基于瓦斯压力分布规律的有效抽采半径考察研究

王 亮

(山西晋煤集团泽州天安海天煤业有限公司， 山西 晋城市 048000)

0 引 言

瓦斯问题一直困扰着我国煤矿的安全高效回采，经过多年的发展，瓦斯抽采技术取得长足进步，在煤矿瓦斯治理工作中得到广泛应用。瓦斯抽采效果的好坏与抽采参数的选择紧密联系，而瓦斯抽采设计的关键是瓦斯抽采钻孔间距的确定，钻孔间距的确定与钻孔有效抽采半径密切相关[1-2]，由此可见，抽采半径是瓦斯抽采设计中的一项重要参数。若钻孔间距过大，可能出现抽采空白带，间距过小，则工程量增加，势必造成人力、物力、财力上的浪费[3]。

国内外学者对合理的瓦斯抽采有效半径进行了深入的研究，目前主要有2种方法，即实测法和理论计算法[4-7]。实测法测试周期相对较长，理论计算不太准确，也有学者采用数学模拟软件对不同抽采条件下的有效抽采半径进行了模拟研究[8]，以节省测定的时间，但是可靠性仍有待考量。因此，确定海天煤业3#煤层的抽采半径具有重要的意义，用较小的投入获得较好的抽采效果。

1 瓦斯抽采测试与影响因素

钻孔瓦斯抽采半径按其影响范围的大小程度分为抽采影响半径和有效抽采半径[9]，如图1所示。

图1 钻孔抽采半径

(1) 抽采影响半径：是指在一定的时间内，煤层原始瓦斯压力(P)或瓦斯含量(W)受到影响后逐渐降低时，测试点和钻孔中心间的距离。

(2) 有效抽采半径，指在一定的时间内煤层原始瓦斯压力(P)、瓦斯含量(W)降低至安全阈值以内时，测试点和钻孔中心间的距离。

1.1 瓦斯压力降低法测试原理

(1) 钻孔布置。测试孔和抽采孔相对位置布置见图2。

图2 测试钻孔布置

(2) 钻孔施工结束后立即封孔，避免漏气。

(3) 测定1#、2#，…，n#孔的原始煤层瓦斯压力，直至各钻孔瓦斯压力稳定。

(4) 瓦斯压力稳定后，施工抽采孔，并对抽采孔进行联网抽采，连续观测1#、2#，…，n#孔瓦斯压力，生成各钻孔瓦斯压力变化曲线。

(5) 如果在规定时间内i#钻孔测定的瓦斯压力降低到指定指标，表明该测试孔处于抽采有效半径范围内，测试孔距抽采钻孔的最远距离d1+d2+…+di，即为抽放钻孔的有效半径。综上所述，确定钻孔有效抽采半径的指标为：瓦斯压力降至0.74 MPa以下或比较煤层原始瓦斯压力下降51%以上。

1.2 瓦斯抽采半径的影响因素分析

影响瓦斯抽采半径因素较多，主要有钻孔半径、封孔技术、抽采时间等参数。

(1) 钻孔孔径。在抽采时间相同的条件下，有效抽采半径随着抽采钻孔直径的增加而增加，主要是因为钻孔施工扰动了钻孔周围煤体，使应力重新分布，并在钻孔周围形成塑性区，而塑性区的大小随着钻孔直径的增大而增大。因此，考察孔与抽采孔的孔径不宜过大和过小，尤其是在含水的泥岩中施工钻孔容易塌孔，而且孔径愈大施工愈难，孔径愈小愈不利于瓦斯抽采，因此要选择合理的孔径。

(2) 封孔技术。封孔质量的高低直接关系着瓦斯压力能否准确测定，因此必须严封孔，现有封孔技术逐渐成熟，水泥砂浆封孔法、“两堵一注”囊袋式注浆封孔方法等广泛使用，本次测定压力采用囊袋式注浆封孔方法。

(3) 抽采负压与时间。从理论上而言，抽采负压越大，抽采影响的范围也就越大，但是随着负压的提高，容易通过裂隙将巷道空气抽到抽采管路中，故抽采负压不是越大越好。随着抽采时间的增加，抽采影响范围也相应增加，测定时间要选择合理，为抽采时间提供依据。

