王永升

(河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

開(kāi)采保護(hù)層與預(yù)抽煤層瓦斯是《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中最主要的區(qū)域防突措施［1］，但是隨著大多數(shù)礦井開(kāi)采深度增加，有些礦井的保護(hù)層開(kāi)采難度增大或轉(zhuǎn)變?yōu)椴痪哂虚_(kāi)采保護(hù)層條件的煤層，預(yù)抽煤層瓦斯現(xiàn)已成為許多礦井治理煤層瓦斯的主要技術(shù)措施。抽采鉆孔間距是布置預(yù)抽鉆孔的主要參數(shù)，鉆孔間距過(guò)大會(huì)使預(yù)抽段留有抽采空白帶，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)造成威脅;鉆孔間距過(guò)小施工時(shí)容易發(fā)生串孔并且增加抽采鉆孔施工數(shù)量及煤炭開(kāi)采成本，加劇工作面接替緊張的局面。為了實(shí)現(xiàn)抽采鉆孔設(shè)計(jì)和施工的合理性，提高抽采鉆孔的利用率，準(zhǔn)確地測(cè)定抽采鉆孔有效抽采半徑對(duì)煤礦瓦斯治理與利用具有十分重要的意義。

1 鉆孔有效抽采半徑測(cè)定方法

1.1 鉆孔有效抽采半徑定義

煤層內(nèi)瓦斯主要以吸附態(tài)和游離態(tài)存在，游離態(tài)瓦斯僅占5% ～12%，煤層不受采動(dòng)影響時(shí)兩種狀態(tài)瓦斯處于動(dòng)態(tài)平衡，當(dāng)煤層受采動(dòng)影響或者抽采時(shí)吸附態(tài)可以轉(zhuǎn)化為游離態(tài)瓦斯［2］. 抽采鉆孔在抽放煤層瓦斯時(shí)，在抽采鉆孔負(fù)壓和煤層原始瓦斯壓力的作用下，鉆孔影響半徑范圍內(nèi)游離態(tài)瓦斯在壓力差的作用下沿煤體的裂隙通道運(yùn)移至抽采鉆孔，并經(jīng)抽采管路排出;煤體內(nèi)吸附態(tài)瓦斯開(kāi)始解吸，一部分吸附態(tài)瓦斯轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)瓦斯，也通過(guò)抽采管路排出。抽采鉆孔一定影響范圍內(nèi)煤層的瓦斯解吸與排放使煤體瓦斯含量降低、瓦斯壓力下降，從而形成一個(gè)以抽采鉆孔為中心的類(lèi)似圓形的抽放影響圈，隨著鉆孔抽采時(shí)間的延長(zhǎng)，抽采影響圈也在增大，直到當(dāng)煤層瓦斯壓力與抽放負(fù)壓的動(dòng)力不能克服煤層瓦斯運(yùn)移到抽采鉆孔阻力時(shí)為止。鉆孔有效抽采半徑就是指在規(guī)定抽采時(shí)間內(nèi)以抽采鉆孔為圓心，該半徑范圍內(nèi)的瓦斯壓力與瓦斯含量降低到安全容許值的半徑值［3］.

1.2 鉆孔有效抽采半徑的測(cè)定方法

現(xiàn)場(chǎng)鉆孔測(cè)定法與計(jì)算機(jī)模擬法是目前應(yīng)用最多的鉆孔瓦斯抽采半徑的測(cè)定方法。

現(xiàn)場(chǎng)鉆孔測(cè)定法:在測(cè)定區(qū)域煤層施工一定數(shù)量的測(cè)定鉆孔，通過(guò)考察距離抽采鉆孔不同范圍的特定參數(shù)的數(shù)值變化來(lái)確定有效抽采半徑?？筛鶕?jù)不同的地質(zhì)條件選擇不同的測(cè)定參數(shù)，常用的測(cè)定參數(shù)有煤層瓦斯壓力、鉆孔瓦斯流量、惰性氣體SF6濃度等。趙楠，季淮君等采用了壓降法對(duì)蘆嶺煤礦8 號(hào)煤層瓦斯抽采半徑進(jìn)行試驗(yàn)研究［4］.辛明利用SF6示蹤氣體測(cè)定技術(shù)對(duì)朱集煤礦瓦斯抽采半徑進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，并得出該礦井鉆孔瓦斯抽采半徑可達(dá)5 m［5］.

計(jì)算機(jī)模擬法:以達(dá)西定律為基礎(chǔ)，建立鉆孔內(nèi)瓦斯流動(dòng)模型來(lái)模擬抽采鉆孔周?chē)咚沽鲃?dòng)情況，并編制解算程序，可計(jì)算出一定抽采時(shí)間時(shí)對(duì)應(yīng)的有效抽采半徑。王兆豐，周少華等提出了利用變系數(shù)非線性瓦斯?jié)B流方程測(cè)定瓦斯抽采半徑的方法，結(jié)果表明此方法可計(jì)算出不同抽采方式和不同抽采時(shí)間情況下的抽采半徑［6］.

