東大煤礦底抽巷穿層定向長鉆孔抽采效果驗證方法

晁志國

（晉能控股裝備制造集團，山西 晉城 048000）

瓦斯抽采技術是消除瓦斯突出煤層危險性的有效方法[1-2]，包括地面鉆井瓦斯抽采和井下瓦斯抽采法[3]。井下瓦斯抽采法具有適用性強、成本低、鉆孔施工可靠性高等優(yōu)勢。因此，東大煤礦采取此方法對試驗煤層瓦斯進行治理。

1 瓦斯抽采效果測試原理

東大煤礦試驗煤層的初始瓦斯壓力約為0.5 MPa，初始瓦斯含量約為12.82 m3/t，煤體堅固性系數(shù)為0.41，絕對瓦斯涌出量為29.5 m3/min，煤層無自燃傾向性。根據(jù)煤礦瓦斯防治技術相關規(guī)定，當煤層中的瓦斯含量低于8 m3/t 時可認定為無突出危險性的煤層。因此，為消除試驗煤層的瓦斯災害危險性，抽采技術方案需要保證瓦斯由初始含量降低到安全界限以下，降低幅度約為38%。瓦斯抽采的過程中，通過分析瓦斯抽采的測試原理，現(xiàn)場測定底抽巷穿層長鉆孔的瓦斯抽采流量，分析瓦斯抽采率的變化狀態(tài)，對瓦斯抽采的實際效果進行檢驗。

為判別瓦斯抽采效果，以瓦斯抽采率和瓦斯抽采流量作為理論基礎，建立瓦斯抽采效果判別方法。如圖1 所示，鉆孔附近由于抽采負壓較高，塑性區(qū)破碎程度較大，可假設為抽采率為1，隨著煤層距離抽采鉆孔的距離逐漸增加，當完全脫離鉆孔負壓的抽采范圍和彈塑性破壞區(qū)影響時，此位置的瓦斯抽采量變?yōu)?，且假設瓦斯抽采率從1 到0 的變化規(guī)律遵循指數(shù)型函數(shù)分布形式。由此可建立鉆孔瓦斯流量公式（1）。

圖1 底抽巷穿層定向長鉆孔瓦斯抽采率分布規(guī)律示意圖

式中：Q為鉆孔瓦斯流量，m3/min；C為煤層中瓦斯含量，m3/t；D為鉆孔長度，m；ρc為煤體密度，kg/m3；β為瓦斯抽采率系數(shù)。

將式（1）進行積分并求極限，得到瓦斯流量系數(shù)β為：

最終可得距鉆孔距離為x位置處的瓦斯抽采率為：

2 穿層鉆孔布置方案

2.1 鉆孔布置參數(shù)

東大煤礦試驗煤層的底抽巷穿層定向長鉆孔共布置7 個，用于抽采采煤工作面的瓦斯。如圖2（a）、2（b）所示，7 個鉆孔分為3 組，其中第一組鉆孔共包含3 個鉆孔，分別為1-1、1-2、1-3；第二組鉆孔共包含2 個鉆孔，分別為2-1、2-2；第三組鉆孔共包含2 個鉆孔，分別為3-1、3-2。組內鉆孔的間隔距離為10 m，組間鉆孔的水平方向間隔距離為10 m，組間鉆孔的垂直方向間隔距離為0.8 m，鉆孔距離最近的上方和下方距離為1 m。瓦斯抽采鉆孔布置距離原始應力區(qū)的間隔為15 m。瓦斯抽采鉆孔的施工數(shù)據(jù)見表1。

表1 底抽巷穿層定向長鉆孔布置參數(shù)表

圖2 底抽巷穿層定向長鉆孔布置位置示意圖（m）

井下瓦斯抽采的封孔方式與封孔效果直接影響了瓦斯抽采效果。為保證試驗煤層底抽巷穿層定向長鉆孔的瓦斯抽采效果，采用速凝發(fā)泡水泥漿對鉆孔進行封孔處理。封孔采用“一堵一注”的方式，作用機理是利用含有膨脹劑的水泥砂漿充斥鉆孔周圍的塑性破碎巖體，膨脹后的水泥砂漿可以很好地對鉆孔以及鉆孔周圍的裂隙巖體進行封堵，保證鉆孔內的抽采負壓維持穩(wěn)定，管道內的瓦斯不產(chǎn)生泄漏，以此保障瓦斯的抽采效果。采用膨脹劑的水泥砂漿避免了純水泥砂漿凝固后的體積縮減效應，對于鉆孔的封孔效果更好。封孔示意圖如圖3。

圖3 底抽巷穿層定向長鉆孔封孔示意圖

2.2 瓦斯抽采流量測試方法

工程鉆孔測試法、計算機數(shù)值模擬方法、氣體分子示蹤法是測定瓦斯抽采效果主要方法。工程鉆孔測試法當中包括“瓦斯壓力測試法”和“瓦斯流量測試法”。根據(jù)東大煤礦煤層瓦斯賦存狀態(tài)實際，運用瓦斯流量測試法對底抽巷穿層長鉆孔的瓦斯抽采效果進行監(jiān)測與驗證。

