基于“一抽兩測”的順層扇形鉆孔瓦斯抽采半徑研究

耿延輝

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

引言

近年來，隨著國家對安全方面問題的高度重視，瓦斯事故是各個礦山的重中之重。目前國內(nèi)治理瓦斯事故主要是采取大規(guī)模施工密集鉆孔對煤層瓦斯進(jìn)行抽采，從而預(yù)防煤與瓦斯突出事故[1]。抽采煤層瓦斯的影響因素很多，其中對抽采效果影響較大的是瓦斯抽采半徑，而瓦斯抽采半徑直接關(guān)系到抽采鉆孔的布置密度和抽采時間的長短[2]。準(zhǔn)確地測定煤層瓦斯抽采半徑，既可以避免鉆孔設(shè)計及施工的盲目性，減少煤層瓦斯抽采的盲區(qū)和抽采鉆孔的有效影響范圍的無效疊加，又可以提高抽放鉆孔的利用率及施工速度。這樣既保證了抽放區(qū)域降低瓦斯含量的效果又節(jié)約了因?yàn)殂@孔間距布置不合理而增加的抽采時間，提高礦井的采掘速度[3]。此次煤層瓦斯抽采半徑的研究主要通過流量法和瓦斯含量法，對礦井的相關(guān)煤層瓦斯抽采工作具有參考指導(dǎo)意義[4]。

1 試驗(yàn)區(qū)煤層瓦斯特征

6 號煤層基本情況：根據(jù)中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司2014 年6 月提交的《阿拉善福泉煤炭有限責(zé)任公司6 號、7 號煤層煤與瓦斯突出參數(shù)測定及其突出危險性鑒定報告》可知：6 號煤的破壞類型Ⅲ-Ⅳ、瓦斯放散初速度19、堅(jiān)固性系數(shù)0.16、瓦斯含量15.89 m3/t、煤層透氣性系數(shù)0.039 5～19.799 m2/MPa2·d。

2 抽采半徑的考察方法選擇及臨界值的確定

2.1 考察方法的選擇

抽采半徑現(xiàn)場考察方法主要有三種：瓦斯壓力降低法、瓦斯含量降低法、鉆孔瓦斯流量法[5]。

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)域煤層的相關(guān)瓦斯資料及煤層賦存情況，綜合前述抽采半徑考察方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用性，本次試驗(yàn)考察依據(jù)現(xiàn)場情況對測定方法進(jìn)行了簡化，決定選擇以鉆孔瓦斯流量法為主、瓦斯含量降低法驗(yàn)證的測定方法[6]。該方法建立在瓦斯流量統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，同時測定煤層殘余瓦斯含量加以驗(yàn)證，提高了測定結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2 抽采半徑考察指標(biāo)臨界值的確定

針對不同瓦斯賦存情況，完全消除煤層突出危險性應(yīng)符合以下要求：（1）對瓦斯涌出量主要來自于開采層的采煤工作面，評價范圍內(nèi)煤的可解吸瓦斯量滿足煤體的可解吸瓦斯量應(yīng)達(dá)到的指標(biāo)，該礦產(chǎn)量2 200 t/d，可解吸瓦斯含量小于7 m3/t；（2）對于突出煤層，預(yù)期防突效果達(dá)標(biāo)瓦斯壓力或瓦斯含量按煤層始突深度處的瓦斯壓力或瓦斯含量取值[7]；沒有考察出煤層始突深度處的煤層瓦斯壓力或含量時，分別按照0.74 MPa、8 m3/t 取值；（3）對于瓦斯涌出量主要來自于突出煤層的采煤工作面，要同時滿足防突和瓦斯含量達(dá)標(biāo)要求；（4）對瓦斯涌出量主要來自于鄰近層或圍巖的采煤工作面，計算的瓦斯抽采率需滿足采煤工作面瓦斯抽采率應(yīng)達(dá)到的指標(biāo)，具體指標(biāo)見表1。

表1 采煤工作面瓦斯抽采率應(yīng)達(dá)到的指標(biāo)

福泉煤礦為煤層群開采，根據(jù)礦井瓦斯涌出量預(yù)測6 號煤層鄰近層瓦斯涌出占55.09%，開采層瓦斯涌出占44.91%，工作面瓦斯涌出量為22.71 m3/min。由于福泉煤礦6 號煤層始突深度的煤層瓦斯含量、始突深度瓦斯壓力均無實(shí)測數(shù)據(jù)，因此防突預(yù)抽效果按照瓦斯含量8 m3/t 取值；同時瓦斯涌出主要來自鄰近層，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求考察計算的采煤工作面瓦斯抽采率需大于40%。

綜合上述分析可知：6 號煤層瓦斯抽采半徑考察指標(biāo)煤層殘余瓦斯含量臨界值8 m3/t；采煤工作面瓦斯抽采率需要大于40%。

3 順層扇形鉆孔瓦斯抽采半徑的考察

3.1 考察地點(diǎn)選取及要求

瓦斯抽采半徑考察地點(diǎn)的選取應(yīng)滿足以下條件[8]：（1）考察地點(diǎn)的煤層賦存穩(wěn)定，附近無較大地質(zhì)構(gòu)造，所處地質(zhì)單元具有代表性；（2）考察鉆孔所處的工作面回采日期必須滿足考察所需的抽采時間。

根據(jù)考察地點(diǎn)選取要求及福泉煤礦采掘接替情況，福泉煤礦6 號煤層選擇鉆孔直徑Φ94 mm，考察地點(diǎn)選擇在1 168 軌道運(yùn)輸石門揭露6 號煤層施工順層扇形鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采半徑考察。