2 现场试验布置方案

通过现场调研分析，根据天安海天煤业有限公司的实际生产情况，确定在3621上分层运输顺槽距切眼100～160 m处施工顺层钻孔进行测试研究。

2.1 钻孔施工设计及观测要求

首先施工直径94 mm的垂直于煤壁的测压孔，成孔后采用“两堵一注”的封孔方式进行封孔，压力测定采用4分无缝钢管，每个钻孔的封孔长度为45 m，待测出相对瓦斯压力后，施工抽采钻孔，测压孔与抽采孔的孔口及孔底间距在空间内不能交叉，必须保持平行。钻孔参数见表1，钻孔布置见图3。

表1 3621上分层运输顺槽钻孔参数

待所有钻孔施工完毕后，测定每个测压孔的压力，每天观测一次压力变化情况，直至压力值稳定后施工抽采孔，并与抽采系统连接对抽采孔进行抽采，同时测定每个压力孔的压力变化，做好数据记录。测试时间不少于80 d，每天测试次数不低于1次，抽放期间要保证抽放负压基本维持稳定。

图3 钻孔布置

2.2 钻孔瓦斯压力下降法观测数据统计

钻孔瓦斯压力下降法抽采半径考察孔于2018年2月1#开始施工，1#～6#测压钻孔在封孔完成，观测10 d以后，待测压孔瓦斯压力稳定，施工抽采孔并与预抽管路连接进行瓦斯抽采，孔口负压保持在15 kPa左右，同时对6个测压钻孔的压力变化进行记录，共收集6组数据并绘制压力变化曲线，6个钻孔瓦斯压力曲线如图4～图9所示，压力下降幅度统计如表2所示。

图4 1#钻孔瓦斯压力曲线

图5 2#钻孔瓦斯压力曲线

图6 3#钻孔瓦斯压力曲线

图7 4#钻孔瓦斯压力曲线

图8 5#钻孔瓦斯压力曲线

图9 6#钻孔瓦斯压力曲线

2.3 抽采半径考察

对天安海天煤业有限公司3621上分层运输顺槽各个测压钻孔压力值数据进行统计，分别对测压钻孔抽采40， 60， 80 d的数据进行分析，统计数据分析(见表2)。

当抽采时间为80 d时，根据瓦斯抽采影响半径和有效半径的确定指标，当抽采半径为1～3 m时，1#～3#钻孔瓦斯压力下降均在51%以上，平均达到71%，满足《煤矿安全规程》、《煤矿瓦斯抽采基本指标》等要求煤层瓦斯预抽率一般大于30%的要求，均处于瓦斯抽采半径以内。

当抽采半径为4 m时，4#钻孔瓦斯压力最终下降幅度为35%，超过19%，从瓦斯压力下降的情况来看，满足瓦斯抽采影响半径的确定指标，处于瓦斯抽采影响半径范围以内，但是不满足《煤矿安全规程》、《煤矿瓦斯抽采基本指标》的抽采达标要求，不能作为抽采设计中钻孔布置的依据。

5#和6#钻孔瓦斯压力下降幅度均小于19%，处于瓦斯抽放半径影响范围以外。

综上所述，本矿瓦斯抽采有效半径应为3 m。

3 结论及建议

(1) 预抽钻孔的瓦斯抽采半径受多因素控制，在不同因素的组合下确定的钻孔瓦斯抽采半径也是不同的，所以在考察抽采半径的过程中需要确定这些因素对抽采效果的影响。

(2) 根据钻孔瓦斯压力下降法指标和相关规定，得出本矿瓦斯抽采有效半径为3 m。

(3) 由于钻孔瓦斯抽采半径的考察影响因素较多，在不同的地质区域、不同的煤质条件和不同的钻孔参数的条件下，需要重新考察瓦斯抽采半径。建议矿井在上述条件发生变化的时候，重新考察钻孔瓦斯抽采半径，从而保证矿井的安全生产。

表2 测压钻孔瓦斯压力统计分析