劉亮亮 任建平

（晉能控股裝備制造集團(tuán)趙莊二號(hào)井，山西 長(zhǎng)治 046600）

趙莊二號(hào)井位于山西省長(zhǎng)治市長(zhǎng)子縣慈林鎮(zhèn)，距太洛公路約200 m，距東田良火車(chē)站約2000 m，距趙莊礦井及附近坑口電廠約4000 m。趙莊二號(hào)井全井田3#煤層以位于井田中部的長(zhǎng)焦鐵路和長(zhǎng)晉高速煤柱為界，劃分為2 個(gè)盤(pán)區(qū)，東翼為一盤(pán)區(qū)（東盤(pán)區(qū)），西翼為二盤(pán)區(qū)（西盤(pán)區(qū)）。截至目前，3#煤一盤(pán)區(qū)內(nèi)的正規(guī)工作面已回采結(jié)束，現(xiàn)生產(chǎn)盤(pán)區(qū)為西翼二盤(pán)區(qū)。趙莊二號(hào)井為立井開(kāi)拓，其工業(yè)廣場(chǎng)布置有主、副立井，井田東、西兩翼盤(pán)區(qū)分別布置一個(gè)回風(fēng)立井。

趙莊二號(hào)井為高瓦斯礦井，在綜采工作面回采過(guò)程中，容易發(fā)生煤壁片幫，導(dǎo)致瓦斯大量涌出，造成瓦斯超限事故。抽采影響半徑在抽采鉆孔設(shè)計(jì)過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，通過(guò)測(cè)定抽采有效半徑可以更好地指導(dǎo)抽采鉆孔的設(shè)計(jì)，以便科學(xué)合理地確定礦井瓦斯治理方案[1-3]。

1 概況

趙莊二號(hào)井3#煤層屬于山西組中下部，與底部K7 砂巖距離為10.29 m，煤層厚度在0.35～6.78 m區(qū)間內(nèi)，平均煤層厚度為4.26 m。煤層厚度由東南逐漸向西北變薄，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含0～1 層夾矸，層位、厚度均比較穩(wěn)定，為穩(wěn)定的大部可采煤層。頂板巖性為泥巖、粉砂巖，底板為泥巖、粉砂巖，且含有大量的植物莖葉化石。

測(cè)試地點(diǎn)選在趙莊二號(hào)井西盤(pán)區(qū)2311 綜放工作面，所處水平為+471 m 水平。該工作面煤層底板最高標(biāo)高與最低標(biāo)高分別為+514 m、+498 m，走向長(zhǎng)456.7 m（幫-停采線）。該工作面傾斜長(zhǎng)度為166.4 m（幫-幫），煤層傾角為1°～5°，平均為2°，無(wú)突出危險(xiǎn)性，煤層平均厚度為4.5 m。具體瓦斯參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 瓦斯參數(shù)表

2 煤層瓦斯賦存規(guī)律確定

根據(jù)趙莊二號(hào)井三維地震探查斷層和采掘工程實(shí)際揭露斷層對(duì)比分析表明，礦井采掘過(guò)程中揭露斷層主要以落差小于5 m 的小型斷層為主，對(duì)礦井生產(chǎn)影響相對(duì)較小。雖存在落差大于5 m 的斷層，但走向展布均在50 m 以?xún)?nèi)，對(duì)瓦斯賦存及運(yùn)移影響較小。且井田內(nèi)未見(jiàn)巖漿巖侵入，可視為井田內(nèi)3#煤層為同一瓦斯地質(zhì)單元。

根據(jù)《礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法》（AQ 1018-2006）中第C.3 條，使用地勘鉆孔解吸法進(jìn)行煤層瓦斯含量測(cè)定時(shí)，當(dāng)鉆孔的深度小于500 m 時(shí)，應(yīng)按照《地勘時(shí)期煤層瓦斯含量測(cè)定方法》（AQ 1046-2007）的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行瓦斯含量測(cè)定；當(dāng)鉆孔的深度為500～1000 m 或者煤的解吸性能非常強(qiáng)時(shí)，測(cè)定值必須進(jìn)行校正[4]。趙莊二號(hào)井3#煤層主要區(qū)域埋深小于500 m，雖部分區(qū)域埋深大于500 m，但在井下解析過(guò)程中，3#煤的解吸性能弱，主要為粉碎過(guò)程中產(chǎn)生解析。另外，趙莊二號(hào)井井田面積較小，煤層埋深變化不明顯，經(jīng)對(duì)比篩選后的地勘期間瓦斯含量和井下實(shí)測(cè)瓦斯含量相差不明顯。綜合分析，確定篩選后的地勘期間測(cè)得的瓦斯含量較為可靠，不需再修正。

