高俊奇

(西山煤電屯蘭礦通風區(qū)，山西 古交 030206)

引 言

在突出礦井的區(qū)域瓦斯綜合治理中，順層瓦斯抽采技術(shù)由于其適用煤層條件充分，因此得到了廣泛的應用[1-3]。影響順層鉆孔抽采效果的最為關鍵性的因素就是鉆孔抽采間距的合理確定。抽采間距過大，會造成抽采周期長、抽采效果不達標，而抽采間距過小則會導致工程周期增加、資金占用多等情情況。因此，在設計抽采鉆孔前，確定合理的抽采半徑非常重要。目前確定順層鉆孔有效抽采半徑的方法可分為直接法和間接法兩種[4-6]，直接法包括現(xiàn)場實測瓦斯壓降、失蹤氣體追蹤法和鉆孔流量測定法等，間接法則主要通過構(gòu)建煤層模型，賦參后通過數(shù)值模擬軟件進行計算求解。通常在具備條件的情況下，多采用直接法進行測試。從機理上分析，有效抽采半徑就是在鉆孔抽采負壓的作用下，煤層內(nèi)的瓦斯大量解吸，并在壓力梯度的驅(qū)使下沿著煤層內(nèi)的原生和次生裂隙發(fā)生運移，最終進入抽采鉆孔[7-8]。影響瓦斯抽采半徑的因素有很多，最為關鍵的是煤層的滲透率(透氣性系數(shù))，此外，鉆孔孔徑、抽采負壓、抽采時間等也會影響有效抽采半徑的改變。為了合理設置順層鉆孔抽采時的鉆孔間距，本文采用實測瓦斯壓降的方法，對屯蘭煤礦主要可采煤層進行了有效抽采半徑的測定。

1 礦井概況

屯蘭煤礦位于山西省西山煤田，東西寬9.9 km，南北長10.6 km，井田面積約為73.3 km2。井田范圍內(nèi)主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，含煤共18層，煤層總平均厚度15.70 m。山西組含有7層煤層，為上組煤，其中，02#、03#、2#及4#煤層為可采煤層，煤層總平均厚度為7.70 m。太原組含有6層煤層，為下組煤，其中，6#、7#、8#及9#煤層為可采煤層，總平均厚度為8.04 m。

井田分為南北兩翼，其中，北翼包括北一、北二、北三3個采區(qū)；南翼包括南一、南二、南三、南四、南五、南六、南七7個采區(qū)，如圖1所示。

圖1 屯蘭煤礦地質(zhì)構(gòu)造及煤層柱狀圖

2 測量方法與原理

鉆孔抽采半徑按抽采影響程度劃分，可分為兩類：一類為抽采影響半徑，代表抽采鉆孔所能影響到的極限半徑范圍，另一類為抽采有效半徑，代表在規(guī)定抽采時間內(nèi)能夠抽采達標的作用半徑見第67頁圖2。

圖2 抽采鉆孔的兩類抽采半徑示意

2.1 測量方法

采用現(xiàn)場實測壓降法，需先確定合適的測試地點，通常為煤層賦存條件較為均勻，受地質(zhì)構(gòu)造影響較小處，在工作面一側(cè)巷道向待測煤層沿水平方向施工一組測壓鉆孔，鉆孔間距按考察條件設置，封孔后安裝壓力表，至壓力表穩(wěn)定。在該組測壓鉆孔中部，按一定間隔(通常為1 m～2 m)施工抽采鉆孔，封孔后接入抽采系統(tǒng)開始抽采。在抽采鉆孔抽采過程中，持續(xù)觀察各個測壓鉆孔的壓降情況。通常情況下，隨著抽采時間的增加，越靠近抽采鉆孔的測壓鉆孔其瓦斯壓力降低越明顯，當某一測壓鉆孔靠近抽采鉆孔一側(cè)的測壓孔瓦斯壓力均降低至有效指標以下，而遠離抽采鉆孔一側(cè)的測壓孔瓦斯壓力均高于有效指標以上時，則可將該鉆孔與瓦斯抽采孔的距離確定為有效抽采半徑。

2.2 抽采有效指標的確定

2.2.1 瓦斯壓力與瓦斯含量的計算

根據(jù)《煤礦瓦斯抽采達標暫行規(guī)定》中抽采后煤的殘余瓦斯壓力計算方法，瓦斯含量與瓦斯壓力之間存在如式(1)函數(shù)關系。

(1)

式中：Q為殘余瓦斯含量，m3/t；a，b為吸附常數(shù)；P為煤層殘余相對瓦斯壓力，MPa；Ad為煤的灰分，%；Mad為煤的水分，%；φ為煤的孔隙率，%；ρ為煤的容重，t/m3。

2.2.2 有效指標的判據(jù)

抽采有效指標的判據(jù)，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》等相關規(guī)范可分為三類：

