延瑞峰

(山西陽城陽泰集團(tuán)竹林山煤業(yè)有限公司，山西 陽城 048105)

1 礦井概況

竹林山煤業(yè)位于陽城縣芹池鎮(zhèn)北宜村北，井田呈不規(guī)則多邊形，東西最長4051m，南北最寬約2812m，核定礦井生產(chǎn)能力為120 萬t/a。礦井采取斜井開拓，井田批準(zhǔn)開采3 號、15 號煤層，目前開采3 號煤層，目前井下裝備有一個(gè)1407 綜采工作面和1405、1406 兩個(gè)綜掘工作面。其中，3 號煤層瓦斯含量平均為11.87~12.74m3/t，自燃傾向性為Ⅲ級不易自燃類煤層，透氣性系數(shù)為2.93m2/MPa2?d，透氣性良好。鑒于本礦井3 號煤層的透氣性比較好，且本煤層瓦斯涌出量占礦井瓦斯涌出量的絕大部分，故為施工順層鉆孔提供了可行性和必要性。

2 抽采半徑的理論研究

竹林山礦工作面瓦斯涌出量超過10m3/min，在采取抽采措施后瓦斯抽采率必須達(dá)到30%以上，即抽放后的瓦斯含量不高于抽采前瓦斯含量的70%。由于煤層瓦斯含量測定操作復(fù)雜，測定結(jié)果易受人為取樣因素影響較大，且需要在地面實(shí)驗(yàn)室對所取煤樣進(jìn)行解吸分析，測定周期較長，根據(jù)周世寧提出的在工業(yè)誤差允許的范圍內(nèi)，煤層瓦斯含量的瓦斯壓力之間存在著一種拋物線關(guān)系，可以通過間接測定瓦斯壓力來估計(jì)瓦斯含量。

式中：

α-煤層瓦斯含量系數(shù)，m3/(t?MPa0.5)；

X-煤層瓦斯含量，m3/t；

P-煤層瓦斯壓力，MPa。

則由上述關(guān)系式可知，在保證抽采后煤層賦存瓦斯含量降為原來的70%以下，此時(shí)煤層瓦斯產(chǎn)生的壓力也隨之降為初始的49%，下降量為51%。在滿足工程需求的基礎(chǔ)上，相對瓦斯壓降幅度可以直觀判斷抽采半徑布置的合理性。

基于確定瓦斯抽采半徑的原理，建立單孔抽采數(shù)學(xué)模型，論證煤層順層鉆孔在抽采負(fù)壓下的最小影響范圍。在定負(fù)壓下鉆孔有效抽采瓦斯流量是一個(gè)減緩的過程。實(shí)踐證實(shí)鉆孔瓦斯流量隨時(shí)間的推移而呈指數(shù)型逐漸衰減，即：

式中：

β-瓦斯流量減緩程度系數(shù)，d-1；

q0-鉆孔初始瓦斯流量，m3/min；

q(t)-t 時(shí)鉆孔瓦斯流量，m3/min；

t-排放瓦斯時(shí)間，d。

t(d)時(shí)間段內(nèi)單個(gè)孔抽采瓦斯量：

式中：

L-鉆孔打鉆深度，m。

聯(lián)立式（2）、式（3），可得

假設(shè)鉆孔直徑相對于鉆孔長度忽略不計(jì)，鉆孔周圍煤層瓦斯含量分布均勻，各向抽采效率相同，且煤體必須為新鮮暴露的煤體，則鉆孔控制的瓦斯抽放范圍簡化為一個(gè)中空的圓柱形模型。

