王 亮

(山西晉煤集團(tuán)澤州天安海天煤業(yè)有限公司， 山西 晉城市 048000)

0 引 言

瓦斯問(wèn)題一直困擾著我國(guó)煤礦的安全高效回采，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，瓦斯抽采技術(shù)取得長(zhǎng)足進(jìn)步，在煤礦瓦斯治理工作中得到廣泛應(yīng)用。瓦斯抽采效果的好壞與抽采參數(shù)的選擇緊密聯(lián)系，而瓦斯抽采設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是瓦斯抽采鉆孔間距的確定，鉆孔間距的確定與鉆孔有效抽采半徑密切相關(guān)[1-2]，由此可見，抽采半徑是瓦斯抽采設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要參數(shù)。若鉆孔間距過(guò)大，可能出現(xiàn)抽采空白帶，間距過(guò)小，則工程量增加，勢(shì)必造成人力、物力、財(cái)力上的浪費(fèi)[3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)合理的瓦斯抽采有效半徑進(jìn)行了深入的研究，目前主要有2種方法，即實(shí)測(cè)法和理論計(jì)算法[4-7]。實(shí)測(cè)法測(cè)試周期相對(duì)較長(zhǎng)，理論計(jì)算不太準(zhǔn)確，也有學(xué)者采用數(shù)學(xué)模擬軟件對(duì)不同抽采條件下的有效抽采半徑進(jìn)行了模擬研究[8]，以節(jié)省測(cè)定的時(shí)間，但是可靠性仍有待考量。因此，確定海天煤業(yè)3#煤層的抽采半徑具有重要的意義，用較小的投入獲得較好的抽采效果。

1 瓦斯抽采測(cè)試與影響因素

鉆孔瓦斯抽采半徑按其影響范圍的大小程度分為抽采影響半徑和有效抽采半徑[9]，如圖1所示。

圖1 鉆孔抽采半徑

(1) 抽采影響半徑：是指在一定的時(shí)間內(nèi)，煤層原始瓦斯壓力(P)或瓦斯含量(W)受到影響后逐漸降低時(shí)，測(cè)試點(diǎn)和鉆孔中心間的距離。

(2) 有效抽采半徑，指在一定的時(shí)間內(nèi)煤層原始瓦斯壓力(P)、瓦斯含量(W)降低至安全閾值以內(nèi)時(shí)，測(cè)試點(diǎn)和鉆孔中心間的距離。

1.1 瓦斯壓力降低法測(cè)試原理

(1) 鉆孔布置。測(cè)試孔和抽采孔相對(duì)位置布置見圖2。

圖2 測(cè)試鉆孔布置

(2) 鉆孔施工結(jié)束后立即封孔，避免漏氣。

(3) 測(cè)定1#、2#，…，n#孔的原始煤層瓦斯壓力，直至各鉆孔瓦斯壓力穩(wěn)定。

(4) 瓦斯壓力穩(wěn)定后，施工抽采孔，并對(duì)抽采孔進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)抽采，連續(xù)觀測(cè)1#、2#，…，n#孔瓦斯壓力，生成各鉆孔瓦斯壓力變化曲線。

(5) 如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)i#鉆孔測(cè)定的瓦斯壓力降低到指定指標(biāo)，表明該測(cè)試孔處于抽采有效半徑范圍內(nèi)，測(cè)試孔距抽采鉆孔的最遠(yuǎn)距離d1+d2+…+di，即為抽放鉆孔的有效半徑。綜上所述，確定鉆孔有效抽采半徑的指標(biāo)為：瓦斯壓力降至0.74 MPa以下或比較煤層原始瓦斯壓力下降51%以上。

1.2 瓦斯抽采半徑的影響因素分析

影響瓦斯抽采半徑因素較多，主要有鉆孔半徑、封孔技術(shù)、抽采時(shí)間等參數(shù)。

(1) 鉆孔孔徑。在抽采時(shí)間相同的條件下，有效抽采半徑隨著抽采鉆孔直徑的增加而增加，主要是因?yàn)殂@孔施工擾動(dòng)了鉆孔周圍煤體，使應(yīng)力重新分布，并在鉆孔周圍形成塑性區(qū)，而塑性區(qū)的大小隨著鉆孔直徑的增大而增大。因此，考察孔與抽采孔的孔徑不宜過(guò)大和過(guò)小，尤其是在含水的泥巖中施工鉆孔容易塌孔，而且孔徑愈大施工愈難，孔徑愈小愈不利于瓦斯抽采，因此要選擇合理的孔徑。

(2) 封孔技術(shù)。封孔質(zhì)量的高低直接關(guān)系著瓦斯壓力能否準(zhǔn)確測(cè)定，因此必須嚴(yán)封孔，現(xiàn)有封孔技術(shù)逐漸成熟，水泥砂漿封孔法、“兩堵一注”囊袋式注漿封孔方法等廣泛使用，本次測(cè)定壓力采用囊袋式注漿封孔方法。

