池津維，王緒貴，郭江龍

(1.中煤科工能源科技發(fā)展有限公司， 北京 100013；2.貴州織金馬家田煤業(yè)有限公司， 貴州 畢節(jié)市 552108)

優(yōu)先治理開采煤層瓦斯是煤礦安全生產(chǎn)的前提與保障，工作面鉆孔抽采瓦斯作為區(qū)域防突措施，是降低工作面瓦斯含量，防治煤與瓦斯突出的重要手段。施工鉆孔時既要保證鉆孔控制范圍覆蓋整個工作面，又要節(jié)約抽采成本使工作面盡快實現(xiàn)抽采達標，因此需要確定該工作面鉆孔的合理布孔間距。采用現(xiàn)場鉆孔測試采集數(shù)據(jù)，壓力指標法、流量法和示蹤氣體法測試鉆孔影響半徑，壓力指標法和流量法計算鉆孔有效半徑。

1 瓦斯抽采半徑測試原理

鉆孔在預抽煤層瓦斯時，在煤層瓦斯壓力和孔底負壓的共同作用下，鉆孔周圍煤體的瓦斯不斷進入鉆孔被抽走，形成以鉆孔中線為軸心的類似圓形的抽采影響圈，其半徑稱為抽采影響半徑；隨著抽采時間的延長，抽采影響半徑會逐漸加大，直到煤層瓦斯壓力與孔底負壓之差不足以克服深部煤體瓦斯運移到鉆孔的阻力時為止[1]。在鉆孔抽采影響圈內，煤體的瓦斯壓力和瓦斯含量會不斷降低，當殘余瓦斯壓力（殘余瓦斯含量）和瓦斯預抽率同時達到有效值時，有效半徑圈的半徑稱為抽采有效半徑。

1.1 瓦斯抽采影響半徑測試原理

根據(jù)國內常用的瓦斯抽采影響半徑考察的方法，本次瓦斯抽采影響半徑設計采用壓力指標法，在無法測得鉆孔瓦斯壓力時采用流量法。

（1）壓力指標法測試抽采影響半徑的基本原理為：隨著抽采時間的延長，抽采鉆孔的影響逐漸變大，影響區(qū)域的瓦斯壓力均會逐漸降低，所以通過測試抽采鉆孔周邊鉆孔的瓦斯壓力變化即可測得抽采影響半徑。具體測試方法為：在抽采鉆孔周邊一定距離施工平行測壓鉆孔，測定煤層瓦斯壓力。當觀測鉆孔壓力穩(wěn)定后，對抽采鉆孔聯(lián)抽，抽采過程中觀測側壓空壓力情況，隨著瓦斯抽采時間的延長，抽采影響范圍逐漸變大，在影響范圍內的測壓鉆孔瓦斯壓力降低。所以，根據(jù)瓦斯壓力變化情況即可確定抽采影響半徑，如果測得瓦斯壓力較高，實際工程應用則以瓦斯壓力下降10%判斷影響半徑。

（2）流量法測試抽采影響半徑的基本原理為：順層排放鉆孔的自然瓦斯流量和排放時間的關系一般呈較好的負指數(shù)關系，在排放鉆孔周邊施工抽采鉆孔，隨著抽采時間的延長，抽采鉆孔的影響范圍逐漸變大，當影響范圍擴大到排放鉆孔時，由于瓦斯來源減小，排放鉆孔的自然瓦斯流量會偏離原負指數(shù)曲線，所以可以通過排放鉆孔的流量變化曲線確定抽采半徑。

（3）示蹤氣體法測試抽采影響半徑的基本原理為：抽采鉆孔影響區(qū)域內的瓦斯會再向抽采鉆孔流動，如果在抽采鉆孔一定距離的煤體中注入性質穩(wěn)定且易檢測的惰性氣體，抽采過程中惰性氣體會隨瓦斯一起流向抽采鉆孔，所以通過惰性氣體的示蹤作用即可判斷測試點是否在抽采影響范圍內。具體測試方法為：在抽采鉆孔周邊一定距離施工平行觀測鉆孔。觀測孔內注入惰性示蹤氣體，在抽采過程中，測試抽采鉆孔內是否有示蹤氣體，如果在抽采鉆孔內檢測到示蹤氣體，則說明觀測鉆孔在抽采影響半徑內。