大量科研成果證明煤層原始瓦斯含量受煤層埋深控制，符合線性統(tǒng)計(jì)規(guī)律[5-6]。通過(guò)篩選后的地勘期間及井下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量的瓦斯含量，進(jìn)行趨勢(shì)擬合綜合分析，得到參與線性統(tǒng)計(jì)規(guī)律生成的有效數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 參與線性統(tǒng)計(jì)規(guī)律鉆孔數(shù)據(jù)

通過(guò)擬合分析，確定出3#煤層瓦斯賦存規(guī)律（圖1），在一定程度上反映了各煤層瓦斯的基本情況，得到瓦斯含量（W）隨著煤層埋深（H）的增加而呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，兩者之間遵循如下形式的線性統(tǒng)計(jì)規(guī)律：

圖1 3#煤層瓦斯含量與埋深關(guān)系圖

式中：W為煤層瓦斯含量，m3/t；H為煤層埋藏深度，m。

3#煤層瓦斯含量增長(zhǎng)梯度為：3.21 m3/（t·100 m）。

由3#煤層預(yù)測(cè)可知，確定井田內(nèi)3#煤層預(yù)測(cè)原始瓦斯含量為3.6～7.4 m3/t，其中二盤(pán)區(qū)預(yù)測(cè)原始瓦斯含量為5.6～7.4 m3/t。另外，趙莊二號(hào)井與趙莊礦三、五盤(pán)區(qū)距離較近，趙莊礦三盤(pán)區(qū)3#煤層原始瓦斯含量8.0～13.0 m3/t，五盤(pán)區(qū)3#煤層原始瓦斯含量4.0～7.0 m3/t，而五盤(pán)區(qū)（低瓦斯區(qū)域）距離趙莊二號(hào)井二盤(pán)區(qū)較為接近。根據(jù)趙莊二號(hào)井3#煤層瓦斯含量等值線圖可知，二盤(pán)區(qū)預(yù)測(cè)原始瓦斯含量為5.6～7.4 m3/t。結(jié)合趙莊礦五盤(pán)區(qū)3#煤層原始瓦斯含量4.0～7.0 m3/t 判斷，確定趙莊二號(hào)井3#煤層預(yù)測(cè)的原始瓦斯含量3.6～7.4 m3/t 較為準(zhǔn)確。

3 鉆孔設(shè)計(jì)及施工參數(shù)

由于預(yù)抽鉆孔測(cè)壓封孔難度較大，且成功率相對(duì)比較低，因此，預(yù)抽鉆孔的抽采影響半徑使用流量法測(cè)定。采用流量法測(cè)定抽采半徑的原理是[7]：在煤層瓦斯自然排放時(shí)，鉆孔內(nèi)瓦斯流量的規(guī)律是隨時(shí)間的增加呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)形式減弱；而當(dāng)考察孔在抽采鉆孔抽采影響半徑的范圍內(nèi)時(shí)，考察孔周?chē)耐咚咕蜁?huì)被抽采鉆孔抽走，考察孔的瓦斯流量就會(huì)在此區(qū)間段內(nèi)突然下降，根據(jù)考察孔在瓦斯抽放鉆孔聯(lián)網(wǎng)前后瓦斯流量的變化情況來(lái)確定預(yù)抽瓦斯鉆孔的抽采影響半徑。

