平舒矿顺层预抽钻孔瓦斯抽采半径考察及主要影响因素分析

王亚洲 孙 锐

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆市沙坪坝区，400037； 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆市沙坪坝区，400037)

矿井开采条件日益复杂，瓦斯灾害成为制约矿井安全生产主要因素，预抽煤层瓦斯成为矿井治理瓦斯灾害普遍采用的措施。确定预抽钻孔合理抽采半径是保障煤层瓦斯抽采效果的关键，钻孔间距布置过大，虽节约了工程量，但煤层瓦斯抽采达标时间较长，影响矿井采掘接替紧张；钻孔间距布置过小，不但增加了钻孔工程量，而且容易导致串孔，使抽采效率低下。因此，本文根据平舒矿15#煤层实际情况，通过考察研究，确定合理的预抽钻孔抽采半径，指导矿井抽采工程科学实施。

1 工程背景

平舒矿隶属于阳泉煤业(集团)有限责任公司，15#煤层位于石炭系上统太原组下部，煤层厚度变化较大，厚1.35～7.15 m，平均厚度3.97 m，结构较复杂，不含或含1～4层夹矸，夹矸厚0.08～1.35 m。井田内煤层厚度由东往西逐渐变薄。15#煤层属全区稳定可采、但瓦斯较难抽采煤层。15111工作面开采15#煤层，工作面倾向长度200 m，走向长度约1200 m。

2 抽采半径考察研究

2.1 抽采半径试验钻孔设计及施工

试验选定在15111工作面进风巷14～16横贯(长度为98 m)开展15#煤层顺层钻孔瓦斯抽采半径考察工作，考察半径分别为0.75 m、1.25 m和1.5 m，即钻孔间距分别为1.5 m、2.5 m、3 m。每组考察钻孔按单排15个钻孔布置，封孔长度为8 m，钻孔直径为113 mm，试验钻孔竣工图见图1。

图1 15111工作面进风巷抽采半径考察试验钻孔成孔图

2.2 试验钻孔接抽及观测

试验钻孔施工完毕后立即封孔，采用“两堵一注”封孔工艺，封孔材料为专用注浆材料，封孔长度为8 m。把每组试验钻孔接入抽采系统进行抽采，并在每组钻孔中安装一套放水器、导流管附属装置。

流量监测装置安装完成后，技术人员每3 d测定1次抽采参数，包括抽采负压、压差、浓度。抽采半径考察期间试验钻孔抽采负压约为10.0～13.0 kPa，此次试验共监测80 d的抽采数据，共监测到25组考察数据。通过收集的监测数据对试验钻孔瓦斯抽采半径进行分析考察。

2.3 试验钻孔覆盖范围内瓦斯储量及达标抽采量

试验区域煤层原始瓦斯含量实测值为15.6 m3/t，根据每组试验钻孔有效覆盖面积计算该面积内的瓦斯储量。根据《防治煤与瓦斯突出规定》要求，煤层瓦斯经抽采后必须将瓦斯含量降至8 m3/t以下抽采工程方可达标。因此，瓦斯抽采达标需要抽采的瓦斯量为煤层瓦斯储量与煤层瓦斯抽采达标后残余瓦斯量之差。

根据3组试验钻孔实际施工参数可知，3 m试验钻孔有效覆盖面积为3810 m2，2.5 m试验钻孔有效覆盖面积为3485 m2，1.5 m试验钻孔有效覆盖面积为2262 m2。3组试验钻孔覆盖面积内瓦斯抽采达标需要抽采的瓦斯量Qdc按下式计算：

Qdc=(W0-Wy)×M0×γ×S

(1)

式中：Qdc——煤层瓦斯抽采达标需要完成的抽采量，m3；

W0——煤层原始瓦斯含量，实测试验区域工作面的原始瓦斯含量为15.6 m3/t；

Wy——抽采达标对应的煤层残余瓦斯含量，根据防突规定残余瓦斯含量取值为8 m3/t；

S——每组试验钻孔有效覆盖面积，m2；

M0——平均煤厚，工作面试验区域煤层厚度为4.2 m；

γ——煤体容重，取1.43 t/m3。

经计算，3 m、2.5 m和1.5 m试验钻孔有效覆盖面积内瓦斯抽采达标需要抽采的瓦斯量分别为173909 m3、159075 m3和103250 m3。

2.4 抽采半径考察分析

2.4.1各组不同间距试验钻孔单日瓦斯抽采量随抽采时间的变化规律

根据监测的试验钻孔瓦斯抽采参数，计算每组钻孔单日瓦斯平均抽采量qct，并结合钻孔平均抽采时间t形成测定数组(t，qct)。对监测的数组进行统计分析，得出每组钻孔单日瓦斯平均抽采量与抽采时间的关系。

各组试验钻孔抽采特征曲线如图2所示。

通过对上述曲线拟合，得出不同间距试验钻孔单日瓦斯抽采量与抽采时间的关系：

1.5 m组：qct=1942.6×e-0.018t

2.5 m组：qct=2055.3×e-0.012t

3 m组：qct=1892.5×e-0.010t

由图1可知，1.5 m、2.5 m组钻孔竣工长度基本接近钻孔设计长度，3 m组钻孔由于钻孔见岩等原因导致钻孔施工长度与设计长度存在差距。因此，1.5 m、2.5 m组钻孔初始单日瓦斯抽采量比3 m组钻孔的较大。