3.2 考察鉆孔設(shè)計

根據(jù)1168 軌道石門揭煤區(qū)域防突措施抽采卸壓范圍分布及鉆孔設(shè)計，選取6 號煤層原始區(qū)域考察6號煤層瓦斯抽采半徑。在1168 軌道石門左右兩幫各布置一組鉆孔，每組鉆孔6 個，鉆孔沿走向布置，鉆孔終孔間距間距10 m，每組考察鉆孔開孔位置位于煤層中間，試驗(yàn)區(qū)域考察鉆孔布置見圖1。

圖1 順層鉆孔抽采半徑考察鉆孔布置層面

4 考察結(jié)果及驗(yàn)證

根據(jù)現(xiàn)場測定試驗(yàn)區(qū)6 號煤層最大瓦斯含量為11.45 m3/t，福泉煤礦6 號煤層屬于突出煤層，根據(jù)考察臨界值相關(guān)規(guī)定，將6 號煤層瓦斯抽采半徑考察指標(biāo)煤層殘余瓦斯含量臨界值為8 m3/t；采煤工作面瓦斯抽采率需要大于40%。

4.1 根據(jù)統(tǒng)計流量計算抽采半徑測定結(jié)果及分析

6 號煤層瓦斯抽采半徑考察鉆孔控制區(qū)域需要抽采瓦斯量為：

Q抽總＝L1×L2×h×γ×W×η=16 158.24 m3

瓦斯抽采量統(tǒng)計見表2，抽采半徑計算結(jié)果見表3、表4。其抽采負(fù)壓在15～18 KPa，抽采鉆孔直徑Φ94 mm。

表2 福泉煤礦6 號煤層單孔日抽采瓦斯純量統(tǒng)計

表3 福泉煤礦6 號煤層94mm 鉆孔第一組抽采半徑計算結(jié)果

表4 福泉煤礦6 號煤層94mm 鉆孔第二組抽采半徑計算結(jié)果

4.2 根據(jù)擬合流量曲線計算抽采半徑

6 號煤層抽采半徑考察平均單孔日抽采瓦斯量統(tǒng)計結(jié)果擬合得出抽采衰減負(fù)指數(shù)曲線，如圖2 所示，其數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)R＝0.986 1，數(shù)據(jù)相關(guān)性強(qiáng)，其衰減負(fù)指數(shù)曲線能有效代表6 號煤層順層鉆孔單孔抽采瓦斯規(guī)律，可根據(jù)該抽采衰減負(fù)指數(shù)曲線公式積分解算6 號煤層順層鉆孔抽采半徑，見表5。

表5 福泉煤礦6 號煤層94 mm 鉆孔抽采半徑計算結(jié)果

圖2 6 號煤層瓦斯抽采半徑考察平均單孔日抽采瓦斯量統(tǒng)計擬合圖

綜合以上計算結(jié)果，由統(tǒng)計量計算得出的鉆孔抽采半徑與抽采衰減負(fù)指數(shù)曲線積分計算得出的鉆孔抽采半徑基本相符。

綜上可得：根據(jù)最小值原則，福泉煤礦6 號煤層在15～18 KPa 抽采負(fù)壓條件下，直徑Φ94 mm 鉆孔抽采20 d、30 d、60 d、90 d 和極限抽采半徑分別為：0.76 m、0.83 m、1.56 m、1.92 m、2.27 m。

4.3 煤層殘余瓦斯含量的驗(yàn)證

根據(jù)計算得到的抽采半徑，實(shí)測該區(qū)域方位內(nèi)的瓦斯含量，進(jìn)一步驗(yàn)證該考察區(qū)域內(nèi)的抽采情況和所確定的有效抽放半徑的準(zhǔn)確性。

4.3.1 第一次殘余瓦斯含量測定

根據(jù)計算半徑范圍內(nèi)，進(jìn)行煤層殘余瓦斯含量的測定及抽采率的計算，同時滿足抽采達(dá)標(biāo)時殘余含量小于8 m3/t；工作面抽采率η＞40%，殘余瓦斯含量測定及工作面抽采達(dá)標(biāo)率計算結(jié)果見表6。

表6 取樣驗(yàn)證參數(shù)及實(shí)測結(jié)果表

4.3.2 第二次殘余瓦斯含量測定

抽采達(dá)標(biāo)時殘余含量小于8 m3/t；需同時滿足工作面抽采率η＞30%，殘余瓦斯含量測定及工作面抽采達(dá)標(biāo)率計算結(jié)果見表7。

表7 取樣驗(yàn)證參數(shù)及實(shí)測結(jié)果表

驗(yàn)證結(jié)果表明通過現(xiàn)場實(shí)測參數(shù)形成的瓦斯流量衰減模型是非常穩(wěn)定和可靠的。福泉煤礦6 號煤層在15～18 KPa 抽采負(fù)壓條件下，直徑Φ94 mm 鉆孔抽采20 d、30 d、60 d、90 d 和極限抽采半徑分別為：0.76 m、0.83 m、1.56 m、1.92 m、2.27 m。

5 結(jié)論

（1）選擇以鉆孔瓦斯流量法為主，瓦斯含量降低法驗(yàn)證的瓦斯抽采半徑考察方法。該方法建立在瓦斯流量統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，并同時測定煤層殘余瓦斯含量加以驗(yàn)證，提高了測定結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（2）通過現(xiàn)場瓦斯含量實(shí)測，進(jìn)一步驗(yàn)證了瓦斯流量衰減模型的可靠性和正確性。

（3）通過現(xiàn)場考察、理論綜合分析得出福泉煤礦6 號煤層在15～18 KPa 抽采負(fù)壓條件下，直徑Φ94 mm 鉆孔抽采20 d、30 d、60 d、90 d 和極限抽采半徑分別為：0.76 m、0.83 m、1.56 m、1.92 m、2.27 m。