那么經(jīng)過抽采鉆孔抽采后鉆孔控制范圍內(nèi)的瓦斯含量減少量定義為Qb，則

式中：

L-鉆孔打鉆深度，m；

η-鉆孔抽采效率；

r-鉆孔半徑，取0.0375m；

R-鉆孔的有效半徑，m；

π-煤層中瓦斯的原始含量，取5.98m3/t。

根據(jù)單孔抽采模型的理論計(jì)算，通過現(xiàn)場監(jiān)測鉆孔流量確定減緩程度系數(shù)。在本次的鉆孔瓦斯流量測定工作中，在1407 膠帶順槽500m 處打測試流量的試驗(yàn)鉆孔?？紤]現(xiàn)場施工條件所限鉆孔設(shè)計(jì)長為30m，每隔1d 測定鉆孔瓦斯流量。根據(jù)鉆孔的實(shí)際長度，將測定的實(shí)際流量折算成100m 鉆孔的氣體流量。如圖1 所示，對試驗(yàn)鉆孔考察數(shù)據(jù)的自然對數(shù)進(jìn)行回歸擬合分析，瓦斯流量的自然對數(shù)與時(shí)間的擬合度達(dá)到0.99，擬合關(guān)系式具有可靠性，即t 時(shí)的瓦斯流量與時(shí)間的關(guān)系式為：

將上式代入式（3）中，即經(jīng)過t（d）單孔累計(jì)抽放的瓦斯總量為：

令Qa=Qb，則鉆孔的有效抽采半徑

圖1 鉆孔流量演變圖

3 抽采半徑的現(xiàn)場測試

順層鉆孔的抽采效果在很大程度上取決于鉆孔間隔的長度。相鄰鉆孔間隔太近鉆孔發(fā)生穿孔而破壞，導(dǎo)致鉆孔內(nèi)氣流紊亂；相鄰鉆孔間隔太遠(yuǎn)鉆孔考察精度較低，進(jìn)而影響抽采效率。在理論允許的最小間距基礎(chǔ)上設(shè)置鉆孔的考察精度，在現(xiàn)場布置若干測試孔和一個(gè)抽采孔，將鉆孔瓦斯壓力作為考察指標(biāo)，通過定期監(jiān)測鉆孔瓦斯壓力的變化規(guī)律來判斷鉆孔的有效抽采半徑。

3.1 設(shè)計(jì)方案

竹林山礦井在3 號煤層已布置工作面，為了避免在鉆孔測試期間受井下作業(yè)的影響，選擇在1407U 型工作面輔助運(yùn)輸順槽800m 處開始施工本煤層鉆孔。鉆孔最小孔間距不小于理論計(jì)算值，即在保證測試精確性的基礎(chǔ)上，抽測鉆孔最小間隔在1m，總共布置6 個(gè)測試孔。為提高鉆孔成孔率，將考察鉆孔分為兩組，每組間距1.0m，第一組依此考察上述鉆孔間距1.0m、2.0m、3.0m；第二組依此考察1.5m、2.5m、3.5m 鉆孔間距，考察精度為0.5m。鉆孔布置的正視圖以及孔參數(shù)如圖2 和表1 所示。

圖2 各鉆孔相對位置圖

表1 各鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)一覽表

3.2 工程流程

（1）在1407 工作面輔運(yùn)順槽800m 處的巷幫上先依次施工觀測孔，等到各測壓孔壓力穩(wěn)定后再施工抽采孔，鉆孔施工位置及參數(shù)如圖2、表1 所示。

（2）成孔一個(gè)后立即采用水泥漿封孔法進(jìn)行封孔，待水泥漿硬化后安裝上壓力表。壓力孔采用1/2 管，抽放孔采用Ф50mm 管進(jìn)行封孔，各孔封孔長度均為10m 以上，以確保封孔效果的氣密性。

（3）抽采鉆孔封孔完畢后連接放水器接到抽采主管路，每天分三班定時(shí)觀察測試孔氣壓變化情況并做詳細(xì)記錄。

（4）現(xiàn)場數(shù)據(jù)誤差性分析，舍掉偏差性大的數(shù)據(jù)，對每個(gè)鉆孔各個(gè)班的數(shù)據(jù)取平均，分析繪制鉆孔氣壓波動(dòng)規(guī)律。

4 鉆孔間距確定

鉆孔施工完成并全部安裝上壓力表，最后一個(gè)壓力表值穩(wěn)定。抽采孔與抽采主管路相連接，保證抽采負(fù)壓的相對穩(wěn)定。從開始抽采階段統(tǒng)計(jì)了3#、4#、5#、6#、7#鉆孔為期60d 的表壓值，各個(gè)測試孔的表壓值隨抽采時(shí)間的變化如圖3、圖4 所示。

