劉 軍，張露偉，楊 通

(1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454003 )

1 傳統(tǒng)抽采鉆孔布置方式

假設(shè)一塊待抽煤層需要布置抽采鉆孔，鉆孔有效抽采半徑為R，抽采鉆孔布置如圖1所示。圓圈表示鉆孔在一定時間段內(nèi)的有效抽采范圍。沿煤層走向單排布置m個鉆孔，沿煤層傾向單排布置n個鉆孔，此時布置鉆孔的總個數(shù)為m×n個，如圖1(a)所示，但會形成圖中陰影部分的抽采空白帶。為了消除鉆孔抽采空白帶，前人研究“三花眼”布孔方式，此時布置鉆孔的總個數(shù)為2mn-m-n+1個，如圖1(b)所示，約為原來的2倍，造成大部分煤層重復(fù)抽采。

圖1 煤層鉆孔布置

2 圓內(nèi)多邊形優(yōu)化鉆孔布置

2.1 圓內(nèi)多邊形作法及優(yōu)化原理依據(jù)

通過做圓內(nèi)接多邊形，依據(jù)多邊形的邊為弦、有效抽采半徑為圓的半徑作出相同的圓，依次做出各個邊長相對應(yīng)的圓，得出圓內(nèi)接多邊形的鉆孔布置，便于減少鉆孔數(shù)量和重復(fù)抽采區(qū)域，以圓內(nèi)接六邊形為例，如圖2所示。作圖步驟：①繪制有效抽采半徑為R的圓O，作圓O的圓內(nèi)接六邊形ABCDEF；②連接線段AC，線段BF，作相切線段AC和線段BF，有效抽采半徑為R的圓J；③連接線段BD，作相切于線段AC和線段BD，有效抽采半徑為R的圓K；④依次連接各線段，依據(jù)相同作法，作圓L，G，H，I，即圓內(nèi)接六邊形鉆孔布置圖。

圖2 圓內(nèi)接六邊形繪制過程

傳統(tǒng)鉆孔布置間距過大會形成瓦斯抽采空白帶，導(dǎo)致部分區(qū)域瓦斯含量和瓦斯壓力未降到安全值，影響煤礦安全生產(chǎn)。鉆孔布置間距過小，會造成鉆孔數(shù)量增多，從而導(dǎo)致部分區(qū)域重復(fù)抽采，造成大量資源的浪費(fèi)。本次優(yōu)化依據(jù)分析同一區(qū)域上的鉆孔數(shù)量和抽采面積冗余度進(jìn)行分析，優(yōu)選出最佳實(shí)施方案。

2.2 抽采鉆孔個數(shù)分析

1)作圓內(nèi)接四邊形的鉆孔布置方式。圓內(nèi)接四邊形為消除圖1(a)中沿煤層走向單排布置m個鉆孔，沿煤層傾向單排布置n個鉆孔所形成的空白帶，需要沿煤層走向單排需多布置(m-1)個，沿煤層傾向單排需多布置(n-1)個，則圓內(nèi)接四邊形鉆孔數(shù)量：

Y=2mn-m-n+1

(1)

式中，Y為鉆孔數(shù)量，個；m為沿煤層走向單排布置鉆孔數(shù)量，個；n為沿煤層傾向單排布置鉆孔數(shù)量，個。

式中，R為有效抽采半徑，m。

實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)：寓能力培養(yǎng)于學(xué)生真實(shí)的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)實(shí)踐活動之中，努力讓學(xué)生在現(xiàn)代技術(shù)、工具與手段等方面獲得感性認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐技能與能力。熟悉和掌握現(xiàn)代技術(shù)、設(shè)備、工具與手段，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用實(shí)踐能力及其它能力和素質(zhì)。

M、N、Q為有效抽采半徑的圓心；O為以“M、N、Q”為圓心的三個圓的交點(diǎn)；P為線段NQ交點(diǎn)圖3 圓內(nèi)接六邊形鉆孔布置

式(2)和式(3)相乘得到圓內(nèi)接六邊形鉆孔數(shù)量：

3)作圓內(nèi)接八邊形鉆孔布置方式，如圖4所示，利用圓內(nèi)接八邊形優(yōu)化鉆孔間距可確定圓內(nèi)接八邊形優(yōu)化鉆孔個數(shù)。

