晁志國(guó)

（晉能控股裝備制造集團(tuán)，山西 晉城 048000）

瓦斯抽采技術(shù)是消除瓦斯突出煤層危險(xiǎn)性的有效方法[1-2]，包括地面鉆井瓦斯抽采和井下瓦斯抽采法[3]。井下瓦斯抽采法具有適用性強(qiáng)、成本低、鉆孔施工可靠性高等優(yōu)勢(shì)。因此，東大煤礦采取此方法對(duì)試驗(yàn)煤層瓦斯進(jìn)行治理。

1 瓦斯抽采效果測(cè)試原理

東大煤礦試驗(yàn)煤層的初始瓦斯壓力約為0.5 MPa，初始瓦斯含量約為12.82 m3/t，煤體堅(jiān)固性系數(shù)為0.41，絕對(duì)瓦斯涌出量為29.5 m3/min，煤層無(wú)自燃傾向性。根據(jù)煤礦瓦斯防治技術(shù)相關(guān)規(guī)定，當(dāng)煤層中的瓦斯含量低于8 m3/t 時(shí)可認(rèn)定為無(wú)突出危險(xiǎn)性的煤層。因此，為消除試驗(yàn)煤層的瓦斯災(zāi)害危險(xiǎn)性，抽采技術(shù)方案需要保證瓦斯由初始含量降低到安全界限以下，降低幅度約為38%。瓦斯抽采的過(guò)程中，通過(guò)分析瓦斯抽采的測(cè)試原理，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定底抽巷穿層長(zhǎng)鉆孔的瓦斯抽采流量，分析瓦斯抽采率的變化狀態(tài)，對(duì)瓦斯抽采的實(shí)際效果進(jìn)行檢驗(yàn)。

為判別瓦斯抽采效果，以瓦斯抽采率和瓦斯抽采流量作為理論基礎(chǔ)，建立瓦斯抽采效果判別方法。如圖1 所示，鉆孔附近由于抽采負(fù)壓較高，塑性區(qū)破碎程度較大，可假設(shè)為抽采率為1，隨著煤層距離抽采鉆孔的距離逐漸增加，當(dāng)完全脫離鉆孔負(fù)壓的抽采范圍和彈塑性破壞區(qū)影響時(shí)，此位置的瓦斯抽采量變?yōu)?，且假設(shè)瓦斯抽采率從1 到0 的變化規(guī)律遵循指數(shù)型函數(shù)分布形式。由此可建立鉆孔瓦斯流量公式（1）。

圖1 底抽巷穿層定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采率分布規(guī)律示意圖

式中：Q為鉆孔瓦斯流量，m3/min；C為煤層中瓦斯含量，m3/t；D為鉆孔長(zhǎng)度，m；ρc為煤體密度，kg/m3；β為瓦斯抽采率系數(shù)。

將式（1）進(jìn)行積分并求極限，得到瓦斯流量系數(shù)β為：

最終可得距鉆孔距離為x位置處的瓦斯抽采率為：

2 穿層鉆孔布置方案

2.1 鉆孔布置參數(shù)

東大煤礦試驗(yàn)煤層的底抽巷穿層定向長(zhǎng)鉆孔共布置7 個(gè)，用于抽采采煤工作面的瓦斯。如圖2（a）、2（b）所示，7 個(gè)鉆孔分為3 組，其中第一組鉆孔共包含3 個(gè)鉆孔，分別為1-1、1-2、1-3；第二組鉆孔共包含2 個(gè)鉆孔，分別為2-1、2-2；第三組鉆孔共包含2 個(gè)鉆孔，分別為3-1、3-2。組內(nèi)鉆孔的間隔距離為10 m，組間鉆孔的水平方向間隔距離為10 m，組間鉆孔的垂直方向間隔距離為0.8 m，鉆孔距離最近的上方和下方距離為1 m。瓦斯抽采鉆孔布置距離原始應(yīng)力區(qū)的間隔為15 m。瓦斯抽采鉆孔的施工數(shù)據(jù)見表1。

表1 底抽巷穿層定向長(zhǎng)鉆孔布置參數(shù)表

圖2 底抽巷穿層定向長(zhǎng)鉆孔布置位置示意圖（m）

井下瓦斯抽采的封孔方式與封孔效果直接影響了瓦斯抽采效果。為保證試驗(yàn)煤層底抽巷穿層定向長(zhǎng)鉆孔的瓦斯抽采效果，采用速凝發(fā)泡水泥漿對(duì)鉆孔進(jìn)行封孔處理。封孔采用“一堵一注”的方式，作用機(jī)理是利用含有膨脹劑的水泥砂漿充斥鉆孔周圍的塑性破碎巖體，膨脹后的水泥砂漿可以很好地對(duì)鉆孔以及鉆孔周圍的裂隙巖體進(jìn)行封堵，保證鉆孔內(nèi)的抽采負(fù)壓維持穩(wěn)定，管道內(nèi)的瓦斯不產(chǎn)生泄漏，以此保障瓦斯的抽采效果。采用膨脹劑的水泥砂漿避免了純水泥砂漿凝固后的體積縮減效應(yīng)，對(duì)于鉆孔的封孔效果更好。封孔示意圖如圖3。

圖3 底抽巷穿層定向長(zhǎng)鉆孔封孔示意圖

2.2 瓦斯抽采流量測(cè)試方法

工程鉆孔測(cè)試法、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法、氣體分子示蹤法是測(cè)定瓦斯抽采效果主要方法。工程鉆孔測(cè)試法當(dāng)中包括“瓦斯壓力測(cè)試法”和“瓦斯流量測(cè)試法”。根據(jù)東大煤礦煤層瓦斯賦存狀態(tài)實(shí)際，運(yùn)用瓦斯流量測(cè)試法對(duì)底抽巷穿層長(zhǎng)鉆孔的瓦斯抽采效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)與驗(yàn)證。

