凤凰山煤矿16#煤层瓦斯抽采半径考察

林海峰

(1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁省沈阳市，110016; 2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁省抚顺市，113122)



★ 煤矿安全 ★

凤凰山煤矿16#煤层瓦斯抽采半径考察

林海峰1,2

(1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁省沈阳市，110016; 2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁省抚顺市，113122)

瓦斯抽采半径的确定是制定防突措施的根本依据,合适的选取能充分利用钻孔以提高矿井的瓦斯抽采率。本文利用相对瓦斯压力指标来现场试验测定凤凰山煤矿16#煤层抽采瓦斯半径，得出抽采时间为80 d时，抽采有效半径为2.2 m，抽采影响半径为3.2 m。

抽采半径 相对压力指标 顺层钻孔 极限抽采时间

衡量瓦斯抽采效果最关键的一个环节就是抽采钻孔间距的确定。若是间排距过大，在煤层抽采区域中会产生空白区，不能起到预期的完全有效地抽采效果，极大地威胁生产安全；若是间排距过小，则会产生生产材料、人工的浪费。钻孔抽采有效半径的精准确定，对抽采钻孔科学、合理的设计及施工技术尤为重要，还能节约额外的人工、材料成本，维护现场施工安全。

1 测定方法

现场打钻测定法与软件模拟是当今最为常用的确定钻孔有效抽采半径的方法，两者也可结合综合测定衡量。因此本文选择钻孔测定法及瓦斯压力指标来实际考察凤凰山煤矿16#煤层钻孔抽采瓦斯的有效半径。

1.1 相对压力指标的测定依据

压力指标法的测定是基于《煤矿安全规程》第一百九十条规定：预抽煤层瓦斯后，必须对预抽瓦斯防治突出效果进行检验，其检验的指标之一是煤层瓦斯预抽率大于30%(若是突出矿井要满足瓦斯含量小于8 m3/t)，即要求抽采后的瓦斯含量低于抽采前的0.3倍以上。在实际中误差在允许范围之内，煤层瓦斯含量X与瓦斯压力P形成下列抛物线相关：

(1)

式中：X——煤层瓦斯含量，m3/t；

α——煤层瓦斯含量系数，m3/(t·MPa0.5)；

P——煤层瓦斯压力，MPa。

因此，抽采前后瓦斯含量降低的比例和瓦斯压力降低的比例也存在抛物线关系。如果煤层预抽率为30%，即残余瓦斯含量为原始瓦斯含量的70%。通过计算可知，此时残余瓦斯压力为原始瓦斯压力的49%，瓦斯压力下降量为51%。压力指标法测定钻孔的有效半径就是依据这个标准来进行判定。

1.2 相对压力指标法的施工步骤

在煤层间隔一定距离施工一组测压孔，每个测压孔均安装上一块压力表，分别详细记录各测压孔的原煤瓦斯压力P1、P2、P3、P4……Pn；直到每个测压孔表压稳定不变时，补打煤层瓦斯预抽钻孔，待预抽钻孔施工完毕后，连接瓦斯抽采系统开始预抽，并定时观测记录好各测压孔的压力值，对比变化幅度，确定最终瓦斯压力降至预抽前瓦斯压力超过10%幅度的钻孔即是抽采影响区域内的钻孔，而离预抽钻孔最远的那个预抽影响区域内钻孔至预抽钻孔的距离即是抽采影响半径。

基于各个测压孔的原煤瓦斯压力与预抽后的压力，即能掌握各测压孔的预抽率。若A号孔与A号孔之前的各测压孔的瓦斯压力下降幅度均不小于51%，而A号孔之后的测压孔均小于51%，则A号孔与预抽钻孔的间距即为预抽钻孔的有效抽采半径。

所以，衡量预抽钻孔瓦斯抽采影响半径标准是瓦斯压力下降幅度超过10%；衡量预抽钻孔有效抽采半径标准是瓦斯压力下降幅度超过51%。

2 考察方案设计

凤凰山煤矿16#煤层1163工作面开采一采区+1512 m水平，埋深在100～128 m之间，走向长度为180 m，倾向长度为100 m，平均煤层厚度为2.0 m，顶板多为粉砂岩或细砂岩，底板为灰色泥岩。构造比较简单，总体呈单斜构造，煤层倾角在2°～8°之间。

本次对凤凰山煤矿16#煤层采用顺层钻孔测定抽采半径，在1163运输联巷距进口端80 m处左帮中部沿巷道掘进方向布置一组考察钻孔进行考察，其中，布置1个预抽孔，1#、2#、3#、4#、5#孔为测压孔，依次布置在预抽孔两侧，距其孔间距分别为0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m，所有钻孔开孔直径均为75 mm，孔深为50 m，预抽孔封孔长度为8 m，测压孔封孔长度为40 m，其钻孔布置如图1所示。

图1 16#煤层抽采半径考察钻孔设计图

图2 各钻孔压力值随抽采时间变化曲线

3 观测结果分析

凤凰山煤矿16#煤层抽采半径现场工作于2016年1月1日施工完5个测压钻孔并进行观测。截止到2016年1月14日各测压钻孔压力值稳定7 d不变，1月15日施工预抽钻孔并与抽采系统连接进行预抽。之后每日观察压力值变化情况，直至2016年2月25日观测结束，共观测42 d。通过对数据进行整理与分析，分别绘制了每个测压钻孔的压力值变化曲线图，如图2所示。