圖3 鉆孔壓力演變圖

圖4 鉆孔壓力演變圖

對圖3、圖4 鉆孔壓力演變分析如下：

（1）各個(gè)鉆孔產(chǎn)生的氣壓值總體上隨時(shí)間推移而遞降，但局部存在有鋸齒狀波動(dòng)，這是由于煤層瓦斯的解吸釋放是個(gè)緩慢的過程，在抽采過程中現(xiàn)場抽采負(fù)壓的起伏、氣壓表敏感度等各種因素干擾導(dǎo)致氣壓值變化并不嚴(yán)格遵循下降的趨勢，忽有跳躍的現(xiàn)象發(fā)生。

（2）7#測試孔壓降變化不明顯，在為期60d的監(jiān)測中，氣壓基本保持在2.6~2.2MPa 之間，3#、5#鉆孔在抽采前30d 內(nèi)氣壓下降幅度十分顯著，氣壓下降分別為0.29MPa/10d、0.35MPa/10d。表明在此負(fù)壓下，抽采鉆孔的輻射半徑小于3.5m，且在超過最小抽采范圍下，抽測孔距離越近，抽采負(fù)壓對測試孔的氣壓影響愈大。

（3）3#、5#、6#鉆孔達(dá)到有效線的時(shí)間分別為38d、27d、53d，且達(dá)到有效線后鉆孔氣壓變化逐漸趨于穩(wěn)定，測試孔抽采達(dá)到有效線的時(shí)間與抽測孔之間的距離呈正相關(guān)。

（4）在抽放時(shí)間達(dá)到60d 時(shí)，鉆孔瓦斯壓力變化趨勢逐漸平緩，與開始測壓時(shí)相比，此段時(shí)間內(nèi)6#孔壓降幅度為51%，瓦斯產(chǎn)生的氣壓為0.7MPa，在現(xiàn)有抽采條件下可以達(dá)到2.5m 的有效抽放半徑；與之毗鄰的7#孔壓降幅度相對較小，只下降10%左右，瓦斯產(chǎn)生的氣壓仍在2MPa 以上，故此次抽采鉆孔影響輻射半徑為3.5m。

為了防止鉆孔抽采出現(xiàn)抽采空白區(qū)，應(yīng)合理布置鉆孔間距，使鉆孔有效抽采范圍盡可能覆蓋整個(gè)煤層，消除該區(qū)域煤層的突出危險(xiǎn)性。3 號煤層平均可采厚度達(dá)5.0m，為了盡可能提高鉆孔抽采的覆蓋率，同時(shí)減少施工成本投入，將本煤層鉆孔布置在煤層中部，相鄰兩鉆孔間隔設(shè)置為有效測試半徑的2 倍，在保證現(xiàn)場抽采達(dá)到60d 以上的情況下，鉆孔每間隔5m 布置一個(gè)。

5 結(jié)論

（1）在定負(fù)壓下，單個(gè)鉆孔瓦斯流量隨時(shí)間推移逐漸減緩，在無外界擾動(dòng)下，單孔瓦斯累計(jì)抽采量與其控制范圍內(nèi)的瓦斯減少量存在等式關(guān)系，且抽采輻射半徑與時(shí)間聯(lián)系密切，此次條件下抽采輻射半徑不小于

（2）基于最小有效半徑的確定，在竹林山礦3號煤層布置抽采孔和測試孔，以瓦斯壓力變化為考察指標(biāo)，該指標(biāo)可以較為直觀地顯現(xiàn)出在煤層瓦斯預(yù)抽的過程中，各個(gè)鄰近鉆孔相互影響的程度；

（3）根據(jù)竹林山礦3 號煤層產(chǎn)煤效率的程度，在保證順層鉆孔抽采時(shí)間在60d 以上，采取Φ75mm 的抽采鉆孔，鉆孔抽采有效輻射范圍為2.5m，礦井3 號煤平均厚度為5.0m，確定相鄰兩鉆孔間隔在5m。