1）根據(jù)表1 所示的鉆孔施工參數(shù)，包括鉆孔傾角、方位角、鉆孔深度、封孔深度，在工作面底抽巷內(nèi)一共施工7 個(gè)穿層鉆孔。

2）所有的瓦斯抽采鉆孔均需要進(jìn)行封孔處理，封孔的主要技術(shù)如圖3。

3）對(duì)鉆孔進(jìn)行封孔后，每10 min 對(duì)3 組鉆孔進(jìn)行瓦斯流量監(jiān)測(cè)，各組鉆孔流量需監(jiān)測(cè)5 次以上。

4）以進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)抽采的時(shí)間作為第0 天，連續(xù)監(jiān)測(cè)記錄瓦斯流量演化情況。

5）將數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)儀統(tǒng)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并對(duì)瓦斯抽采流量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3 瓦斯抽采測(cè)試效果驗(yàn)證

3.1 瓦斯抽采流量測(cè)試結(jié)果

為檢驗(yàn)底抽巷穿層定向長(zhǎng)鉆孔的瓦斯抽采效果，匯總了3 組鉆孔在30 d 以內(nèi)的瓦斯流量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采用多參量的瓦斯流量測(cè)定儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，布置多組鉆孔進(jìn)行瓦斯流量的抽采檢測(cè)可以避免抽采鉆孔的瓦斯流量誤差影響，將誤差控制在允許范圍之內(nèi)。將每組鉆孔的瓦斯流量進(jìn)行平均值處理，最終就得到每組鉆孔的瓦斯流量數(shù)據(jù)。試驗(yàn)煤層的瓦斯流量數(shù)據(jù)見表2。

表2 瓦斯抽采流量30 d 數(shù)據(jù)表

試驗(yàn)煤層30 d 的瓦斯抽采流量數(shù)據(jù)繪制成曲線圖如圖4。3 組鉆孔的瓦斯抽采流量在30 d 內(nèi)的變化趨勢(shì)擬合曲線均為指數(shù)型衰減形式，其中1#組鉆孔的衰減幅度最大，由初始0.318 0 衰減至0.157 3，瓦斯的抽采效果最好；2#組鉆孔的瓦斯抽采衰減幅度居中，由初始0.298 0 降低至0.185 8，鉆孔抽采效果較好；3#鉆孔的瓦斯抽采衰減幅度最低，由初始0.201 0 衰減至0.173 2。在抽采的初始幾天內(nèi)，瓦斯的流量數(shù)據(jù)有明顯波動(dòng)，代表在抽采的初期，煤層內(nèi)部瓦斯壓力狀態(tài)及抽采鉆孔流量和瓦斯流動(dòng)狀態(tài)具有不穩(wěn)定性。

圖4 瓦斯抽采流量30 d 統(tǒng)計(jì)圖

3.2 瓦斯抽采率測(cè)試結(jié)果

為測(cè)試底抽巷穿層定向長(zhǎng)鉆孔的瓦斯抽采率，根據(jù)上文推導(dǎo)的公式（3）與表2 中的瓦斯流量數(shù)據(jù)，可計(jì)算得到距離鉆孔不同位置處的瓦斯抽采率的演化趨勢(shì)曲線。主要計(jì)算距離鉆孔3～4 m 處的瓦斯抽采率，其中計(jì)算了1#組鉆孔3.2 m、3.48 m、3.7 m距離處的瓦斯抽采率，計(jì)算了2#組鉆孔3.3 m、3.45 m、3.6 m 處的瓦斯抽采率，計(jì)算了3#組鉆孔3.1 m、3.31 m、3.5 m 處的瓦斯抽采率。3 組鉆孔在30 d 內(nèi)的瓦斯抽采率統(tǒng)計(jì)如圖5。靠近抽采鉆孔時(shí)，抽采率越高。瓦斯抽采率隨抽采時(shí)間增加呈指數(shù)性變化。1#組鉆孔的瓦斯抽采率大于2#組鉆孔的瓦斯抽采率，3#組鉆孔的瓦斯抽采率最低。3 組鉆孔的瓦斯抽采率在30 d 內(nèi)均達(dá)到了40%左右，滿足前文所述試驗(yàn)煤層的瓦斯防突技術(shù)要求中規(guī)定的瓦斯抽采率為38%的要求，隨著抽采繼續(xù)，極大降低瓦斯的突出危險(xiǎn)性。根據(jù)瓦斯抽采流量的演化趨勢(shì)和瓦斯抽采率的降低幅度可知底抽巷穿層定向長(zhǎng)鉆孔抽采瓦斯技術(shù)有效地防治了試驗(yàn)煤層的突出危險(xiǎn)性。

圖5 東大煤礦瓦斯抽采率30 d 統(tǒng)計(jì)圖

4 結(jié)語(yǔ)

1）以瓦斯抽采率和瓦斯抽采流量作為理論基礎(chǔ)，建立瓦斯抽采效果判別方法。假設(shè)瓦斯抽采率從1 到0 的變化規(guī)律遵循指數(shù)型函數(shù)分布形式，推導(dǎo)出鉆孔瓦斯流量公式。

2）布置7 個(gè)底抽巷穿層定向長(zhǎng)鉆孔，分為3組進(jìn)行瓦斯流量監(jiān)測(cè)，給出了鉆孔施工參數(shù)。

3）匯總了3 組鉆孔在30 d 以內(nèi)的瓦斯流量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，3 組鉆孔瓦斯流量均呈指數(shù)衰減形式。計(jì)算得出，此期間內(nèi)瓦斯抽采率達(dá)到了瓦斯防治標(biāo)準(zhǔn)。