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(shí)間段內(nèi)的有效抽采范圍。沿煤層走向單排布置m個(gè)鉆孔，沿煤層傾向單排布置n個(gè)鉆孔，此時(shí)布置鉆孔的總個(gè)數(shù)為m×n個(gè)，如圖1(a)所示，但會(huì)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(shí)布置鉆孔的總個(gè)數(shù)為2mn-m-n+1個(gè)，如圖1(b)所示，約為原來(lái)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(guò)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(gè)邊長(zhǎng)相對(duì)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(guò)程

傳統(tǒng)鉆孔布置間距過(guò)大會(huì)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(guò)小，會(huì)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(gè)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(gè)鉆孔，沿煤層傾向單排布置n個(gè)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(gè)，沿煤層傾向單排需多布置(n-1)個(gè)，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(gè)；m為沿煤層走向單排布置鉆孔數(shù)量，個(gè)；n為沿煤層傾向單排布置鉆孔數(shù)量，個(gè)。

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(dòng)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(shí)，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(gè)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(gè)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(gè)主孔周圍打4個(gè)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(gè)；Z為圓內(nèi)接八邊形副孔數(shù)量，個(gè)。

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(shí)，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(guò)理論計(jì)算和對(duì)抽采鉆孔數(shù)量、抽采面積冗余率指標(biāo)分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 鉆孔倍數(shù)和面積冗余率數(shù)據(jù)

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可以得出：圓內(nèi)接六邊形在保證無(wú)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(chǎng)石門揭煤為實(shí)例，對(duì)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(chǎng)位于副立井井筒東北部，巷道坡度20°，上山長(zhǎng)度159m，揭煤段標(biāo)高為+200m左右。該煤礦井底環(huán)形車場(chǎng)進(jìn)車線巷道和出車線巷道均要揭露3號(hào)煤層，進(jìn)車線巷道見(jiàn)煤點(diǎn)正好位于環(huán)形車場(chǎng)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(chǎng)進(jìn)車線已掘進(jìn)191m，距3號(hào)煤層頂板法向距離20m左右，預(yù)計(jì)再向前掘進(jìn)至21m時(shí)將揭露3號(hào)煤層。井底車場(chǎng)材料車線已掘進(jìn)200m，距3號(hào)煤層頂板法向距離20m左右，預(yù)計(jì)再向前掘進(jìn)至21m時(shí)將揭露3號(hào)煤層。

該礦井主采煤層為3號(hào)煤層，煤層傾角一般小于10°，井底車場(chǎng)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(jiǎn)單，涌水量較小，煤塵無(wú)爆炸性，煤層不易自燃。經(jīng)過(guò)煤層瓦斯含量測(cè)定，3號(hào)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(hào)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(chǎng)巷道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，3號(hào)煤層瓦斯含量為最大為13.51m3/t，瓦斯壓力為2.62MPa。預(yù)測(cè)井底車場(chǎng)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(shí)預(yù)測(cè)瓦斯涌出量：CH4為1.2～1.4m3/min，CO2為0.2～0.4m3/min。經(jīng)過(guò)評(píng)估，胡底煤礦井田范圍內(nèi)的3號(hào)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(chǎng)揭3號(hào)煤層工作面經(jīng)預(yù)測(cè)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(shí)，傳統(tǒng)施工鉆孔布置參數(shù)見(jiàn)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(chǎng)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(shí)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(guò)統(tǒng)計(jì)，該石門揭煤共設(shè)計(jì)抽采鉆孔8排104個(gè)，鉆孔進(jìn)尺工程量16388m，所有鉆孔要求穿透3號(hào)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(guò)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(duì)前期較低，使得中后期瓦斯抽采過(guò)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(jìng)爭(zhēng)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(wèn)題可以通過(guò)減少抽采面積冗余，降低鉆孔之間競(jìng)爭(zhēng)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(shí)間對(duì)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(shí)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(shí)避免了由于圓內(nèi)接四邊形鉆孔數(shù)量較多帶來(lái)的單孔瓦斯抽采量較低等問(wèn)題。

4 結(jié) 論

2)對(duì)胡底煤礦井底環(huán)形車場(chǎng)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(wú)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(wàn)元。

3)經(jīng)過(guò)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。