1.2 瓦斯抽采有效半徑測試原理

煤礦瓦斯預抽的主要目的是防治煤與瓦斯突出和減少采掘工作面瓦斯涌出，所以瓦斯抽采措施是否有效主要有兩個基本判據(jù)：一是消除突出危險性，實際工程應用中，主要通過煤層殘余瓦斯壓力或殘余瓦斯含量指標進行判斷；二是減小瓦斯涌出，實際工程應用中，主要通過瓦斯預抽率指標判斷是否抽采達標。當煤層具有突出危險性時，須同時滿足上述兩個判據(jù)，當煤層原始瓦斯壓力小于0.74 MPa且原始瓦斯含量小于8 m3/t時，則只需滿足第二個判據(jù)即可?；谏鲜鐾咚钩椴捎行卸ǖ幕驹瓌t，瓦斯抽采有效半徑可以通過瓦斯抽采流量和瓦斯壓力考察，或者兩者同時采用，相互驗證。操作時需采集測試參數(shù)，在抽采孔周邊施工平行測壓鉆孔，測定煤層瓦斯壓力（測試壓力不必然等于煤層原始瓦斯壓力），施工過程中測試煤層原始瓦斯含量，測壓鉆孔壓力穩(wěn)定后，對抽采孔聯(lián)抽，抽采過程中每天觀測測壓鉆孔瓦斯壓力和抽采鉆孔的流量、濃度等抽采參數(shù)。

1.2.1 壓力指標法計算有效抽采半徑

當實測瓦斯壓力大于 0.74 MPa時，抽采過程中，若累計抽采時間t時，距離抽采鉆孔r的測壓鉆孔瓦斯壓力下降到0.74 MPa以下。則可直接得到“抽采時間t時瓦斯抽采有效半徑r”的結論。當瓦期壓力小于0.74 MPa時，或實測瓦斯壓力不準確時，如順層鉆孔測試的原始瓦斯壓力普遍偏低，此時無法直接通過壓力降低絕對值判定是否抽采有效，需要根據(jù)預抽率計算瓦斯壓力降低相對值判斷抽采是否有效。根據(jù)《煤礦瓦斯抽采達標暫行規(guī)定》、《煤礦瓦斯抽放規(guī)范》等標準、規(guī)范對預抽率要求，采掘工作面的瓦斯預抽率η達到標準要求，瓦斯含量Q與瓦斯壓力P的關系服從朗格繆爾式，工程中可簡化為：

式中，Q為瓦斯含量，m3/t；P為瓦斯壓力，MPa；α為煤層瓦斯含量系數(shù)，m3/(t·MPa0.5)。

則殘余瓦斯壓力達標標準為P(1-η)2，如實現(xiàn)瓦斯預抽率30%的目標，則瓦斯壓力降低51%以上即為抽采達標。所以當測試的瓦斯壓力值較低時，若累計抽采時間t時，距離抽采鉆孔r的測壓鉆孔瓦斯壓力下降(1-η)2以上時，則可得到抽采時間t時瓦斯抽采有效半徑為r的結論。

1.2.2 流量法計算有效抽采半徑

流量法計算有效抽采半徑的基本原理是通過計算累計瓦斯抽采量和抽采范圍的瓦斯儲量，進而計算瓦斯抽采率和殘余瓦斯含量，通過達標抽采率和瓦斯含量臨界值判斷抽采是否有效。抽采鉆孔聯(lián)抽后，每天測試鉆孔抽采參數(shù)，對測試的瓦斯抽采純量與累計抽采時間做回歸分析得到負指數(shù)函數(shù)關系式[2]：

式中，qct為抽采時間t下平均瓦斯抽采純量，m3/min；qc0為有效鉆孔長度條件下鉆孔初始瓦斯抽采量，m3/min；β為鉆孔瓦斯抽采量衰減系數(shù)，d-1，t為鉆孔的瓦斯抽采時間，d。

對式（2）積分，可以得到任意時間t內鉆孔瓦斯抽采總量Qct：

式中，Qct為任意時間t內鉆孔瓦斯抽采總量，m3。

測定煤層原始瓦斯含量，根據(jù)測定抽采時間t時的抽采鉆孔影響半徑r和煤層厚度等基本信息，可計算鉆孔控制范圍內的瓦斯儲量，進而計算時間t內瓦斯預抽率函數(shù)。當計算的預抽率大于或等于達標預抽率，即可計算預抽時間t時的瓦斯抽采有效半徑，見式（4）。

