鹤煤十矿二1煤层瓦斯抽采半径确定方法

屈海军

(府谷县能源局，陕西 府谷 719400)

0 引言

抽采赋存在深部煤层中的瓦斯是解决煤与瓦斯突出的重要方法之一，瓦斯抽采半径对瓦斯抽采钻孔的布置工艺具有一定的指导意义。袁亮[1-3]通过研究低透性高瓦斯煤层群开采过程中覆岩移动及裂隙场演化及分布规律以及瓦斯运移规律，创立了卸压开采抽采瓦斯以及煤与瓦斯共采体系；刘清泉，程远平等[4]借助comsol模拟软件分析抽采钻孔附近瓦斯运移规律，得出相邻钻孔相互影响的内在规律；蔡峰等[5]借助数值模拟揭示深孔预裂爆破发生的过程，确定了低透煤层深孔预裂爆破的合理距离；赵俊峰[6]通过分析水力冲孔技术强化增透机理，揭示了水力冲孔技术参数与出煤量之间的内在联系；王兆丰等[7-8]通过理论分析与数值模拟与现场相结合的多种手段，提出新的瓦斯抽采半径的计算方法；刘三钧等[9]基于瓦斯压力和瓦斯含量的非线性关系，通过瓦斯压力与抽采时间的关系继而确定煤层瓦斯抽采半径与抽采时间的关系；余陶等[10]基于钻孔瓦斯流量的衰减规律，得出抽采钻孔有效抽采半径的计算公式，结合瓦斯压力变化综合确定钻孔有效抽采半径。

本文通过理论分析瓦斯抽采钻孔内部围岩的瓦斯流动特征，结合鹤煤十矿二1煤层的实际赋存形态，确定其穿层钻孔的理论抽采半径，结合现场实践综合对比确定其钻孔合理经济的布置方式，为瓦斯抽采提供科学依据。

1 地质及开采特征

鹤煤十矿井田处于太行山隆起带南段东侧，整体为一单斜构造，主采煤层为二叠系山西组二1煤层。采用立井单水平上、下山开拓，走向长壁综采工艺回采煤炭资源。鹤煤十矿被鉴定为煤与瓦斯突出矿井，矿井绝对瓦斯涌出量24.16 m3/min，相对瓦斯涌出量22.45 m3/t。煤尘爆炸性指数15.05%，瓦斯压力0.4～2.13 MPa，瓦斯含量8.36～12.4 m3/t。现试验的1310回采工作面位于13采区南翼，煤层平均厚度8.0 m，煤层倾角为26°。经测定，1310回采工作面底板抽采巷绝对瓦斯涌出量为0.51 m3/min，配风量为286 m3/min。采煤工作面顶板主要为砂质泥岩、细粒砂岩和泥岩，煤层底板主要为砂质泥岩和泥岩，岩层物理特征如图1所示。

图1 煤层顶底板物理特征

2 瓦斯抽采半径理论分析

在稳定煤层中布置瓦斯抽采孔来抽采瓦斯，在这个过程中，在瓦斯压力与钻孔内部负压的综合作用下，赋存在钻孔周围煤体中的瓦斯呈现出游离状态进入钻孔被抽采出去。钻孔孔壁的围岩由三向稳定受力状态改变为双向受力，钻孔孔径的影响范围内围岩呈现出卸压状态[11]。卸压范围内围岩受综合应力变化而裂隙发育，其透气性增强，同时围岩内部的瓦斯压力平衡状态遭到破坏，从围岩内部到瓦斯抽采钻孔之间存在着瓦斯压力梯度有利于瓦斯的抽采。因此以钻孔中线为轴心形成了类似圆形的抽放影响圈，其半径称之为抽放影响半径[12]。随着瓦斯抽放作用时间的延长，瓦斯抽放影响半径会逐渐加大，直到围岩瓦斯压力与孔底负压所提供的力小于处于深层的瓦斯运移到钻孔的阻力为止。

依据瓦斯平面流动理论，针对一个钻孔进行分析，钻孔瓦斯流量跟瓦斯抽采作用时间呈负指数方程关系，如公式(1)所示。单一钻孔瓦斯抽采量(Qc)是指钻孔抽采影响半径内煤层赋存的瓦斯总量(Q0)减去钻孔极限抽采半径范围内未能抽采出去的瓦斯量(Qw)，如式(3)、(4)所示。

qt=q0e-at

(1)