图2 不同间距试验钻孔单日瓦斯抽采量与抽采时间关系图

不同间距试验预抽钻孔具有不同的瓦斯流量衰减系数和初始瓦斯抽采量，试验结果表明：钻孔间距越大，瓦斯流量衰减系数就越小，表示衰减的越慢。反之，钻孔间距越小，瓦斯流量衰减系数就越大，表示衰减的越快。钻孔间距为1.5～3 m时，其衰减系数在0.01～0.018 d-1之间。

2.4.2各组不同间距试验钻孔瓦斯抽采量与抽采时间关系

对每组试验钻孔单日瓦斯抽采量在抽采时间上积分可以得到不同抽采时间内的抽采总量：

Qct=Qcj(1-e-βt)

(2)

式中：Qct——时间t内钻孔瓦斯抽采总量，m3；

Qcj——t→∞时钻孔极限瓦斯抽采量，m3。

经积分计算，得出各组试验钻孔瓦斯抽采量与抽采时间的关系如下：

1.5 m组：Qct=107922×(1-e-0.018t)

2.5 m组：Qct=171275×(1-e-0.012t)

3 m组：Qct=189250×(1-e-0.010t)

据此可分析得出：1.5 m组、2.5 m组和3 m组钻孔的极限瓦斯抽采量分别为107922 m3、171275 m3和189250 m3。预抽钻孔间距越大，其极限瓦斯抽采量越大。

2.4.3各组不同间距试验钻孔瓦斯抽采达标时间分析

(1)当试验预抽钻孔瓦斯抽采量Qct达到抽采达标需要预抽的瓦斯抽采量Qdc时，则钻孔有效覆盖面积内煤层瓦斯抽采达标，即Qct≥Qdc。

各组试验预抽钻孔抽采达标的条件为：

1.5 m组：Qct≥103250 m3

2.5 m组：Qct≥159075 m3

3 m组：Qct≥173909 m3

经计算，得出1.5 m组、2.5 m组和3 m组试验预抽钻孔有效覆盖面积内煤层瓦斯抽采达标所需要的抽采时间为175 d、221 d和252 d。

2.4.4 试验钻孔预抽效果检验

对预抽钻孔抽采参数进行统计分析，根据试验钻孔有效覆盖范围内瓦斯储量、瓦斯抽采量初步判定试验区域煤层瓦斯预抽达标后，需对瓦斯预抽效果进行检验。检验指标为煤层残余瓦斯含量，依据标准为《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》(GB/T23250-2009)。

在3组不同间距试验钻孔施工区域各均匀布置3个效果检验钻孔，效果检验钻孔位于相邻预抽钻孔中部，每个钻孔测定1组残余瓦斯含量。

3组试验区域煤层残余瓦斯含量测定结果为6.82～7.65 m3/t，小于效果检验指标临界值8 m3/t，验证了1.5 m、2.5 m、3 m组预抽钻孔分别预抽175 d、221 d、252 d后，消除了煤层煤与瓦斯突出危险性，预抽措施有效，满足了矿井防突要求。

2.4.5抽采钻孔的布置间距与抽采达标所需时间关系

为了更好地指导矿井实际生产工作，依据现有的考察数据确定瓦斯抽采达标时，抽采钻孔的布置间距与抽采达标所需时间之间的关系如图3所示。

图3 预抽钻孔间距与抽采达标时间的关系曲线

由各组试验钻孔抽采达标时间关系可以得出平舒煤矿相似煤层瓦斯地质单元内抽采钻孔间距与抽采达标时间的关系：

T=10.67r2+3.33r+146

(3)

式中：T——钻孔抽采达标所需时间，d；

r——预抽钻孔间距，m。

3 结论

3.1 考察结论

(1)根据3组试验钻孔实际施工参数得知，3 m、2.5 m和1.5 m试验钻孔有效覆盖面积分别为3810 m2、3485 m2和2262 m2。3 m、2.5 m和1.5 m试验钻孔有效覆盖面积内瓦斯抽采达标需要抽采的瓦斯量分别为173909 m3、159075 m3和103250 m3。

(2)得出不同间距试验钻孔单日瓦斯抽采量与抽采时间的关系。不同间距组试验预抽钻孔具有不同的瓦斯流量衰减系数和初始瓦斯抽采量，钻孔间距越大，瓦斯流量衰减系数就越小，表示衰减的越慢；反之，钻孔间距越小，瓦斯流量衰减系数就越大，表示衰减的越快。钻孔间距为1.5～3 m时，其衰减系数在0.01～0.018 d-1之间。

(3)得出1.5 m、2.5 m和3 m组试验预抽钻孔有效覆盖面积内煤层瓦斯抽采达标所需要的抽采时间分别为175 d、221 d和252 d。

抽采半径考察期间试验钻孔抽采负压约为10.0～13.0 kPa。为了保障煤层瓦斯预抽效果，平舒煤矿各抽采支管孔口负压应不低于13 kPa。

3.2 抽采半径主要影响因素分析

抽采半径合理确定由钻孔瓦斯抽采效果及煤层瓦斯储量两个方面共同决定，即主要取决于煤层厚度、瓦斯含量、接抽工艺、抽采负压等指标。其中，抽采负压及接抽工艺指标相对稳定，在各工作面变化不大；煤层厚度、瓦斯含量指标决定了煤层瓦斯储量，对瓦斯抽采效果产生一定的影响，因此，该抽采半径考察结论适用于平舒煤矿15#煤层赋存、瓦斯地质相似的区域，对于差异较大的煤层赋存、瓦斯地质单元区域应参考本次预抽钻孔抽采半径考察结论作相应的调整，更有针对性地指导矿井瓦斯抽采工程。