1）根據(jù)表1 所示的鉆孔施工參數(shù)，包括鉆孔傾角、方位角、鉆孔深度、封孔深度，在工作面底抽巷內一共施工7 個穿層鉆孔。

2）所有的瓦斯抽采鉆孔均需要進行封孔處理，封孔的主要技術如圖3。

3）對鉆孔進行封孔后，每10 min 對3 組鉆孔進行瓦斯流量監(jiān)測，各組鉆孔流量需監(jiān)測5 次以上。

4）以進行聯(lián)網(wǎng)抽采的時間作為第0 天，連續(xù)監(jiān)測記錄瓦斯流量演化情況。

5）將數(shù)據(jù)監(jiān)測儀統(tǒng)計的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行整理，并對瓦斯抽采流量的數(shù)據(jù)進行分析。

3 瓦斯抽采測試效果驗證

3.1 瓦斯抽采流量測試結果

為檢驗底抽巷穿層定向長鉆孔的瓦斯抽采效果，匯總了3 組鉆孔在30 d 以內的瓦斯流量實測數(shù)據(jù)，現(xiàn)場測試采用多參量的瓦斯流量測定儀進行數(shù)據(jù)采集，布置多組鉆孔進行瓦斯流量的抽采檢測可以避免抽采鉆孔的瓦斯流量誤差影響，將誤差控制在允許范圍之內。將每組鉆孔的瓦斯流量進行平均值處理，最終就得到每組鉆孔的瓦斯流量數(shù)據(jù)。試驗煤層的瓦斯流量數(shù)據(jù)見表2。

表2 瓦斯抽采流量30 d 數(shù)據(jù)表

試驗煤層30 d 的瓦斯抽采流量數(shù)據(jù)繪制成曲線圖如圖4。3 組鉆孔的瓦斯抽采流量在30 d 內的變化趨勢擬合曲線均為指數(shù)型衰減形式，其中1#組鉆孔的衰減幅度最大，由初始0.318 0 衰減至0.157 3，瓦斯的抽采效果最好；2#組鉆孔的瓦斯抽采衰減幅度居中，由初始0.298 0 降低至0.185 8，鉆孔抽采效果較好；3#鉆孔的瓦斯抽采衰減幅度最低，由初始0.201 0 衰減至0.173 2。在抽采的初始幾天內，瓦斯的流量數(shù)據(jù)有明顯波動，代表在抽采的初期，煤層內部瓦斯壓力狀態(tài)及抽采鉆孔流量和瓦斯流動狀態(tài)具有不穩(wěn)定性。

圖4 瓦斯抽采流量30 d 統(tǒng)計圖

3.2 瓦斯抽采率測試結果

為測試底抽巷穿層定向長鉆孔的瓦斯抽采率，根據(jù)上文推導的公式（3）與表2 中的瓦斯流量數(shù)據(jù)，可計算得到距離鉆孔不同位置處的瓦斯抽采率的演化趨勢曲線。主要計算距離鉆孔3～4 m 處的瓦斯抽采率，其中計算了1#組鉆孔3.2 m、3.48 m、3.7 m距離處的瓦斯抽采率，計算了2#組鉆孔3.3 m、3.45 m、3.6 m 處的瓦斯抽采率，計算了3#組鉆孔3.1 m、3.31 m、3.5 m 處的瓦斯抽采率。3 組鉆孔在30 d 內的瓦斯抽采率統(tǒng)計如圖5。靠近抽采鉆孔時，抽采率越高。瓦斯抽采率隨抽采時間增加呈指數(shù)性變化。1#組鉆孔的瓦斯抽采率大于2#組鉆孔的瓦斯抽采率，3#組鉆孔的瓦斯抽采率最低。3 組鉆孔的瓦斯抽采率在30 d 內均達到了40%左右，滿足前文所述試驗煤層的瓦斯防突技術要求中規(guī)定的瓦斯抽采率為38%的要求，隨著抽采繼續(xù)，極大降低瓦斯的突出危險性。根據(jù)瓦斯抽采流量的演化趨勢和瓦斯抽采率的降低幅度可知底抽巷穿層定向長鉆孔抽采瓦斯技術有效地防治了試驗煤層的突出危險性。

圖5 東大煤礦瓦斯抽采率30 d 統(tǒng)計圖

4 結語

1）以瓦斯抽采率和瓦斯抽采流量作為理論基礎，建立瓦斯抽采效果判別方法。假設瓦斯抽采率從1 到0 的變化規(guī)律遵循指數(shù)型函數(shù)分布形式，推導出鉆孔瓦斯流量公式。

2）布置7 個底抽巷穿層定向長鉆孔，分為3組進行瓦斯流量監(jiān)測，給出了鉆孔施工參數(shù)。

3）匯總了3 組鉆孔在30 d 以內的瓦斯流量現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，3 組鉆孔瓦斯流量均呈指數(shù)衰減形式。計算得出，此期間內瓦斯抽采率達到了瓦斯防治標準。