由图2可知，自预抽钻孔进行预抽瓦斯后，1#、2#、3#、4#、5#钻孔瓦斯压力降至抽采影响线的时间分别为3 d、9 d、19 d、30 d、40 d，说明在预抽时间达到40 d时，所有钻孔均在预抽影响范围之内，此时对应的抽采影响半径为2.5 m；自预抽钻孔进行预抽瓦斯后，1#、2#、3#钻孔瓦斯压力降至抽采有效线的时间分别为8 d、19 d、39 d，说明在预抽时间达到39 d时，1#、2#、3#钻孔均在预抽有效范围之内，此时对应的抽采有效半径为1.5 m，4#、5#钻孔在预抽有效范围之外。由于考察时间有限，不能完全考察出16#煤层抽采影响半径与抽采有效半径，这就需要引入极限抽采时间概念，进一步对抽采影响半径与抽采时间、抽采有效半径与抽采时间关系进行数值拟合及分析，从而确定出抽采影响半径与抽采有效半径的具体数值。

4 抽采有效半径的确定

4.1 极限抽采时间

实际现场应用得出，钻孔的有效抽采半径由瓦斯压力、煤层透气性、抽采负压及抽采时间等多种因素单一作用或综合作用而决定的。

钻孔抽采时间是基于采、掘接替所规定的预抽时间、规定的抽采率及煤层透气性等多种因素综合考察，而钻孔的有效抽采时间应小于极限抽采时间Tj：

Qf——钻孔累计抽采瓦斯量，m3；

Qi——瓦斯极限抽采量，m3；

Tj——极限抽采时间，d；

α——钻孔瓦斯流量衰减系数，d-1。

(5)

根据现场测定，16#煤层钻孔瓦斯流量衰减系数为0.0478 d-1，根据式(5)可得到16#煤层钻孔极限抽采时间为63 d。

4.2 抽采有效半径与抽采时间关系

一定埋藏条件下，钻孔附近煤体透气性变化和瓦斯预抽量呈线性关系，基于瓦斯流动理论，推算出有效抽采半径和抽采时间呈幂函数关系。提取每个钻孔瓦斯压力数据进行数值拟合，每个钻孔瓦斯压力值至抽采有效线所需时间和此钻孔与抽采钻孔距离进行线性拟合，得到16#煤层的瓦斯抽采影响半径与有效抽采半径：

式中：Ry——抽采影响半径，m；

Rc——有效抽采半径，m；

t——抽采时间，d。

将不同的抽采时间带入式(6)和式(7)，得到16#煤层理论状态下抽采时间和抽采半径关系，见表1。

表1 16#煤层抽采时间与抽采半径关系表

4.3 抽采钻孔有效抽采半径确定

基于上述计算过程而确定凤凰山煤矿16#煤层抽采63 d时，钻孔有效抽采率已至95%。考虑煤矿采掘接续，将抽采时间80 d得到的抽采效果视作凤凰山煤矿16#煤层瓦斯抽采半径考察经济点，与现场实际非常吻合。在目前具备的抽采条件(孔口抽采负压>15 kPa)下，采用直径为75 mm的钻头打钻孔，抽采时间为80 d时，16#煤层的抽采有效半径为2.2 m，抽采影响半径为3.2 m。

5 结论

本文采用相对压力指标法，通过理论分析与现场考察相结合的方法，通过引入极限抽采时间的概念，对凤凰山煤矿16#煤层抽采影响半径与抽采时间、抽采有效半径与抽采时间关系进行拟合分析，进而得出凤凰山煤矿16#煤层在目前具备的抽采条件(孔口抽采负压>15 kPa)下，采用直径为75 mm的钻头打钻孔，抽采时间为80 d时，抽采有效半径为2.2 m，抽采影响半径为3.2 m。

[1] 吕贵春.可解吸瓦斯含量降低法在顺层钻孔瓦斯抽采半径考察中的应用[J].矿业安全与环保, 2012(2)

[2] 唐兵,司春风,孟贤正.钻孔瓦斯抽采半径的确定方法及实践[J].矿业安全与环保,2012(4)

[3] 刘华锋,陈辉.顺层钻孔瓦斯抽采半径确定及抽采效果考察研究[J].中国煤炭,2013(6)

(责任编辑 张艳华)

Investigation for gas drainage radius of No. 16 coal seam at Fenghuangshan Mine

Lin Haifeng1,2

(1. Shenyang Research Institute, China Coal Technology & Engineering Group, Shenyang, Liaoning 110016, China; 2. State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun, Liaoning 113122, China)

Determination of gas drainage radius was the fundamental basis of formulating gas outburst prevention measures, suitable choice of drainage radius could make the most of boreholes to improve gas drainage rate. This paper used relative gas pressure index to take in-situ test to measure drainage radius of No. 16 coal seam at Fenghuangshan Mine, the test results showed that effective drainage radius was 2.2 m and influenced radius was 3.2 m when drainage time was 80 days.

drainage radius, relative pressure index, drilling along level bed, limit drainage time

林海峰.凤凰山煤矿16#煤层瓦斯抽采半径考察[J].中国煤炭，2017，43(4)：137-139，144. Lin Haifeng. Investigation for gas drainage radius of No. 16 coal seam at Fenghuangshan Mine[J]. China Coal, 2017，43(4)：137-139，144.

TD712

A

林海峰(1986-)，男，辽宁阜新人，汉族，助理研究员，硕士，从事矿井瓦斯灾害防治技术研究工作。