1.3 測(cè)定方法的選擇

現(xiàn)場(chǎng)鉆孔測(cè)定法能準(zhǔn)確反映測(cè)定區(qū)域鉆孔有效抽采半徑，但是現(xiàn)場(chǎng)施工難度較大，測(cè)定結(jié)果容易受施工人員的操作失誤影響;現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)論僅適用于測(cè)定區(qū)域煤層，不能用于不同條件的瓦斯地質(zhì)區(qū)域，成本較高。

計(jì)算機(jī)模擬法能模擬瓦斯抽采過(guò)程中不同抽采時(shí)間、煤層滲透率、抽采負(fù)壓、原始煤層瓦斯壓力及鉆孔直徑的抽采半徑的變化，可根據(jù)不同煤層地質(zhì)條件更改模型參數(shù)，適用性強(qiáng)。但是模擬時(shí)將模型理想化，未考慮含瓦斯煤的流變特性，邊界條件和參數(shù)的設(shè)置不夠精確，可能沒(méi)有考慮其他外界因素的影響，模擬出的抽采半徑與實(shí)際情況有偏差［7］.

經(jīng)比較分析，此次有效抽采半徑測(cè)定選擇現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定法并選取壓力降低指標(biāo)作為考察參數(shù)，該方法能夠把抽放負(fù)壓、抽放半徑、抽放時(shí)間等參數(shù)緊密結(jié)合起來(lái)，實(shí)用性強(qiáng)，不易受外界因素影響。

1.4 壓力降低指標(biāo)的選取

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定有效抽采半徑

2.1 測(cè)定工作面概況

測(cè)定地點(diǎn)位于潞安集團(tuán)李村煤礦1303 進(jìn)風(fēng)巷，測(cè)點(diǎn)煤層頂板為深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，底板為黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖，深灰色粉砂巖，煤層平均厚4.76 m.煤層層位穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，厚度變異系數(shù)為0.24，可采系數(shù)為100%，屬穩(wěn)定的可采煤層，煤層呈一單斜構(gòu)造，傾角一般3° ～8°，為近水平煤層。測(cè)點(diǎn)區(qū)域?qū)崪y(cè)煤層瓦斯壓力為0.62 MPa，實(shí)測(cè)最大煤層瓦斯含量最大值為10.96 m3/t，煤體普氏系數(shù)f 值為0.74，瓦斯放散初速度ΔP 為14. 煤塵有爆炸危險(xiǎn)性，煤層屬于不易自燃煤層，該區(qū)域?yàn)榈販卣^(qū)。

2.2 測(cè)定鉆孔布置

測(cè)定鉆孔的布置方法分為平行鉆孔布置和圓周鉆孔布置法，依據(jù)測(cè)定地點(diǎn)地質(zhì)條件本次測(cè)定選擇平行鉆孔的測(cè)定方法。共設(shè)計(jì)施工7 個(gè)測(cè)定鉆孔，一個(gè)抽采瓦斯鉆孔B0，6 個(gè)壓力觀測(cè)鉆孔B1 ～B6，6 個(gè)測(cè)壓鉆孔距離抽采鉆孔分別為1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m.鉆孔均位于同一水平面上，距煤層底板高度均為1.4 m，鉆孔方位為垂直煤壁。有效抽采半徑測(cè)定鉆孔施工參數(shù)見(jiàn)表1，鉆孔布置方式見(jiàn)圖1.

表1 鉆孔施工參數(shù)表

圖1 測(cè)定鉆孔布置示意圖

2.3 測(cè)定鉆孔施工順序

1)首先施工壓力觀測(cè)鉆孔B1 ～B6，嚴(yán)格按照鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)施工，并保證各個(gè)鉆孔平直、孔形完整、方位角相同、鉆孔深度達(dá)到要求。

2)施工完1 個(gè)壓力觀測(cè)鉆孔后，立即進(jìn)行封孔，此次測(cè)定采用膨脹水泥和聚氨酯綜合封孔工藝，封孔深度30 m，封孔24 h 后安裝量程為1.0 MPa 抗震壓力表并每天觀測(cè)壓力表讀數(shù)，封孔1 個(gè)后再施工下一個(gè)鉆孔，要保證每一個(gè)鉆孔的封孔質(zhì)量。

3)每天觀測(cè)6 個(gè)壓力觀測(cè)鉆孔壓力表讀數(shù)并記錄直到壓力表讀數(shù)均穩(wěn)定，并將每個(gè)壓力表讀數(shù)穩(wěn)定時(shí)的壓力值作為其鉆孔的原始瓦斯壓力值，壓力值穩(wěn)定一般需要15 ～20 天。

4)施工瓦斯抽采鉆孔B0，施工完畢立即進(jìn)行封孔并接入抽采管路進(jìn)行24 h 不間斷抽采，抽采期間每天相同時(shí)間觀測(cè)各個(gè)壓力表數(shù)值并記錄，連續(xù)觀測(cè)60 天，并繪制每個(gè)鉆孔瓦斯壓力變化曲線圖。

3 測(cè)定結(jié)果與分析

在抽采負(fù)壓為17 kPa 的抽采參數(shù)下，連續(xù)觀測(cè)并記錄每個(gè)壓力觀測(cè)鉆孔每天壓力值數(shù)據(jù)，現(xiàn)將觀測(cè)鉆孔壓力值變化情況繪制成曲線并分析，壓力值變化曲線見(jiàn)圖2，鉆孔壓力下降幅度見(jiàn)表2.