式中，r為抽采半徑，m；η達標為達標預抽率，%；h為煤層厚度，m；L為抽采鉆孔長度，m；γ為原煤容重，t/m3；W為煤層原始瓦斯含量，m3/t。

2 抽采半徑與合理抽采時間測定

2.1 測試方案設計

根據(jù)礦井開拓情況，選擇在 M16煤層 11161工作面回風巷的一段巷道測試，測試前保證在施工段前后20 m范圍內無鉆孔影響。試驗時將在此區(qū)域施工1個抽采孔和5個測壓孔，其布置如圖1所示。在每個測壓孔裝上壓力表，記錄每個測壓孔的原始壓力，待各個測壓孔的壓力穩(wěn)定后施工抽采孔，抽采孔施工完成后進行抽采，同時記錄每個測壓孔壓力值的變化情況，將瓦斯壓力下降到穩(wěn)定壓力，10%以上的鉆孔是為抽采影響范圍內的狀況，將距抽采鉆孔最遠的抽采影響范圍內的鉆孔到抽采鉆孔的距離，視為抽采影響半徑。

圖1 測試鉆孔布置方案

同時測定每個測壓鉆孔的瓦斯壓力，根據(jù)每個測壓孔的原始瓦斯壓力和抽采后的壓力，可以得到每個測壓孔的預抽率，如果n（n=1，2，…，5）號鉆孔以及n號鉆孔之前的每個測壓孔的瓦斯壓力下降量都大于或等于51%，而n號孔之后的測孔壓都小于51%，則n號孔距抽采孔的距離就是抽采鉆孔的有效半徑[3]。因此，確定鉆孔瓦斯抽采影響半徑的指標為瓦斯壓力下降10%以上，確定抽采鉆孔有效抽采半徑的指標為瓦斯壓力下降51%以上[4]。

2.2 現(xiàn)場施工及采集數(shù)據(jù)

現(xiàn)場施工于2017年11月18日至21日進行，共施工5個孔徑為75 mm、孔傾角19°、方位角343°、終孔深度50 m的順層測壓孔，鉆孔封孔后接壓力表觀察瓦斯壓力變化。現(xiàn)場測得最大瓦斯壓力為0.43 MPa，最大瓦斯含量為7.10 m3/t。至12月7日，連續(xù)7日各測壓鉆孔壓力值穩(wěn)定不變，抽采鉆孔于12月8日開始施工并與抽采系統(tǒng)連接。抽采孔開始接管抽采后，觀察測壓孔瓦斯壓力值變化并進行記錄。至2018年1月19日試驗結束共觀測42 d。依照觀測數(shù)據(jù)繪制了觀察孔瓦斯壓力隨時間的變化曲線[5]，如圖2所示。

2.3 抽采半徑隨抽采時間變化規(guī)律分析

由圖2可知，在抽采鉆孔開始接管抽采后，各觀察鉆孔瓦斯壓力隨時間呈現(xiàn)跳躍式且總體下降的趨勢，且距離抽采孔越遠，隨時間變化越緩，即距離抽采孔越遠的煤體，瓦斯壓力下降到抽采合格標準所需的時間越長[6]。

在假設賦存條件不變的情況下，鉆孔周圍煤層透氣性變化與煤層瓦斯預抽量成正比[7]，通過對瓦斯流動的相關分析，結果表示有效抽采半徑與抽采時間符合乘冪函數(shù)關系[8]。將各鉆孔瓦斯壓力值進行線性回歸，將各個鉆孔瓦斯壓力值達到抽采有效線所需時間與該鉆孔到抽采孔的距離進行線性擬合，可得出如下公式：

圖2 觀察孔瓦斯壓力隨時間變化曲線

抽采影響半徑：

有效抽采半徑：

式中，Ry為抽采影響半徑，m；Rc為抽采有效半徑，m；t為抽采時間，d。

將假設抽采時間分別代入公式（5）、（6），得到本煤層理想狀態(tài)下抽采時間與抽采影響半徑、抽采有效半徑的關系，見表1。

從表1中可知，在理想狀態(tài)下，本煤層的抽采影響半徑和抽采有效半徑隨著時間延長而增加。理論上順層預抽鉆孔的最大孔間距可以取2倍的瓦斯抽采有效半徑，但瓦斯抽采具有一定的不均衡性，所以鉆孔間距應在此基礎上適當減小，同時為了方便現(xiàn)場施工放線，對理論孔間距進行縮小取整作為合理鉆孔孔間距。結合煤礦采掘接替等因素考慮，將抽采時間 80 d所能達到的抽采效果作為本煤層抽采半徑考察經(jīng)濟點，確定在目前抽采條件下，采用Φ75 mm的鉆頭施工鉆孔，抽采時間80 d時，本煤層抽采有效半徑為2.5 m，抽采影響半徑為3.7 m。