1) 經(jīng)采前預抽后，煤層殘存瓦斯壓力應小于該煤層始突瓦斯壓力，如果不掌握該煤層的始突瓦斯壓力數(shù)據(jù)，則殘存煤層瓦斯壓力應小于0.74 MPa；

2) 抽采后的瓦斯含量小于抽采前的30%以上；

3) 在沒有考察出煤層始突深度的煤層瓦斯含量或壓力，必須將煤層瓦斯含量降到8 m3/t以下。

3 測定步驟及結(jié)果

3.1 測定設計

3.1.1 測定地點

根據(jù)屯蘭礦井下現(xiàn)場實際情況，2#煤層選定在北三盤區(qū)22301瓦斯治理巷4#點前2 302 m右?guī)?、南五盤區(qū)12507皮帶順槽距切眼70 m處左幫進行考察；4#煤層選定在南四盤區(qū)12412底抽巷D3#點前132m左幫、南五盤區(qū)12507底抽巷距末端100 m處右?guī)汀⒈比P區(qū)北三膠帶巷Y#點前116 m左幫進行考察；8#煤層選定在南翼下組煤18402軌道順槽18#點前100 m左幫進行考察；南翼下組煤9#煤層選定在18405底抽巷D1點前240 m左幫進行考察。具體位置如表1所示。

表1 各煤層測定點位置

3.1.2 鉆孔位置

巷道內(nèi)共施工9個孔，其中1個順層抽采孔，8個考察孔，預先留置了抽采鉆孔孔位。在抽采鉆孔左側(cè)，距離抽采鉆孔間距為2 m～8 m，每隔2 m施工一個測壓鉆孔；在抽采鉆孔右側(cè)，距離抽采鉆孔間距為3 m～9 m，每隔2 m施工一個測壓鉆孔；鉆孔均位于煤層中部，距離巷道地板1.3 m。鉆孔方位90°，傾角0°，測壓鉆孔施工孔深27 m，孔徑89 mm，抽采鉆孔施工孔深30 m，孔徑113 mm。如圖3所示。

圖3 鉆孔開孔布置圖

將測壓孔密封后安裝壓力表，每日讀取壓力表數(shù)據(jù)并記錄，當壓力表讀數(shù)穩(wěn)定不再變化后，即可認為測定的瓦斯壓力為原始的煤層瓦斯壓力。測壓鉆孔壓力穩(wěn)定后，在抽采鉆孔預留位置處施工抽采鉆孔，接入抽采系統(tǒng)后開始抽采。定期觀察全部測壓孔的瓦斯壓力，記錄瓦斯壓力隨抽采時間的變化。

3.2 測定數(shù)據(jù)分析

對屯蘭煤礦各煤層的煤樣吸附常數(shù)(a,b)、煤的灰分(Ad)、煤的水分(Mad)、煤的孔隙率(π)、煤的容重(γ)進行測定，如表2所示。

表2 各煤層重要參數(shù)

抽采半徑測壓鉆孔數(shù)據(jù)變化如圖4所示。

圖4 各煤層抽采半徑測壓鉆孔數(shù)據(jù)變化

屯蘭煤礦各煤層原始瓦斯壓力含量小于0.74 MPa，因此需計算各煤層抽采鉆孔對應瓦斯含量。由公式(1)計算出殘余瓦斯含量，在與原來瓦斯含量進行對比，若殘余瓦斯含量為原始瓦斯含量的70%以下，則抽采有效半徑。由表2和圖4可知，2#煤層應優(yōu)先選擇抽采半徑為2 m，抽采時間為30 d時，抽采半徑為4 m，抽采時間為60 d時，負壓為13 kPa,孔徑不小于96 mm較為合理；4#煤層應優(yōu)先選擇抽采半徑為3 m，抽采時間為30 d時，抽采半徑為5 m，抽采時間為60 d時，負壓為13 kPa,孔徑不小于96 mm較為合理；8#煤層應優(yōu)先選擇抽采半徑為2 m，抽采時間為30 d時，抽采半徑為4 m，抽采時間為60 d時，負壓為13 kPa,孔徑不小于96 mm較為合理；9#煤層應優(yōu)先選擇抽采半徑為3 m，抽采時間為30 d時，抽采半徑為5 m，抽采時間為60 d時，負壓為13 kPa,孔徑不小于96 mm較為合理。

4 結(jié)論

在穩(wěn)定地應力和瓦斯?jié)B透壓作用下的，屯蘭礦2#、4#、8#、9#煤層鉆孔瓦斯抽采時間為30 d～60 d是合理的，因此順層抽采鉆孔孔徑不小于96 mm，13 kPa抽采負壓的條件下，2#煤層抽采半徑設計為2 m～4 m，8#煤層抽采半徑設計為2 m～4 m，4#、9#煤層抽采半徑設計為3 m～5 m。