王亞洲 孫 銳

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶市沙坪壩區(qū)，400037； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區(qū)，400037)

礦井開采條件日益復(fù)雜，瓦斯災(zāi)害成為制約礦井安全生產(chǎn)主要因素，預(yù)抽煤層瓦斯成為礦井治理瓦斯災(zāi)害普遍采用的措施。確定預(yù)抽鉆孔合理抽采半徑是保障煤層瓦斯抽采效果的關(guān)鍵，鉆孔間距布置過(guò)大，雖節(jié)約了工程量，但煤層瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間較長(zhǎng)，影響礦井采掘接替緊張；鉆孔間距布置過(guò)小，不但增加了鉆孔工程量，而且容易導(dǎo)致串孔，使抽采效率低下。因此，本文根據(jù)平舒礦15#煤層實(shí)際情況，通過(guò)考察研究，確定合理的預(yù)抽鉆孔抽采半徑，指導(dǎo)礦井抽采工程科學(xué)實(shí)施。

1 工程背景

平舒礦隸屬于陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，15#煤層位于石炭系上統(tǒng)太原組下部，煤層厚度變化較大，厚1.35～7.15 m，平均厚度3.97 m，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不含或含1～4層夾矸，夾矸厚0.08～1.35 m。井田內(nèi)煤層厚度由東往西逐漸變薄。15#煤層屬全區(qū)穩(wěn)定可采、但瓦斯較難抽采煤層。15111工作面開采15#煤層，工作面傾向長(zhǎng)度200 m，走向長(zhǎng)度約1200 m。

2 抽采半徑考察研究

2.1 抽采半徑試驗(yàn)鉆孔設(shè)計(jì)及施工

試驗(yàn)選定在15111工作面進(jìn)風(fēng)巷14～16橫貫(長(zhǎng)度為98 m)開展15#煤層順層鉆孔瓦斯抽采半徑考察工作，考察半徑分別為0.75 m、1.25 m和1.5 m，即鉆孔間距分別為1.5 m、2.5 m、3 m。每組考察鉆孔按單排15個(gè)鉆孔布置，封孔長(zhǎng)度為8 m，鉆孔直徑為113 mm，試驗(yàn)鉆孔竣工圖見圖1。

圖1 15111工作面進(jìn)風(fēng)巷抽采半徑考察試驗(yàn)鉆孔成孔圖

2.2 試驗(yàn)鉆孔接抽及觀測(cè)

試驗(yàn)鉆孔施工完畢后立即封孔，采用“兩堵一注”封孔工藝，封孔材料為專用注漿材料，封孔長(zhǎng)度為8 m。把每組試驗(yàn)鉆孔接入抽采系統(tǒng)進(jìn)行抽采，并在每組鉆孔中安裝一套放水器、導(dǎo)流管附屬裝置。

流量監(jiān)測(cè)裝置安裝完成后，技術(shù)人員每3 d測(cè)定1次抽采參數(shù)，包括抽采負(fù)壓、壓差、濃度。抽采半徑考察期間試驗(yàn)鉆孔抽采負(fù)壓約為10.0～13.0 kPa，此次試驗(yàn)共監(jiān)測(cè)80 d的抽采數(shù)據(jù)，共監(jiān)測(cè)到25組考察數(shù)據(jù)。通過(guò)收集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)試驗(yàn)鉆孔瓦斯抽采半徑進(jìn)行分析考察。

2.3 試驗(yàn)鉆孔覆蓋范圍內(nèi)瓦斯儲(chǔ)量及達(dá)標(biāo)抽采量

試驗(yàn)區(qū)域煤層原始瓦斯含量實(shí)測(cè)值為15.6 m3/t，根據(jù)每組試驗(yàn)鉆孔有效覆蓋面積計(jì)算該面積內(nèi)的瓦斯儲(chǔ)量。根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》要求，煤層瓦斯經(jīng)抽采后必須將瓦斯含量降至8 m3/t以下抽采工程方可達(dá)標(biāo)。因此，瓦斯抽采達(dá)標(biāo)需要抽采的瓦斯量為煤層瓦斯儲(chǔ)量與煤層瓦斯抽采達(dá)標(biāo)后殘余瓦斯量之差。

根據(jù)3組試驗(yàn)鉆孔實(shí)際施工參數(shù)可知，3 m試驗(yàn)鉆孔有效覆蓋面積為3810 m2，2.5 m試驗(yàn)鉆孔有效覆蓋面積為3485 m2，1.5 m試驗(yàn)鉆孔有效覆蓋面積為2262 m2。3組試驗(yàn)鉆孔覆蓋面積內(nèi)瓦斯抽采達(dá)標(biāo)需要抽采的瓦斯量Qdc按下式計(jì)算：

Qdc=(W0-Wy)×M0×γ×S

(1)