表1 M16煤層抽采時間與抽采半徑關系

2.4 瓦斯抽放實踐

井田內全區(qū)及大部可采煤層有5層（M2、M6、M14、M16、M30煤層），M16煤層為較穩(wěn)定的大部可采煤層，煤層厚度0.14 m～2.20 m，平均1.54 m，其瓦斯含量大小受煤層埋深影響較大。礦井分兩個采區(qū)開采，一采區(qū)M16煤層瓦斯壓力為0.05～0.15 MPa，瓦斯含量為4.84 m3/t～14.81 m3/t，瓦斯放散初速度為22.1 mmHg～22.4 mmHg，煤的堅固性系數(shù)為 0.78～0.93，煤的破壞類型為Ⅱ類，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)α=0.018 d-1～0.024 d-1，透氣性系數(shù)λ=1.720 m2/(MPa2·d)～244.675 m2/(MPa2·d)，屬于可以抽采～容易抽采煤層。M16煤層屬Ⅲ類不易自燃，無爆炸危險性。

11161工作面是一采區(qū) M16煤層的首采工作面，其回風巷及巷道兩側內的瓦斯含量為 3.95 m3/t～4.86 m3/t，絕對瓦斯涌出量為0.385 m3/min～3 m3/min。預測工作面正?；夭蓵r的絕對瓦斯涌出量為 11.99 m3/min，最大絕對瓦斯涌出量 16.79 m3/min。區(qū)域防突措施為本煤層順層鉆孔抽采瓦斯，結合有效抽采半徑測定結果，結合現(xiàn)場實際確定的抽采方案為在11161運輸巷上幫施工一組預抽鉆孔，鉆孔開口高度為1.4 m，間隔2.5 m，終孔距離為2.5 m，傾角21°，孔徑75 mm，孔深90 m?，F(xiàn)場施工從2017年12月24日開始至2018年2月10日施工結束，共計施工163個鉆孔。鉆孔控制整個采煤工作面改造的部分（包括11161改造運輸巷巷下幫15 m）范圍。鉆孔采用邊施工邊接管抽采形式進行，鉆孔從2018年1月20日開始接管抽放，到2018年2月10日接管結束，截止2018年4月10日共計抽量87 901.77 m3。瓦斯抽放量曲線如圖3所示。

圖3 瓦斯抽采量隨時間變化曲線

2.5 抽采達標判定

本次預抽鉆孔設計間距為 2.5 m，預抽鉆孔竣工后經(jīng)驗收，相鄰鉆孔最大間距均小于設計間距，鉆孔布孔均勻程度滿足設計要求，預抽煤層瓦斯鉆孔可以控制整個評價區(qū)域煤層。防突鉆孔控制區(qū)域煤層儲量為40 072.4 t，瓦斯儲量為284 514 m3。根據(jù)瓦斯抽采后煤的殘余瓦斯含量計算公式求得抽采后煤的殘余瓦斯含量為4.92 m3/t?，F(xiàn)場防突人員根據(jù)效果檢驗鉆孔布置圖，在檢驗測試鉆孔施工過程中現(xiàn)場取樣，井下解析，又密封帶回地面瓦斯實驗室進行深度解析，采用 DGC瓦斯含量計算系統(tǒng)計算得最大殘余瓦斯含量為4.742 m3/t，殘余瓦斯壓力為0.323 MPa。瓦斯抽采率按抽采瓦斯量計算為30.9 %。

綜上所述，11161采煤工作面改造區(qū)域本次評價范圍最大殘余瓦斯含量為4.84 m3/t，殘余瓦斯壓力為0.322 MPa，瓦斯抽采率為31.5%，滿足《煤礦瓦斯抽采達標暫行規(guī)定》要求。

3 結論

（1）采用壓力指標法測定鉆孔有效半徑，分別得到了鉆孔有效半徑、鉆孔影響半徑與時間關系公式。

（2）通過公式計算得到抽采80 d后鉆孔有效半徑和影響半徑不再擴大，確定鉆孔的有效半徑為2.5 m，影響半徑為3.7 m。

（3）根據(jù)測定結果設計了11161工作面改造區(qū)域抽采方案，經(jīng)80 d抽采后，對此區(qū)域進行效果檢驗，測得最大殘余瓦斯含量為4.742 m3/t，殘余瓦斯壓力為0.323 MPa，瓦斯抽采率為30.9 %，滿足《煤礦瓦斯抽采達標暫行規(guī)定》的要求。