圖2 壓力觀測(cè)鉆孔壓力值變化曲線圖

表2 壓力觀測(cè)鉆孔壓力下降幅度表

由圖2、表2 可以看出:

1)B1 觀測(cè)鉆孔距離抽采鉆孔B0 孔1 m，瓦斯壓力在抽采第33 天由0.58 MPa 下降至0.28 MPa，下降了52%，說(shuō)明在抽采33 天的情況下，鉆孔的有效抽采半徑達(dá)到1 m.

2)B2 觀測(cè)鉆孔距離抽采孔B0 孔1.5 m，抽采58 天后瓦斯壓力由0.34 MPa 下降至0.16 MPa，下降了52%.說(shuō)明在抽采58 天的情況下，鉆孔的有效抽采半徑未達(dá)到1.5 m;B3、B4、B5、B6 觀測(cè)鉆孔距離抽采孔B0 孔分別為2 m、2.5 m、3 m、3.5 m，瓦斯壓力值在抽采第60 天分別下降了37%、36%、13%、12%，均未達(dá)到51%，說(shuō)明在抽采60 天的情況下，鉆孔的有效抽采半徑未達(dá)到2 m.

3)觀測(cè)鉆孔壓力值呈整體下降趨勢(shì)，距離抽采孔較近的鉆孔下降幅度明顯比距離較遠(yuǎn)鉆孔大;隨著抽采時(shí)間的延長(zhǎng)抽采鉆孔影響范圍越大，但是隨著抽采時(shí)間的延長(zhǎng)壓力下降的幅度變小。

4)由圖2 可觀察出抽采40 d 后各曲線下降幅度均明顯變小，瓦斯抽采效果已不理想，此時(shí)可考慮實(shí)施煤層增透措施，增加煤層透氣性，強(qiáng)化瓦斯抽采效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

1)通過(guò)運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)鉆孔測(cè)定方法以壓力降低值作為考察指標(biāo)，測(cè)定李村煤礦試驗(yàn)區(qū)域煤層在17 kPa抽采負(fù)壓下，抽采時(shí)間為33 天時(shí)直徑113 mm 抽采鉆孔有效抽采半徑為1 m，抽采時(shí)間為58 天時(shí)有效抽采半徑為1.5 m，對(duì)煤礦抽采鉆孔的參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化有一定指導(dǎo)意義。

2)由于抽采鉆孔瓦斯衰減較快，鉆孔瓦斯抽采40 天后濃度下降到10%左右，此時(shí)有效抽采半徑受抽采時(shí)間影響較小，可實(shí)施煤層增透措施增加煤層透氣性，強(qiáng)化瓦斯抽采效果。

3)鉆孔有效抽采半徑的大小與煤層原始瓦斯壓力、瓦斯含量、滲透率、抽采時(shí)間和抽采鉆孔半徑等因素有關(guān)，當(dāng)煤層地質(zhì)條件或者礦井抽采條件發(fā)生變化時(shí)應(yīng)重新測(cè)定抽采半徑，以便更好地指導(dǎo)煤礦瓦斯治理與利用。

［1］ 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.防治煤與瓦斯突出規(guī)定［S］.2009 -04 -30.

［2］ 俞啟香.礦井瓦斯防治［M］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1992:11 -12.

［3］ 王兆豐，周少華，李志強(qiáng).瓦斯抽采鉆孔有效抽采半徑的數(shù)值計(jì)算方法［J］.煤炭工程，2011(6):82 -84.

［4］ 趙 楠，季淮君，李雨佳.關(guān)于測(cè)定煤層瓦斯抽放影響半徑的試驗(yàn)研究［J］.江西煤炭科技，2011(3):13 -15.

［5］ 辛 明.利用SF6 示蹤技術(shù)測(cè)試煤層瓦斯抽采半徑［J］.安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，32(1):64 -66.

［6］ 王兆豐，周少華，李志強(qiáng).瓦斯抽采鉆孔有效抽采半徑的數(shù)值計(jì)算方法［J］.煤炭工程，2011(6):82 -84.

［7］ 郝富昌，劉明舉，孫麗娟.瓦斯抽采半徑確定方法的比較及存在問(wèn)題研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，40(12):55 -58.