圖4 圓內(nèi)接八邊形鉆孔布置

式(5)和式(6)相乘得到圓內(nèi)接八邊形主孔數(shù)量，并按照每個主孔周圍打4個副孔得到圓內(nèi)接八邊形副孔數(shù)量，則圓內(nèi)接八邊形主孔數(shù)量、副孔數(shù)量分別為：

式中，X為圓內(nèi)接八邊形主孔數(shù)量，個；Z為圓內(nèi)接八邊形副孔數(shù)量，個。

式(7)和式(8)相加得到圓內(nèi)接八邊形鉆孔數(shù)量：

2.3 抽采面積冗余率分析

為了研究該布孔方式下重復(fù)抽采面積的范圍，進(jìn)而為該設(shè)計(jì)方式下最佳實(shí)施方案提供依據(jù)，故提出了抽采面積冗余率進(jìn)行分析，計(jì)算公式為：

式中，η為抽采面積冗余率，%；Sc為重復(fù)抽采面積，m2；S為實(shí)際抽采面積，m2。

繪制圓內(nèi)接圓內(nèi)接四邊形、圓內(nèi)接六邊形、圓內(nèi)接八邊形抽采冗余面積圖如圖5所示。

圖5 圓內(nèi)接多邊形抽采冗余面積

當(dāng)有效抽采半徑一定時，利用CAD面積核算，三花眼布孔抽采面積冗余率約為17%，內(nèi)接六邊形抽采面積冗余率約為10.9%，內(nèi)接七邊形抽采面積冗余率約為15.7%，內(nèi)接八邊形抽采面積冗余率更高。經(jīng)過理論計(jì)算和對抽采鉆孔數(shù)量、抽采面積冗余率指標(biāo)分析，結(jié)果見表1。

表1 鉆孔倍數(shù)和面積冗余率數(shù)據(jù)

經(jīng)過數(shù)據(jù)對比可以得出：圓內(nèi)接六邊形在保證無抽采空白帶的基礎(chǔ)上，能夠充分的實(shí)現(xiàn)抽采鉆孔數(shù)量的減少和降低抽采面積冗余。

3 工程應(yīng)用

以晉城煤業(yè)集團(tuán)胡底煤礦井底環(huán)形車場石門揭煤為實(shí)例，對比圓內(nèi)接六邊形抽采鉆孔布置方案和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)石門揭煤方案之間的工程量差異，以便檢驗(yàn)圓內(nèi)接六邊形抽采鉆孔效果。

3.1 石門揭煤地質(zhì)概況

胡底煤礦井底環(huán)形車場位于副立井井筒東北部，巷道坡度20°，上山長度159m，揭煤段標(biāo)高為+200m左右。該煤礦井底環(huán)形車場進(jìn)車線巷道和出車線巷道均要揭露3號煤層，進(jìn)車線巷道見煤點(diǎn)正好位于環(huán)形車場最北端弧形處，且揭煤點(diǎn)距離主井和回風(fēng)井較近。根據(jù)地質(zhì)資料顯示煤礦井底車場進(jìn)車線已掘進(jìn)191m，距3號煤層頂板法向距離20m左右，預(yù)計(jì)再向前掘進(jìn)至21m時將揭露3號煤層。井底車場材料車線已掘進(jìn)200m，距3號煤層頂板法向距離20m左右，預(yù)計(jì)再向前掘進(jìn)至21m時將揭露3號煤層。

該礦井主采煤層為3號煤層，煤層傾角一般小于10°，井底車場巷道煤層位于背斜一翼，煤層總體呈一單斜構(gòu)造，揭煤區(qū)域水文地質(zhì)條件簡單，涌水量較小，煤塵無爆炸性，煤層不易自燃。經(jīng)過煤層瓦斯含量測定，3號煤層瓦斯含量為13.768～20.24m3/t，瓦斯壓力為3.88MPa。根據(jù)藍(lán)焰煤層氣抽氣鉆孔資料，3號煤層瓦斯含量平均為17.07m3/t左右。根據(jù)河南理工大學(xué)在井底車場巷道實(shí)測數(shù)據(jù)，3號煤層瓦斯含量為最大為13.51m3/t，瓦斯壓力為2.62MPa。預(yù)測井底車場巷道煤層的瓦斯含量為17m3/t左右，瓦斯壓力為3MPa左右。巖巷掘進(jìn)時預(yù)測瓦斯涌出量：CH4為1.2～1.4m3/min，CO2為0.2～0.4m3/min。經(jīng)過評估，胡底煤礦井田范圍內(nèi)的3號煤層具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