3.1 封孔工藝

各鉆孔施工結(jié)束后，鉆機(jī)空轉(zhuǎn)3～5 min，將孔內(nèi)的積水和煤屑排出，保證封孔管能夠順利送入鉆孔內(nèi)。每個(gè)鉆孔在施工結(jié)束后，將兩個(gè)囊袋用扎帶固定在封孔管上。根據(jù)封孔長(zhǎng)度要求，提前截取好相應(yīng)長(zhǎng)度的注漿管，把封孔管上固定好的囊袋，使用快速接頭連接在一起。截取一段注漿管，一端固定在第一根（外端口）封孔管上，另一頭固定在第二根（里端口）封孔管上，注漿管長(zhǎng)度略短，保證注漿管里端頭位于里段封孔囊袋向外0.5～1.0 m 位置，將注漿管同時(shí)固定在封孔管上。封孔時(shí)，將提前固定好的封孔管和囊袋迅速穿入鉆孔，然后將注漿管固定在封孔管上一起穿入鉆孔，最后將第二根固定有封孔囊袋的封孔管送入鉆孔，并保證外段囊袋距孔口距離為2～3 m，保證封孔長(zhǎng)度不少于15 m?？卓谕舛斯潭?～2 袋封孔，對(duì)鉆孔孔口段進(jìn)行初封。注漿管外露長(zhǎng)度0.5 m 左右。鉆孔初封好后，安排專(zhuān)人進(jìn)行注漿。鉆孔注漿使用的是KFQFK-IV 型氣動(dòng)自動(dòng)瓦斯封孔泵，注漿壓力保持在0.8 MPa 以上并穩(wěn)定1～2 min 即可達(dá)到要求。封孔要保證嚴(yán)密，不漏氣[8-9]。

3.2 測(cè)試步驟

1）按照鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)，在煤層中依次布置7個(gè)考察孔，分別標(biāo)號(hào)1～7，此外增設(shè)8 號(hào)抽采孔，鉆孔直徑為0.094 m，打鉆設(shè)計(jì)孔深為50 m。

2）1 號(hào)～7 號(hào)考察孔施工完畢后，清除鉆孔內(nèi)煤屑和積水，并退出全部鉆桿。

3）施工完每個(gè)鉆孔后馬上按照“兩堵一注”的封孔工藝進(jìn)行封孔，封孔深度不少于15 m。

4）待1 號(hào)～7 號(hào)考察孔施工完畢后，鉆取8 號(hào)抽采孔。抽采孔的封孔工藝嚴(yán)格執(zhí)行“兩堵一注”，進(jìn)行接抽，抽采孔設(shè)計(jì)負(fù)壓抽采（抽采負(fù)壓不小于20 kPa）。

5）每天測(cè)定1 號(hào)～7 號(hào)鉆孔單孔瓦斯流量（L/min），記錄1～7 號(hào)考察孔的瓦斯流量，并繪制出隨時(shí)間的變化曲線。

6）根據(jù)上述瓦斯流量隨時(shí)間的變化曲線進(jìn)行分析，在某段抽采時(shí)間內(nèi)，當(dāng)1 號(hào)～7 號(hào)某個(gè)考察孔流量突然減小，進(jìn)而偏離抽采鉆孔瓦斯流量自然衰減曲線，即可確定該孔正處于抽采孔的影響半徑內(nèi)，同時(shí)處于該條件下、距抽采孔距離最遠(yuǎn)的考察孔，該孔與抽采孔的距離就是該預(yù)抽時(shí)間下抽采孔的影響半徑。

3.3 鉆孔施工參數(shù)

煤層賦存比較穩(wěn)定，頂、底板條件較好，無(wú)裂隙發(fā)育的未采區(qū)域選作布孔地點(diǎn)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)考察，在趙莊二號(hào)井2311 軌道回風(fēng)槽距工作面100 m 處，煤層賦存穩(wěn)定，可以滿足瓦斯抽采影響半徑的地質(zhì)條件。在2311 軌道回風(fēng)槽距工作面100 m 處共布置有8 個(gè)孔，其中7 個(gè)考察孔和1 個(gè)抽采孔，具體標(biāo)號(hào)是1 號(hào)～7 號(hào)鉆孔為設(shè)計(jì)中的考察孔，8 號(hào)鉆孔為設(shè)計(jì)中的抽采孔?？疾炜缀统椴煽拙唧w的布置位置及各個(gè)孔的間距如圖2。8 個(gè)鉆孔垂直煤壁進(jìn)行打鉆?？疾旒俺椴煽追饪追绞郊跋嚓P(guān)具體要求同3.2，具體參數(shù)見(jiàn)表3。

圖2 預(yù)抽鉆孔抽采半徑測(cè)定鉆孔布置圖（m）

表3 考察孔和抽采孔實(shí)際布置參數(shù)

4 測(cè)試結(jié)果及分析

對(duì)各考察孔的瓦斯流量測(cè)定結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，各考察孔在8 號(hào)孔開(kāi)始抽采后的瓦斯流量變化曲線如圖3。