对公式(1)同时对t进行积分得出公式(2)如下所示

(2)

Q0=πr2lw0γ

(3)

(4)

联立公式(2)～(4)得出公式(5)，如下所示

(5)

式中：l—穿层瓦斯抽采钻孔中穿越煤层的钻孔长度，m；γ—煤层容重，t/m3；q0—瓦斯抽采钻孔中初始瓦斯流量，m3/min；α—瓦斯抽采钻孔中瓦斯流量的衰减系数；w0—煤层原始瓦斯含量，m3/t；r—穿层瓦斯抽采钻孔的抽采半径，m；x—钻孔极限抽采半径上面的任一点，x∈[0，r]。

根据瓦斯平面流动理论及《防治煤与瓦斯突出规定》，建议瓦斯压力临界值以0.74 MPa，瓦斯含量临界值8 m3/t为标准。将l=6 m，γ=1.51 t/m3，α=0.091 7 d-1，w0=12.3 m3/t代入公式(5)，计算出所试验钻孔的抽采半径为2.85 m。

3 现场实测瓦斯抽采半径

在瓦斯抽采钻孔抽放半径内，随着距离钻孔中心距离的增大围岩的瓦斯压力会不断降低。若以瓦斯抽采钻孔为中心，在其不同距离布置测定钻孔瓦斯自然涌出量的钻孔，则钻孔内的瓦斯涌出量的衰减速度大于普通情况下的衰减速度，则此钻孔与瓦斯抽采钻孔之间的距离即为与此段抽放时间对应的有效抽采半径。基于此理论，本次瓦斯抽采半径试验地点确定在鹤煤十矿1307工作面下底板抽采巷处，距离瓦斯抽采钻孔间距1.0 m布置瓦斯压力监测钻孔，如图2所示。试验所采用的瓦斯抽采半径钻孔的具体参数见表1。

图2 瓦斯抽采半径测试平面布置

孔号钻孔直径/mm方位角/(°)倾角/(°)封孔长度/m岩石段/m煤层段/m全长/mR075315409.030636R150315409.030.2636.2R250315408.630.16.136.1R350315408.9306.036R450315409.129.65.935.5L150315409.131.2637.2L250315408.930.3636.3L350315408.929.75.935.7L45031540929.86.135.9

按照设计要求在指定的测试区域施工所需的瓦斯抽采钻孔，并按照要求进行封孔，测定钻孔瓦斯压力。瓦斯抽采开始后，继续观测各监测钻孔瓦斯压力的变化值，经30天的瓦斯抽采，R1钻孔的瓦斯压力在抽采初期的10天内由0.91 MPa降至0.52 MPa，降幅达到42.8%。L1钻孔的瓦斯压力在抽采初期的10天内由0.88 MPa降至0.55 MPa，降幅达到37.5%，在后续的监测过程中变化程度较小。R3和L3钻孔瓦斯压力分别降低至0.61 MPa和0.60 MPa，R4钻孔的瓦斯压力由0.9 MPa降低至0.85 MPa，降幅不明显，L4钻孔的瓦斯压力变化不明显。据此认为二1煤层的瓦斯抽采半径为2.9～3.1 m。基于现场实测的瓦斯钻孔抽采半径与理论计算的瓦斯钻孔的抽采半径的计算值，且结合该矿以往的瓦斯抽采半径经验值综合确定鹤煤十矿二1煤层的瓦斯抽采孔半径为2.75 m。

4 结论

(1)依据瓦斯平面流动理论分析瓦斯抽采机理，并推导出抽采钻孔半径计算公式，得出鹤煤十矿二1煤层的瓦斯抽采孔半径的理论值，为后续的现场实测提供对比依据。

(2)通过现场实测，确定瓦斯抽采半径介于2.9～3.1 m。结合以往的抽采半径综合确定鹤煤十矿二1煤层的瓦斯抽采孔半径基本为2.75 m，为后续合理布置的瓦斯抽采钻孔提供技术保障。