3.2 石門揭煤鉆孔工程量計(jì)算

環(huán)形車場揭3號煤層工作面經(jīng)預(yù)測有瓦斯突出危險(xiǎn)性，應(yīng)采用穿層鉆孔預(yù)抽作為揭煤工作面區(qū)域防突措施。在采取穿層鉆孔預(yù)抽區(qū)域防突措施時，傳統(tǒng)施工鉆孔布置參數(shù)見表2(與巷道中心線夾角左為“+”，右為“-”)。結(jié)合胡底煤礦井底環(huán)形車場石門揭煤施工設(shè)計(jì)方案和抽放鉆孔布置參數(shù)顯示，為實(shí)現(xiàn)防突效果，所有鉆孔均勻布置，孔底水平、垂直間距設(shè)計(jì)為3.0m，鉆孔控制到揭煤處巷道輪廓線外15m以上，并穿透煤層底板0.5m以上，同時還保證控制范圍的外邊緣到巷道輪廓線的最小距離不小于5m。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，該石門揭煤共設(shè)計(jì)抽采鉆孔8排104個，鉆孔進(jìn)尺工程量16388m，所有鉆孔要求穿透3號煤層底板0.5m，圓內(nèi)接四邊形鉆孔布置如圖6所示。

表2 抽放鉆孔布置參數(shù)

圖6 圓內(nèi)接四邊形鉆孔布置

3.3 石門揭煤抽采效果分析

由于圓內(nèi)接四邊形的鉆孔布置方式鉆孔數(shù)量較多，將導(dǎo)致瓦斯抽采中后期單孔瓦斯抽采量下降。這一現(xiàn)象發(fā)生主要有以下兩點(diǎn)原因：瓦斯抽采過程中煤層瓦斯含量和瓦斯壓力下降，由于煤層瓦斯含量和瓦斯壓力相對前期較低，使得中后期瓦斯抽采過程中單孔瓦斯抽采量降低；由于圓內(nèi)接四邊形鉆孔布置方式鉆孔數(shù)量較多造成抽采面積冗余，鉆孔之間相互競爭形成單孔瓦斯抽采量下降。為解決中后期單孔瓦斯抽采量較低這一問題可以通過減少抽采面積冗余，降低鉆孔之間競爭影響，即利用圓內(nèi)接六邊形布孔方式進(jìn)行布置。由于圓內(nèi)接六邊形鉆孔數(shù)量較少，將在一定程度上縮短施工工期，在鉆孔孔徑和煤層透氣性系數(shù)不變的情況下，抽采時間對煤層瓦斯抽采量具有明顯的影響，即瓦斯抽采量隨著抽采時間的增大而增加。利用圓內(nèi)接六邊形節(jié)省的施工工期進(jìn)行煤層瓦斯抽采能夠?qū)崿F(xiàn)瓦斯抽采量的增加，同時避免了由于圓內(nèi)接四邊形鉆孔數(shù)量較多帶來的單孔瓦斯抽采量較低等問題。

4 結(jié) 論

2)對胡底煤礦井底環(huán)形車場石門揭煤設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明，利用圓內(nèi)接六邊形進(jìn)行鉆孔優(yōu)化布置，實(shí)現(xiàn)了在無抽采空白帶的前提下石門揭煤防突鉆孔比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)防突鉆孔的工程量減少了3792m，降低率為23%，節(jié)約資金約315萬元。

3)經(jīng)過86d抽采，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)最大值為0.23mL/(g·min1/2)，鉆屑量指標(biāo)最大值為3.8kg，實(shí)現(xiàn)了快速安全揭煤。