式中：Qdc——煤層瓦斯抽采達(dá)標(biāo)需要完成的抽采量，m3；

W0——煤層原始瓦斯含量，實(shí)測(cè)試驗(yàn)區(qū)域工作面的原始瓦斯含量為15.6 m3/t；

Wy——抽采達(dá)標(biāo)對(duì)應(yīng)的煤層殘余瓦斯含量，根據(jù)防突規(guī)定殘余瓦斯含量取值為8 m3/t；

S——每組試驗(yàn)鉆孔有效覆蓋面積，m2；

M0——平均煤厚，工作面試驗(yàn)區(qū)域煤層厚度為4.2 m；

γ——煤體容重，取1.43 t/m3。

經(jīng)計(jì)算，3 m、2.5 m和1.5 m試驗(yàn)鉆孔有效覆蓋面積內(nèi)瓦斯抽采達(dá)標(biāo)需要抽采的瓦斯量分別為173909 m3、159075 m3和103250 m3。

2.4 抽采半徑考察分析

2.4.1各組不同間距試驗(yàn)鉆孔單日瓦斯抽采量隨抽采時(shí)間的變化規(guī)律

根據(jù)監(jiān)測(cè)的試驗(yàn)鉆孔瓦斯抽采參數(shù)，計(jì)算每組鉆孔單日瓦斯平均抽采量qct，并結(jié)合鉆孔平均抽采時(shí)間t形成測(cè)定數(shù)組(t，qct)。對(duì)監(jiān)測(cè)的數(shù)組進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出每組鉆孔單日瓦斯平均抽采量與抽采時(shí)間的關(guān)系。

各組試驗(yàn)鉆孔抽采特征曲線如圖2所示。

通過(guò)對(duì)上述曲線擬合，得出不同間距試驗(yàn)鉆孔單日瓦斯抽采量與抽采時(shí)間的關(guān)系：

1.5 m組：qct=1942.6×e-0.018t

2.5 m組：qct=2055.3×e-0.012t

3 m組：qct=1892.5×e-0.010t

由圖1可知，1.5 m、2.5 m組鉆孔竣工長(zhǎng)度基本接近鉆孔設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，3 m組鉆孔由于鉆孔見巖等原因?qū)е裸@孔施工長(zhǎng)度與設(shè)計(jì)長(zhǎng)度存在差距。因此，1.5 m、2.5 m組鉆孔初始單日瓦斯抽采量比3 m組鉆孔的較大。

圖2 不同間距試驗(yàn)鉆孔單日瓦斯抽采量與抽采時(shí)間關(guān)系圖

不同間距試驗(yàn)預(yù)抽鉆孔具有不同的瓦斯流量衰減系數(shù)和初始瓦斯抽采量，試驗(yàn)結(jié)果表明：鉆孔間距越大，瓦斯流量衰減系數(shù)就越小，表示衰減的越慢。反之，鉆孔間距越小，瓦斯流量衰減系數(shù)就越大，表示衰減的越快。鉆孔間距為1.5～3 m時(shí)，其衰減系數(shù)在0.01～0.018 d-1之間。

2.4.2各組不同間距試驗(yàn)鉆孔瓦斯抽采量與抽采時(shí)間關(guān)系

對(duì)每組試驗(yàn)鉆孔單日瓦斯抽采量在抽采時(shí)間上積分可以得到不同抽采時(shí)間內(nèi)的抽采總量：

Qct=Qcj(1-e-βt)

(2)

式中：Qct——時(shí)間t內(nèi)鉆孔瓦斯抽采總量，m3；

Qcj——t→∞時(shí)鉆孔極限瓦斯抽采量，m3。

經(jīng)積分計(jì)算，得出各組試驗(yàn)鉆孔瓦斯抽采量與抽采時(shí)間的關(guān)系如下：

1.5 m組：Qct=107922×(1-e-0.018t)

2.5 m組：Qct=171275×(1-e-0.012t)

3 m組：Qct=189250×(1-e-0.010t)

據(jù)此可分析得出：1.5 m組、2.5 m組和3 m組鉆孔的極限瓦斯抽采量分別為107922 m3、171275 m3和189250 m3。預(yù)抽鉆孔間距越大，其極限瓦斯抽采量越大。

2.4.3各組不同間距試驗(yàn)鉆孔瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間分析

(1)當(dāng)試驗(yàn)預(yù)抽鉆孔瓦斯抽采量Qct達(dá)到抽采達(dá)標(biāo)需要預(yù)抽的瓦斯抽采量Qdc時(shí)，則鉆孔有效覆蓋面積內(nèi)煤層瓦斯抽采達(dá)標(biāo)，即Qct≥Qdc。

各組試驗(yàn)預(yù)抽鉆孔抽采達(dá)標(biāo)的條件為：

1.5 m組：Qct≥103250 m3

2.5 m組：Qct≥159075 m3

3 m組：Qct≥173909 m3

經(jīng)計(jì)算，得出1.5 m組、2.5 m組和3 m組試驗(yàn)預(yù)抽鉆孔有效覆蓋面積內(nèi)煤層瓦斯抽采達(dá)標(biāo)所需要的抽采時(shí)間為175 d、221 d和252 d。

