瓦斯储量法确定瓦斯抽采半径方法研究

范存恒

（潞安集团古城煤矿建设管理处， 山西 长治 046100）

随着煤矿的井下开拓，瓦斯灾害的威胁日趋严重，为解决矿井采区回采期间的瓦斯问题，保障煤炭安全、高效生产，需要大力推动瓦斯抽采工作。井下瓦斯抽采工作受到多种因素影响，与瓦斯抽采半径、煤层瓦斯基础参数密切相关。合理的矿井抽采半径和准确的煤层瓦斯赋存情况，是瓦斯抽采工艺技术选择的基础，能够为瓦斯抽采系统的准确、安全、高效运转和矿井“抽掘采”平衡提供保障。

1 瓦斯储量法

目前瓦斯抽采半径的测试方法众多，不同方法的有缺点各不相同，适用于不同条件的矿井。近年来提出的瓦斯抽采流量法，忽略了不同抽采间距条件下瓦斯抽采流量衰减规律的差异性，仅用某一特定间距下抽采钻孔流量与时间的关系来推算不同的抽采半径，与实际抽采条件相比具有一定的误差。由于煤层透气性系数较差，并且测压过程中容易受到水压和煤壁裂隙影响，因此也需要对测量方法进行改进。

一般情况下，煤层的透气性及钻孔瓦斯补给量是有限的，煤层的瓦斯流动性质是非稳定流动，即随着流动时间的增长，钻孔的瓦斯涌出强度、瓦斯流量会衰减，根据煤层瓦斯流动理论，抽采钻孔的瓦斯涌出强度随时间变化如公式（1）。

式中：q为t时刻的钻孔瓦斯涌出强度，m3/(min·m2）；α 为钻孔瓦斯流量衰减系数，d-1；t为钻孔内瓦斯流动时间，min。

t时刻钻孔瓦斯涌出量为：

式中qt为t时刻的钻孔瓦斯涌出量，m3/（min·m2）；L为钻孔长度，m。

对上式积分，并令β=2πrLq0，则可以得到t时间内抽采钻孔的抽采总量：

式中：Q为在t时间内，钻孔瓦斯抽采总量，m3；

因此，在煤层瓦斯含量测定基础上，根据抽采目的，测定出钻孔瓦斯抽采能力，通过三者之间的关系计算分析，就可确定出钻孔的抽采半径。通过对不同间距抽采钻孔的抽采数据进行拟合，可以求出对应不同抽采半径钻孔在某一时间段内的全部抽采瓦斯量。一般情况下，在特定的区域，钻孔直径、抽采负压、钻孔长度等确定后，煤层厚度、透气性系数可认为是一定值，因此钻孔抽采瓦斯的能力与抽采时间呈负指数，从而根据钻孔抽采能力与抽采半径的关系就可分析得出钻孔不同抽采时间所对应的抽采半径。

2 储量法确定抽采半径的测定过程

测定位置在工作面回风顺槽500～600 m 范围内，施工2 种6 组抽采试验钻孔，即抽采流量监测钻孔和抽采边界条件钻孔各3 组，抽采流量监测钻孔用于直接测试煤层瓦斯抽采半径，而抽采边界条件钻孔用于保证每组抽采流量监测钻孔中的各钻孔均具有相同的边界条件。经过计算，抽采区域内不同抽采钻孔间距（3 m、2 m、1.5 m）对应的抽采钻孔布置数量分别为54 个、80 个及107 个。位置示意图如下页图1 所示。

施工好的抽采钻孔需要及时连入抽采支管中，抽采孔口管路部分包括从支管下来，至钻孔口的连接管路及其附属设备，每组试验钻孔连接在一个多孔器上，再由汇流管接到放水器和孔板流量计（抽采边界条件钻孔不需要安装孔板流量计），之后联到支管上（见图2）。

图1 测点钻孔的布置示意图

图2 抽采孔连接示意图

根据钻孔布置方案本次共施工试验钻孔39 个，在施工2 m 间距和1.5 m 间距试验钻孔期间，由于钻孔之间距离较近加上煤层软硬分布不均，串孔现象十分严重，特别是1.5 m 间距的抽采钻孔几乎80%都出现了不同程度的串孔现象，对钻孔抽采效果具有一定影响。

3 测定结果与数据分析

3.1 测定数据分析

经过初步测定，该区煤层可解析瓦斯含量为7.078 m3/t，根据《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》及《煤矿瓦斯抽采规范》确定该回采工作面目标瓦预抽率应为43.5%。

对各个测试孔进行观测，统计数据并进行衰减规律的分析。分析结果如表1 所示，拟合结果如图3所示。

表1 测试结果的分析

图3 抽采钻孔单孔日抽采瓦斯纯量统计图

从图3 中可以看出，在相同抽采负压和时间下，不同间距钻孔的单孔日抽采纯量存在较大差异，其中3 m间距抽采钻孔明显高于2 m 间距抽采钻孔和1.5 m间距抽采钻孔，而2m 间距抽采钻孔又明显高于1.5 m间距抽采钻孔。

但是，在钻孔施工过程中，2 m 间距钻孔（S6～S12 钻孔）和1.5 m 间距钻孔（S13～S21 钻孔）中存在串孔现象，这属于施工工艺的影响。因此，主要分析3 m 钻孔。

时间的计算公式如下式4 所示：

式中：Qz为抽采区域需抽采瓦斯总量，m3；N为抽采区域内布置钻孔数量，个；t为按某一抽采间距下抽采达标时的累积抽采时间，d；α、β 为表明钻孔流量衰减情况的系数。

对式4 进行求解，得到3 m 间距抽采钻孔达到抽采达标时的时间为430 d，即抽采半径为1.5 m时，对应的抽采时间为430 d，抽采率达到43.49%。

当采用1.5 m 抽采半径时，抽采达标时间为430 d时间较长，如果采用直接监测瓦斯抽采量的方法来验证抽采半径可靠性的话，将会耗费大量的人力、物力和时间，效率过低。

因此，利用实测单孔累积抽采量与公式积分计算抽采量相比较的方法来间接验证抽采半径的可靠性。

3.2 数据验证

通过统计可知，抽采120 d 时抽采钻孔单孔的累积抽采瓦斯量为8 627.11 m3，此时抽采区域的抽采率为29.03%，在监测过程中受安全检查、巷道施工等因素影响漏测了8 d 的数据。

通过式4 计算抽采120 d 时的单孔累计抽采瓦斯量如下：

由于现场监测过程中漏测了8 d 的数据，也需要扣除相应的单日抽采量，经计算扣除后的单孔累积抽采瓦斯量为8 312.63 m3，此时抽采区域的抽采率为27.97%。经过对比，利用监测数据统计的120 d钻孔累计抽采瓦斯量、抽采率与计算的瓦斯抽采量、抽采率基本相同，验证间接说明抽采半径的准确性。

4 结语

对传统的瓦斯抽采半径确定方法存在的不足进行了改进方法的研究和试验性测定。根据测定结果可以看出，该方法具有较好的适应性，测定结果比较可靠。结果显示，在3 m 间距（即抽采半径1.5 m）时，抽采时间太长，效率太低。因此，为提高抽采效率，减少抽采时间，需要对钻孔施工设备、技术及工艺进行优化研究，提高钻孔钻进精度，减少小间距钻孔施工中的串孔、孔间扰动等现象。从而实现通过减小抽采钻孔间距，增加抽采钻孔数量，提高抽采效率，减少抽采达标时间的目的。