王坪矿顺层瓦斯钻孔有效抽采半径的确定

王腾飞

（大同煤矿集团朔州煤电有限责任公司王坪煤矿，山西 怀仁 038300）

1 矿井概况

王坪矿生产能力为260万t/a，矿井采用中央并列式通风。8308工作面位于王坪井田北部，该工作面西部为303盘区皮带巷、回风巷和轨道巷，北部为小峪煤矿417大巷，南部、东部均为实体煤。工作面走向长度为1225m，倾向长度为196m，煤层属不易自燃煤层，煤尘无爆炸危险性。水文地质类型为中等，3号煤层开采时，采煤方法为综合机械化一次采全高。初始煤层渗透率为1.125×10-3，初始基质孔隙率为6%，为低透气性煤层。为了达到预抽瓦斯的效果，8308工作面回风顺槽布置有若干顺层钻孔，如图1所示。

图1 8308工作面瓦斯治理示意图

2 钻孔有效抽采半径测定原理

基于瓦斯流动理论和煤层中的瓦斯流动状态产生了很多测定瓦斯抽采影响半径的方法，如压力变化、瓦斯含量变化、敏感气体检测等。根据王坪矿的煤层地质以及现场条件拟采用相对压力法测定抽采钻孔的有效影响半径。根据瓦斯压力与含量的关系式，确定钻孔瓦斯抽采影响半径的指标为瓦斯压力下降10%，确定抽采有效半径的指标为瓦斯压力下降51%。

单个顺层钻孔抽采瓦斯的原理如图2所示，钻孔垂直于煤壁打进一定距离，在抽采负压和煤层瓦斯压力的作用下，钻孔内外形成压力差，煤层瓦斯从吸附状态转变为游离态，沿着煤层裂隙流向顺层钻孔。随着抽采时间的增加，钻孔抽采的辐射范围逐步扩展，最终形成一个以钻孔中线为轴心的类似圆形的抽采圈，当周围煤层瓦斯压力变为原来的49%时，此时钻孔所达到的抽采范围半径即为抽采有效半径。

图2 抽采有效半径示意图

3 现场测试方案

现场测试过程中考虑到钻孔的成孔效果，将钻孔尽量布置到受采动影响较小、地质构造简单、煤质改变小的区域，同时测试周期长约60d，为了保证测试结果的准确性，将测试地点选择在8308工作面回风顺槽距离开切眼800m处。钻孔布置如图3所示，在回风巷上帮布置4个测试孔和1个抽采孔，孔径均为75mm，钻孔测试精度达0.5m，且均平行布置并垂直巷道。各布置钻孔参数见表1。

图3 钻孔布置图

表1 钻孔参数表

4 施工步骤

（1）在8308工作面回风顺槽按照钻孔布置图首先施工1-1～1-4测压钻孔，使用水辅助排渣，直至钻孔施工完成。

（2）在4个测压钻孔施工完成后，将钻孔清理完毕，立即接入测压表，采用“两堵一注”工艺对顺层钻孔进行封孔，封孔材料选择水泥砂浆。压力孔为1/2''管，抽采孔采用直径50mm管封孔，各孔封孔深度均为30m以上，以确保封孔效果的气密性。待凝固后上压力表开始测压，并记录钻孔压力变化情况。

（3）待各测压孔相对压力稳定后开始施工抽采孔，抽采钻孔施工完成后与抽采管路连接进行抽采，抽采孔负压控制到36kPa，并定期观测各个测压孔压力变化状态且做好详细记录。

（4）每隔3d观测抽采前后测压钻孔瓦斯压力的变化，测定并绘制出测压钻孔的瓦斯压力变化曲线。

（5）连续观测不少于30d，记录测压孔瓦斯压力值和抽采孔瓦斯浓度。

5 结果及分析

5.1 钻孔压力分析

在为期30d的观测中，每隔三天记录一次U型压差计结果，并将数据统计结果整理记录，见表2。

8308工作面回风顺槽四个测压孔U型压差计数据随时间的变化规律如图4所示。

图4 瓦斯压力随时间变化曲线图

从图4可以看出，3号煤层测点处四个钻孔压力都有一定程度的变化。

1-1#钻孔初期变化最为明显，测压孔从第二天开始迅速下降，降幅为初始压差的61%，随后下降较为平稳。当抽采到第8d时，1-1#测压孔又呈直线下降趋势，下降幅度接近初次下降程度，降幅为57%。当在36kPa负压抽采作用下，抽采16d时首先降为0，说明1m的环形区域内瓦斯已经充分抽采，1m区域在钻孔抽采有效影响范围内。

表2 3号煤层测点U型压差计数据记录（mmH2O）

1-2#测压孔前期瓦斯压降也较大，但相对于1-1#测压孔其变化较缓，跨度次于1-1#测压孔，前期瓦斯压力降幅达50%左右。在抽采至第20d开始出现负压，说明该区域也在有效半径的影响范围内。

1-3#测压孔明显没有1-1#、1-2#测压孔迅速，到后期基本平稳下降，并保持一直下降的趋势。当抽采至第30d时，测压孔压力接近负压状态，根据线性分析预计在第33d左右可以达到负压值，说明2m区域在有效影响半径范围之内，但已经靠近最大有效影响值。

1-4#测压孔在整个抽采过程中瓦斯压力呈现缓慢平稳的下降趋势，在个别抽采阶段有压力上升的点，表现为下降无规律特点，其压力下降幅度次于1-3#侧压孔。抽采至第30d时仍未达到负压值，根据线性分析，压力在36d左右出现负压，说明2.5m已经处于有效影响半径区域边缘处，抽采有效半径介于2～2.5m范围内。从1-4#测压孔衰减趋势看，半径影响值更接近于2m。

5.2 钻孔相对压力与瓦斯浓度的拟合分析

瓦斯抽采有效半径内的测压孔压力变化应与抽采孔瓦斯浓度变化呈现出相关性，可以对其进行相关性分析，得到其相关系数以及显著性水平。因此，对U型压差计观测得到的测压孔压力数据与抽采孔瓦斯浓度数据进行相关性分析，只要其具有统计学意义，则认为该测压孔位于瓦斯抽采有效半径范围内。通过对4个测压孔的数据处理分析，结果如图5所示。

图5 瓦斯压力与瓦斯浓度拟合相关性图

将数据利用OriginPro软件进行拟合相关性分析，并将分析结果列入表3。

表3 瓦斯压力与浓度相关性分析

由分析结果得出，相关性系数1-1#（1m）＞1-2#（1.5m）＞1-3#（2m）＞1-4#（2.5m），显著性水平具有相同规律，可以得出瓦斯浓度与瓦斯压力具有一定的相关性，可以认为8308工作面的瓦斯抽采有效半径R值为2.0m＜R＜2.5m。

6 结论

（1）本次采用相对压力法来确认8308工作面煤层顺层钻孔的有效抽采半径，现场试验数据证实，瓦斯抽采有效半径R略微大于2.0m，远小于2.5m，建议在进行钻孔瓦斯抽采时两孔间距不大于4m。

（2）通过现场实测可以看出钻孔抽采有效影响半径随着抽采时间的增加而有所增加，但达到一定的时间之后继续延长抽采时间，钻孔抽采有效影响半径不会增加，继续延长抽采时间对瓦斯抽采效果没有意义。

（3）瓦斯浓度与瓦斯压力具有一定的正相关性，通过观察测压瓦斯压力随时间的变化规律，可以充分指导瓦斯抽采有效半径的确定。