2.4.4 試驗(yàn)鉆孔預(yù)抽效果檢驗(yàn)

對(duì)預(yù)抽鉆孔抽采參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)試驗(yàn)鉆孔有效覆蓋范圍內(nèi)瓦斯儲(chǔ)量、瓦斯抽采量初步判定試驗(yàn)區(qū)域煤層瓦斯預(yù)抽達(dá)標(biāo)后，需對(duì)瓦斯預(yù)抽效果進(jìn)行檢驗(yàn)。檢驗(yàn)指標(biāo)為煤層殘余瓦斯含量，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為《煤層瓦斯含量井下直接測(cè)定方法》(GB/T23250-2009)。

在3組不同間距試驗(yàn)鉆孔施工區(qū)域各均勻布置3個(gè)效果檢驗(yàn)鉆孔，效果檢驗(yàn)鉆孔位于相鄰預(yù)抽鉆孔中部，每個(gè)鉆孔測(cè)定1組殘余瓦斯含量。

3組試驗(yàn)區(qū)域煤層殘余瓦斯含量測(cè)定結(jié)果為6.82～7.65 m3/t，小于效果檢驗(yàn)指標(biāo)臨界值8 m3/t，驗(yàn)證了1.5 m、2.5 m、3 m組預(yù)抽鉆孔分別預(yù)抽175 d、221 d、252 d后，消除了煤層煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，預(yù)抽措施有效，滿足了礦井防突要求。

2.4.5抽采鉆孔的布置間距與抽采達(dá)標(biāo)所需時(shí)間關(guān)系

為了更好地指導(dǎo)礦井實(shí)際生產(chǎn)工作，依據(jù)現(xiàn)有的考察數(shù)據(jù)確定瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)，抽采鉆孔的布置間距與抽采達(dá)標(biāo)所需時(shí)間之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 預(yù)抽鉆孔間距與抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間的關(guān)系曲線

由各組試驗(yàn)鉆孔抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間關(guān)系可以得出平舒煤礦相似煤層瓦斯地質(zhì)單元內(nèi)抽采鉆孔間距與抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間的關(guān)系：

T=10.67r2+3.33r+146

(3)

式中：T——鉆孔抽采達(dá)標(biāo)所需時(shí)間，d；

r——預(yù)抽鉆孔間距，m。

3 結(jié)論

3.1 考察結(jié)論

(1)根據(jù)3組試驗(yàn)鉆孔實(shí)際施工參數(shù)得知，3 m、2.5 m和1.5 m試驗(yàn)鉆孔有效覆蓋面積分別為3810 m2、3485 m2和2262 m2。3 m、2.5 m和1.5 m試驗(yàn)鉆孔有效覆蓋面積內(nèi)瓦斯抽采達(dá)標(biāo)需要抽采的瓦斯量分別為173909 m3、159075 m3和103250 m3。

(2)得出不同間距試驗(yàn)鉆孔單日瓦斯抽采量與抽采時(shí)間的關(guān)系。不同間距組試驗(yàn)預(yù)抽鉆孔具有不同的瓦斯流量衰減系數(shù)和初始瓦斯抽采量，鉆孔間距越大，瓦斯流量衰減系數(shù)就越小，表示衰減的越慢；反之，鉆孔間距越小，瓦斯流量衰減系數(shù)就越大，表示衰減的越快。鉆孔間距為1.5～3 m時(shí)，其衰減系數(shù)在0.01～0.018 d-1之間。

(3)得出1.5 m、2.5 m和3 m組試驗(yàn)預(yù)抽鉆孔有效覆蓋面積內(nèi)煤層瓦斯抽采達(dá)標(biāo)所需要的抽采時(shí)間分別為175 d、221 d和252 d。

抽采半徑考察期間試驗(yàn)鉆孔抽采負(fù)壓約為10.0～13.0 kPa。為了保障煤層瓦斯預(yù)抽效果，平舒煤礦各抽采支管孔口負(fù)壓應(yīng)不低于13 kPa。

3.2 抽采半徑主要影響因素分析

抽采半徑合理確定由鉆孔瓦斯抽采效果及煤層瓦斯儲(chǔ)量?jī)蓚€(gè)方面共同決定，即主要取決于煤層厚度、瓦斯含量、接抽工藝、抽采負(fù)壓等指標(biāo)。其中，抽采負(fù)壓及接抽工藝指標(biāo)相對(duì)穩(wěn)定，在各工作面變化不大；煤層厚度、瓦斯含量指標(biāo)決定了煤層瓦斯儲(chǔ)量，對(duì)瓦斯抽采效果產(chǎn)生一定的影響，因此，該抽采半徑考察結(jié)論適用于平舒煤礦15#煤層賦存、瓦斯地質(zhì)相似的區(qū)域，對(duì)于差異較大的煤層賦存、瓦斯地質(zhì)單元區(qū)域應(yīng)參考本次預(yù)抽鉆孔抽采半徑考察結(jié)論作相應(yīng)的調(diào)整，更有針對(duì)性地指導(dǎo)礦井瓦斯抽采工程。