(3) 抽采負(fù)壓與時(shí)間。從理論上而言，抽采負(fù)壓越大，抽采影響的范圍也就越大，但是隨著負(fù)壓的提高，容易通過(guò)裂隙將巷道空氣抽到抽采管路中，故抽采負(fù)壓不是越大越好。隨著抽采時(shí)間的增加，抽采影響范圍也相應(yīng)增加，測(cè)定時(shí)間要選擇合理，為抽采時(shí)間提供依據(jù)。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)布置方案

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研分析，根據(jù)天安海天煤業(yè)有限公司的實(shí)際生產(chǎn)情況，確定在3621上分層運(yùn)輸順槽距切眼100～160 m處施工順層鉆孔進(jìn)行測(cè)試研究。

2.1 鉆孔施工設(shè)計(jì)及觀測(cè)要求

首先施工直徑94 mm的垂直于煤壁的測(cè)壓孔，成孔后采用“兩堵一注”的封孔方式進(jìn)行封孔，壓力測(cè)定采用4分無(wú)縫鋼管，每個(gè)鉆孔的封孔長(zhǎng)度為45 m，待測(cè)出相對(duì)瓦斯壓力后，施工抽采鉆孔，測(cè)壓孔與抽采孔的孔口及孔底間距在空間內(nèi)不能交叉，必須保持平行。鉆孔參數(shù)見表1，鉆孔布置見圖3。

表1 3621上分層運(yùn)輸順槽鉆孔參數(shù)

待所有鉆孔施工完畢后，測(cè)定每個(gè)測(cè)壓孔的壓力，每天觀測(cè)一次壓力變化情況，直至壓力值穩(wěn)定后施工抽采孔，并與抽采系統(tǒng)連接對(duì)抽采孔進(jìn)行抽采，同時(shí)測(cè)定每個(gè)壓力孔的壓力變化，做好數(shù)據(jù)記錄。測(cè)試時(shí)間不少于80 d，每天測(cè)試次數(shù)不低于1次，抽放期間要保證抽放負(fù)壓基本維持穩(wěn)定。

圖3 鉆孔布置

2.2 鉆孔瓦斯壓力下降法觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

鉆孔瓦斯壓力下降法抽采半徑考察孔于2018年2月1#開始施工，1#～6#測(cè)壓鉆孔在封孔完成，觀測(cè)10 d以后，待測(cè)壓孔瓦斯壓力穩(wěn)定，施工抽采孔并與預(yù)抽管路連接進(jìn)行瓦斯抽采，孔口負(fù)壓保持在15 kPa左右，同時(shí)對(duì)6個(gè)測(cè)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，6個(gè)鉆孔瓦斯壓力曲線如圖4～圖9所示，壓力下降幅度統(tǒng)計(jì)如表2所示。

圖4 1#鉆孔瓦斯壓力曲線

圖5 2#鉆孔瓦斯壓力曲線

圖6 3#鉆孔瓦斯壓力曲線

圖7 4#鉆孔瓦斯壓力曲線

圖8 5#鉆孔瓦斯壓力曲線

圖9 6#鉆孔瓦斯壓力曲線

2.3 抽采半徑考察

對(duì)天安海天煤業(yè)有限公司3621上分層運(yùn)輸順槽各個(gè)測(cè)壓鉆孔壓力值數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分別對(duì)測(cè)壓鉆孔抽采40， 60， 80 d的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析(見表2)。

當(dāng)抽采時(shí)間為80 d時(shí)，根據(jù)瓦斯抽采影響半徑和有效半徑的確定指標(biāo)，當(dāng)抽采半徑為1～3 m時(shí)，1#～3#鉆孔瓦斯壓力下降均在51%以上，平均達(dá)到71%，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，均處于瓦斯抽采半徑以內(nèi)。

當(dāng)抽采半徑為4 m時(shí)，4#鉆孔瓦斯壓力最終下降幅度為35%，超過(guò)19%，從瓦斯壓力下降的情況來(lái)看，滿足瓦斯抽采影響半徑的確定指標(biāo)，處于瓦斯抽采影響半徑范圍以內(nèi)，但是不滿足《煤礦安全規(guī)程》、《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》的抽采達(dá)標(biāo)要求，不能作為抽采設(shè)計(jì)中鉆孔布置的依據(jù)。

5#和6#鉆孔瓦斯壓力下降幅度均小于19%，處于瓦斯抽放半徑影響范圍以外。

綜上所述，本礦瓦斯抽采有效半徑應(yīng)為3 m。

3 結(jié)論及建議

(1) 預(yù)抽鉆孔的瓦斯抽采半徑受多因素控制，在不同因素的組合下確定的鉆孔瓦斯抽采半徑也是不同的，所以在考察抽采半徑的過(guò)程中需要確定這些因素對(duì)抽采效果的影響。

(2) 根據(jù)鉆孔瓦斯壓力下降法指標(biāo)和相關(guān)規(guī)定，得出本礦瓦斯抽采有效半徑為3 m。

(3) 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)的條件下，需要重新考察瓦斯抽采半徑。建議礦井在上述條件發(fā)生變化的時(shí)候，重新考察鉆孔瓦斯抽采半徑，從而保證礦井的安全生產(chǎn)。

表2 測(cè)壓鉆孔瓦斯壓力統(tǒng)計(jì)分析