圖3 各考察孔瓦斯抽采流量變化曲線圖

由圖3 可以看出：

1）1 號(hào)和2 號(hào)考察鉆孔在測(cè)定過(guò)程中，瓦斯抽采流量雖然有起伏，但是考察期內(nèi)沒(méi)有大幅度的下降變化，無(wú)明顯的衰減擬合曲線偏離，總體上符合正常衰減的趨勢(shì)情況；3 號(hào)考察孔在測(cè)定過(guò)程中，瓦斯流量在抽采后第34 天發(fā)生了大幅下降，之后逐漸衰減至0；4 號(hào)考察孔瓦斯流量在抽采后第10天發(fā)生了大幅度的下降，之后逐漸衰減至0；5 號(hào)考察孔瓦斯流量在抽采后第7 天發(fā)生了大幅度的下降，之后逐漸衰減至0；6 號(hào)考察孔瓦斯流量在抽采后第17 天發(fā)生了大幅度的下降，之后逐漸衰減至0；7 號(hào)考察孔瓦斯流量在抽采后第56 天發(fā)生了大幅度的下降，之后逐漸衰減至0。

2）從圖3 還可發(fā)現(xiàn)，除1 號(hào)和2 號(hào)考察孔外，其他考察孔瓦斯流量發(fā)生大幅下降后，其流量測(cè)值均偏離了原有鉆孔自然排放擬合曲線。

通過(guò)分析可知，趙莊二號(hào)井3 號(hào)煤層在Φ94 mm 順層抽采鉆孔、抽采負(fù)壓為36 kPa 條件下，抽采7 d 時(shí)其抽采影響半徑為1.0 m，抽采10 d 時(shí)其抽采影響半徑為1.5 m，抽采17 d 時(shí)其抽采影響半徑為2.0 m，抽采34 d 時(shí)其抽采影響半徑為2.5 m，抽采56 d 時(shí)其抽采影響半徑為3.5 m。抽采鉆孔影響半徑與抽采時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)表4。隨著抽采時(shí)間的延長(zhǎng)，抽采影響半徑將會(huì)增加。

表4 抽采鉆孔影響半徑與抽采時(shí)間的關(guān)系

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的抽采孔抽采影響半徑和抽采時(shí)間的一一對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)如表4 所示。對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，擬合抽采鉆孔抽采影響半徑r與抽采時(shí)間t數(shù)據(jù)，得出二者關(guān)系如圖4，其相關(guān)系數(shù)R2=0.989 9。

圖4 抽采影響半徑與時(shí)間的擬合曲線圖

式中：r為抽采影響半徑，m；t為抽采時(shí)間，d。

根據(jù)上述預(yù)抽鉆孔的影響半徑和時(shí)間之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，能夠計(jì)算出不同預(yù)抽時(shí)間下抽采孔的抽采影響半徑，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。其中可以看出，在抽采90 d 后，抽采影響半徑增加趨勢(shì)逐漸減弱，抽采影響半徑變化趨于穩(wěn)定。按照預(yù)抽時(shí)間不少于90 d，抽采影響半徑3.45 m左右，考慮工程施工便利，確定趙莊二號(hào)井本煤層預(yù)抽鉆孔抽采影響半徑3.00 m，可做為鉆孔布置設(shè)計(jì)依據(jù)。

表5 順層預(yù)抽鉆孔抽采影響半徑計(jì)算表

5 結(jié)論

1）順層鉆孔的抽采半徑測(cè)定方法有很多，本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況布置考察孔與抽采孔，采用流量法對(duì)趙莊二號(hào)井預(yù)抽瓦斯的瓦斯抽采影響半徑進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究，得出了瓦斯抽采時(shí)預(yù)抽時(shí)間不少于90 d，確定了趙莊二號(hào)井本煤層預(yù)抽鉆孔的抽采影響半徑為3.00 m，為礦井瓦斯治理及抽采鉆孔設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2）本文現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)地點(diǎn)為趙莊二號(hào)井2311 軌道回風(fēng)順槽距離工作面100 m 處，建議當(dāng)在煤層或瓦斯賦存條件有較大變化時(shí)、地質(zhì)構(gòu)造較大時(shí)，及時(shí)測(cè)定瓦斯抽采半徑、煤層的原始瓦斯含量、煤的堅(jiān)固性與透氣性系數(shù)等相關(guān)參數(shù)，以此來(lái)保障礦井的安全生產(chǎn)。