薄煤层区域瓦斯压力及抽采参数分析研究应用

陈京+王灿华+陈忠明+李国玉

摘 要：为解决薄煤层区域瓦斯治理抽采难题，以龙门峡南煤矿为研究对象，通过对K1煤层瓦斯参数和瓦斯抽采半径的考察、分析、研究、建立数据模型，科学的确定了穿层钻孔和顺层钻孔的以抽采时间布置钻孔方式及抽采半径，为优化钻孔布置、确定矿井瓦斯治理方案、措施提供数据支撑，为实现“瓦斯抽采达标”提供了可靠的科学依据，为瓦斯治理赢得了时间、空间和降低治灾成本。

关键词：瓦斯压力；抽采半径；数据模型

中图分类号：TD712 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）01-0143-02

合理考察有效的瓦斯抽放钻孔半径，对掌握瓦斯抽采参数考察、分析、研究、建立数据模型，能科学的确定穿层钻孔和顺层钻孔的以抽采时间布置钻孔方式及抽采半径，既不造成工程浪费，又能有效防止煤与瓦斯突出事故，一直是煤矿瓦斯抽采技术难题之一，通过该项目研究达到既不造成工程浪费，又能有效防止煤与瓦斯突出的目的，取得明显的经济效益和安全效益，具有十分重要的现实意义。

1 研究总体思路

（1）在龙门峡南矿+310m北西翼底板抽采巷、+400m南西翼底板抽采巷、+478m南西翼底板抽采巷、3111机巷分别选取1～2个钻场施工穿层和顺层钻孔测定不同标高的煤层瓦斯压力，在施工测压钻孔的同时，采取煤样，然后送实验室化验、分析，得出煤层的瓦斯放散初速度、ab常数、煤的孔隙率、密度等相关参数，最后通过瓦斯压力和相关参数计算出煤层瓦斯含量，在连抽期间对每个测压孔的瓦斯压力衰减情况进行3个月的连续观测。

（2）通过收集邻近矿井瓦斯抽采钻孔的布置方式，结合本矿原来的瓦斯治理方案、钻孔布置，根据研究得出的结论。

2 技术方案

2.1 总体技术方案

测定基础瓦斯参数→测定煤层原始瓦斯压力→瓦斯压力观测→测定钻孔瓦斯涌出量及其衰减系数→煤样的实验室测定→测定抽采有效半径→开发瓦斯抽采模拟软件→收集邻近矿井瓦斯抽采钻孔布置相关资料→优化瓦斯治理方案及瓦斯抽采钻孔布置。

2.2 相关参数钻孔施工设计及标准

（1）数据的测定采用相对压力法测定，钻孔布置如下：在煤巷沿煤壁中部打6个相互平行的测量钻孔，孔径87mm，孔深40m，并用水泥砂浆封孔，封孔长度30m，封孔管为4分镀锌管，施工钻孔过程中记录开孔时间、终孔时间、开始封孔时间和封孔完成时间。

（2）顺层测压孔应设在煤体完整、节理不发育、预抽影响小、开孔点及周围50m的范围不受采掘活动影响的地点。

（3）在底板瓦斯抽采巷向K1煤层打抽采孔，抽采孔两侧各布置3个观测孔，终孔位置间距均衡布置。

（4）测定装置。本次测定中使用专业气表作为钻孔流量测量仪器。煤气表的量程根据预计的单孔瓦斯流量确定，本煤层预抽钻孔使用J2.5型煤气表，其最大允许的瓦斯流量为66L/min，最小流量一般在1L/min以下。

（5）测定步骤。记录抽采初始的瓦斯流量、负压、浓度情况，然后每2天对该孔进行测量，期间每天派人对抽采负压进行调校，确保其工作负压为恒定值，保持在35KPa，每天调校次数不少于6次。

3 现场实施步骤

3.1 瓦斯压力测定

通过对+310m北西翼底板抽采巷钻场实地考察，在底板抽采巷22#钻场6个钻孔的瓦斯压力观测。

3.2 穿层钻孔抽采半径考察

在+310m北西翼底板瓦斯抽采巷22#钻场的测压钻孔进行穿层瓦斯抽采半径考察。通过对+310m北西翼底板抽采巷22#钻场6个钻孔的瓦斯压力观测，所有钻孔的瓦斯压力均已出现下降趋势，立即在3#钻孔与4#钻孔之间距3#钻孔1.0m、距4#钻孔0.5m处施工了1个抽采孔，并将抽采钻孔与安装在+310m北西翼底板瓦斯抽采巷抽采管连接，安排专人对抽采期间压力的变化连续3个月观测。通过对观测到的数据进行分析、计算，最后得穿层钻孔在不同抽采时间内的瓦斯抽采半径；利用matlab软件对6个测压孔的绝对瓦斯压力随时间变化的关系进行拟合，并得出拟合函数。各个曲线拟合公式如表1所示。

