抽巷幫巖壁依次施工2～5 號測試孔，穿過煤層全厚且進入煤層頂板至少0.5 m，孔底間距分別控制為2 m、4 m、6 m、8 m。待其壓力穩(wěn)定后施工一個1 號抽采孔，鉆場斷面鉆孔布置方式如圖1，觀測孔封孔采用水泥砂漿封孔，抽采孔采用聚氨酯封孔，并記錄封孔開始和完成時間。每天按時測定各測試孔的壓力變化，待壓力穩(wěn)定后，對預(yù)抽孔聯(lián)網(wǎng)進行預(yù)抽，持續(xù)觀測2～5 號孔瓦斯壓力。

圖1 1061 機抽巷鉆孔布置示意圖（m）

2.1 測試結(jié)果及分析

鉆孔壓力全部穩(wěn)定后，對預(yù)抽孔聯(lián)網(wǎng)24 h 實施不間斷抽放，對四個壓力考察孔進行了為期5 個月的瓦斯壓力數(shù)據(jù)實測，得到瓦斯流量實測數(shù)據(jù)，繪得觀測孔瓦斯壓力變化曲線圖，如圖2。MPa，開始抽放后很長時間沒有明顯變化，直至1個月以后壓力才出現(xiàn)衰減，然后趨于穩(wěn)定，至考察結(jié)束壓力穩(wěn)定在0.55 MPa，降幅35.3%。因此判斷3#考察孔在1#孔的影響半徑內(nèi)，未達到抽采有效半徑指標，故認定3#孔不在抽采有效半徑范圍內(nèi)。

圖2 觀測孔瓦斯壓力變化曲線圖

綜上所述，本次對楊柳礦10 煤層穿層鉆孔抽采半徑鉆孔測試結(jié)果如下：4#和5#測試孔在1#抽采孔的有效抽采半徑范圍內(nèi)；3#孔在1#孔的抽采影響半徑以內(nèi)，不在有效抽采半徑以內(nèi)；2#孔不在抽采影響半徑范圍內(nèi)。因此，抽采120 d 的有效抽采半徑為4 m，抽采影響半徑為6 m。各壓力觀測孔雖然起始壓力值各不同，但是隨著抽放時間的延續(xù)，瓦斯壓力衰減趨勢基本相同，也證明了測試前采用相對壓力指標作為抽放有效半徑指標的正確性。通過線性回歸得到各曲線的趨勢線，進而確定其壓力變化的幅度，具體數(shù)值見表2。

表2 觀測孔壓力變化幅度

由圖2 可知：

（1）2#考察孔由于出現(xiàn)鉆孔涌水現(xiàn)象，大部分時間未測得壓力，只在開始負壓抽采后出現(xiàn)壓力小幅攀升趨勢，最后壓力穩(wěn)定在0.05 MPa?？梢詳喽?#孔不在抽采影響半徑范圍內(nèi)。

（2）4#考察孔在抽采前，瓦斯壓力經(jīng)過升高然后穩(wěn)定在1.02 MPa，抽采后，壓力開始不斷下降，穩(wěn)定一段時間后繼續(xù)下降穩(wěn)定。由初期穩(wěn)定時的1.02 MPa 至后期穩(wěn)定時的0.47 MPa，下降幅度達53.9%，由此判斷，4#考察孔（2 m）在1#抽采孔的抽采影響半徑內(nèi)，也在1#孔的有效半徑范圍內(nèi)。

（3）5#考察孔與4#孔的衰減趨勢基本相同，由初期表壓穩(wěn)定時的1.05 MPa 至最終穩(wěn)定時的0.51 MPa，下降幅度達51.4%，達到抽采影響半徑指標規(guī)定的相對瓦斯壓力在原基礎(chǔ)上下降19%的要求，也達到了抽采有效半徑指標規(guī)定的瓦斯壓力下降51%的要求，故認定5#孔（4 m）在1#抽采孔的影響半徑內(nèi)，也在1#孔的有效半徑范圍內(nèi)。

（4）3#考察孔抽放前瓦斯壓力穩(wěn)定在0.85

圖3 為單孔瓦斯抽放參數(shù)變化曲線圖。從中可以看出，抽放前鉆孔混合流量與純流量呈加速上升趨勢，抽放初期，純流量值達到最大，之后瓦斯?jié)舛扰c純流量開始緩慢下降，而后加速下降；在連續(xù)抽放43 d 后瓦斯抽放濃度低于20%，再次趨于穩(wěn)定后不久開始緩慢下降；瓦斯抽放混合流量在抽采負壓一定時，流量值逐漸升高而后變化不大。

圖3 單孔瓦斯抽放參數(shù)變化曲線圖

2.2 極限抽采時間

鉆孔抽采過程中瓦斯流量的衰減規(guī)律呈負指數(shù)變化，將單孔瓦斯抽采量的實測結(jié)果換算為百米鉆孔抽采量，并采用以下公式進行回歸分析[10]：

式中：q0表示百米鉆孔瓦斯初始抽采量，m3/（hm·min）；β表示抽采鉆孔瓦斯涌出衰減系數(shù)；η表示預(yù)抽率，%；ρ表示煤體密度，t/m3。

預(yù)抽率、殘余瓦斯壓力與殘余瓦斯含量的關(guān)系：

式中：η為瓦斯預(yù)抽率，%；Wc為殘余瓦斯含量，m3/t；W為原始瓦斯含量，m3/t；α為煤層瓦斯含量系數(shù)，m3/（t·MPa1/2）；Pc為殘余瓦斯壓力，MPa；P為原始瓦斯壓力，MPa。

隨著時間的延續(xù)，抽采影響范圍是逐漸擴大的，但存在一個極限，達到這個范圍所用的時間即為極限抽采時間，計算公式如式（3）。鉆孔抽采時間一般不大于極限抽采時間。

鉆孔見煤長度為2.7 m，用百米鉆孔瓦斯抽采量表示為：）

最大原始瓦斯壓力P=1.5 MPa 代入公式（1），得出預(yù)抽率η=58.19%，再由公式（3）算得極限抽采時間為375 d。在試驗地點測得煤體瓦斯含量W=8.7 m3/t，密度ρ=1.33 t/m3，按公式（1）分析預(yù)抽時間分別為50 d、100 d、150 d、200 d、250 d、300 d 和350 d 時，有效抽采半徑見表3。

表3 不同抽采時間下的有效抽采半徑

從圖4 看出，抽采150 d 之前，抽采半徑變化率較大，隨著時間延長開始減緩，350 d 之后基本不再變化。根據(jù)現(xiàn)場考察結(jié)果，當(dāng)抽采120 d 時，有效抽采半徑為4 m，這與數(shù)值計算當(dāng)抽采時間為150 d、有效抽采半徑為3.96 m 的結(jié)果基本吻合，所以設(shè)計抽采200 d 時，抽采半徑為4.32 m，即鉆孔合理布置間距為8.64 m，可取間距8 m 布置鉆孔。

圖4 不同抽采時間下抽采半徑示意圖

3 結(jié)論

（1）穿層鉆孔的抽采半徑常用測定方法較多，根據(jù)測試地點實際情況，對測定方法進行優(yōu)化，采用相對壓力指標法測定抽采半徑。

（2）經(jīng)現(xiàn)場實測，楊柳礦10 煤層抽采半徑：當(dāng)抽采120 d 時，有效抽采半徑為4 m，數(shù)值計算當(dāng)抽采時間為150 d 時，有效抽采半徑為3.96 m，兩種測試方法結(jié)果吻合，并求得極限抽采時間為375 d，得出抽采半徑變化趨勢為先增大后趨于穩(wěn)定。