3.3 顺层钻孔瓦斯抽采半径考察

2015年5月，在3111机巷里程400m处施工了3个平行的顺层瓦斯抽采钻孔，角度为真倾斜，深度80m，封孔深度10m，并与矿井瓦斯抽采系统的主管道连通，安排专人进行测流。7月又在3111机巷里程800m处施工了3个顺层抽采钻孔，并封孔、连抽和测流。在钻孔连抽1个月后，陆续在每个抽采钻孔右侧施工5个测试钻孔，1#抽采孔与第1个测试钻孔的间距0.5m，其余测试孔之间的间距为0.5m；2#～6#抽采钻孔与第1个测试孔之间的间距1.0m，测试孔之间的间距0.5m。施工测试孔时，分别在不同的深度取芯，测定煤层的残余瓦斯含量，然后对测得的数据进行分析，分别按残余瓦斯含量和瓦斯抽采率30%绘制出瓦斯抽采时间与抽采半径的关系曲线，最后得出抽采不同时间内顺层钻孔瓦斯抽采半径。

3.4 煤层透气性测试

钻孔流量衰减系数，是衡量煤层预抽瓦斯难易程度的一种指标，它反映不受采动影响条件下，煤层内钻孔瓦斯流量随时间呈衰减变化的特性。现场测定的钻孔瓦斯流量数据上表煤层钻孔瓦斯流量数据绘制瓦斯流量衰减曲线，抽采瓦斯纯量随时间的增加而逐渐变小。对瓦斯流量数据进行拟合，得出钻孔衰减系数。

由表2可知，K1煤层瓦斯抽采钻孔流量衰减系数为0.01818 ～0.05107d-1，平均为0.03336d-1。

4 实施效果

4.1 瓦斯压力测定

在+310m北西翼底板瓦斯抽采巷22#钻场的6个测压钻孔的压力表值稳定并开始下降时，在3#、4#钻孔之间按设计施工了1个φ87mm的瓦斯抽采钻孔，然后进行封孔、连抽，观察连抽后测压钻孔的瓦斯压力变化情况，最后根据抽采负压、煤层瓦斯压力变化、抽采时间等参数进行分析、研究、建立數据模型，从而得出了穿层钻孔在不同抽采时间段间隔内的抽采半径。

4.2 顺层钻孔瓦斯抽采半径考察与研究

在3111机巷施工了2组钻孔进行顺层抽采半径考察与研究，通过钻孔施工、封孔、连抽和抽采负压、流量等数据观测，进行分析、研究、建立数据模型，得出了不同抽采时间内的顺层钻孔瓦斯抽采有效半径。

4.3 瓦斯抽采效果模拟及软件开发

本次研究建立了以原始瓦斯含量、煤层吸附常数、煤层透气系数、抽采钻孔间距、抽采负压、抽采时间为基础参数的瓦斯抽采预测模型，今后，可利用已测得的瓦斯抽采有效半径、钻孔瓦斯流量等数据对现场的瓦斯抽采参数进行验证和改进。

4.4 邻近矿井瓦斯抽采相关数据收集

广安煤矿属高瓦斯矿井，在地面建有1套固定瓦斯抽采系统，主要用于抽采K1煤层瓦斯；龙滩煤电公司属煤与瓦斯突出矿井，该矿地面建有1套固定瓦斯抽采系统，且井下也建有1个瓦斯抽采泵站，其瓦斯抽采以顺层抽采为主，煤巷掘进前，在煤巷碛头施工13～15个长度不小于60m的顺层抽采钻孔，钻孔的终孔间距为2×2m。

5 结语

（1）经现场实测得出薄煤层瓦斯绝对压力为1.32～1.53MPa时，应取最大值1.53MPa作为治灾依据；同时，得出薄煤层瓦斯抽放钻孔流量衰减系数为0.01818～0.05107d-1，平均为0.03336d-1，薄煤层透气性系数为0.521m2/MPa2·d。

（2）经现场工业性得出穿层钻孔抽采薄煤层瓦斯时，有效抽放半径（x）与抽放天数（y）函数关系为y=9.886e^（1.0382x），该函数关系可计算出17天、28天、47天、80天、134天、225天的有效抽放半径分别达0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m；薄煤层顺层钻孔瓦斯含量降到6.9m3/t（对应压力0.74MPa）以下作为抽采指标，得到抽采60天、65天、80天的有效抽采半径依次为1.31m、1.22m、1.55m，抽采86天、108天、110天的有效抽放半径依次为2.38m、2.95m、3m。

（3）以抽采率30%作为抽放半径考察指标，得到薄煤层抽放60天、65天、80天的有效抽放半径依次为0.95m、1.23m、1.5m，抽采86天、108天、110天的有效抽放半径依次为1.85m，2.4m，2.5m。endprint