瓦斯抽采影响半径分组考察研究

陈 戈，陈立伟

（河南理工大学安全科学与工程学院 ，河南 焦作 454000）

0 引言

瓦斯抽采是瓦斯治理的根本性措施，可有效降低煤层中的瓦斯含量和压力，从而控制或减少瓦斯事故发生的可能性。抽采有效影响半径是矿井在进行抽采钻孔布孔设计时主要依据之一，它是指原始瓦斯压力在某时间内开始下降的观测点距抽采钻孔中心的间距[1]。工程应用通常会认定将某个钻孔在抽采后持续观测的瓦斯压力皆比之前下降10%以上时，则认为该考察孔位于抽采钻孔影响半径之内。依据抽采有效影响半径设计钻孔布置时，可尽量避免因钻孔间隔过大而产生的抽采空白带，或者因钻孔间隔过小而形成各钻孔抽采区域重叠而产生人力和物力浪费问题。因此，准确测试出钻孔的抽采影响半径，对于完善矿井瓦斯抽采系统具有重要意义[2-4]。

1 常见测试方法简介

当前，关于测量瓦斯抽采钻孔影响半径较为常见的方法有：压降测试法、流量测试法、气体示踪法测定以及计算机数值模拟等[5-7]。前两种方法测量抽采半径是通过测定在距抽采孔一定间距的多个测试钻孔的压力和流量的衰减情况来确定，该方法测试设备简单，施工方便，应用最多；第三种方法是以抽采孔半径测试的末端作为注气孔，通过考察规定时间内示踪气体在煤体中通过抽采作用运移距离，从而得到该时间内的抽采钻孔影响半径。依据示踪气体扩散距离的长短确定有效抽采半径，是一种较为准确、可靠的测定方法，缺点是需要特定的气体和设备，施工复杂。第四种方法是基于计算机技术和计算科学发展起来的一种新方法，但其前提是要有一个反映实际情况的数学模型，该数学模型是根据一定的理论基础构建起来的，在考察期间需要对现场煤样进行大量实验室数据测定，然后钻孔瓦斯抽采有效半径借助数值计算软件计算模拟得出。针对观音山煤矿一井C5煤层有效抽采半径参数不明确，根据该矿实际情况选择采用压降法来测定其有效抽采半径。

2 现场工程概况及考察方案

2.1 现场概况

观音山煤矿主要的可采煤层为C5煤层，透气性系数介于0.607～2.67m2/MPa2·d之间，属于可抽采煤层。对该矿进行瓦斯抽采有效影响半径试验研究，试验地点选在W1101工作面运输顺槽，其最大瓦斯含量为6.9m3/t，最大瓦斯压力为0.44MPa。

2.2 压降法测试考察方案

当瓦斯抽采时，抽采孔周围煤体瓦斯解析与流动的主要动力是煤层中瓦斯压力和钻孔内气体压差。以抽采钻孔为中心，周边影响圈内煤层瓦斯通过煤体内部的裂隙和孔隙向抽采钻孔流动而被抽走，该抽采钻孔影响圈半径称为有效抽采半径。根据流体运动规律，当距抽采钻孔一定范围煤层中的瓦斯因裂隙阻力的原因不足以运移到抽采钻孔中时，该距离称为最大抽采半径。因此，在抽采钻孔周边布置一组距离依次增大的测试孔，钻孔有效抽采半径通过在规定时间内测试孔内的气体压力下降情况来确定。

在工程实践中压降法测试大多选用多个测压钻孔间隔布置在单个抽采钻孔两测，因该方式仅一个主要抽采孔，所以考察过程中容易受外在因素影响测定结果。为了更加精确测量出瓦斯有效抽采半径，本次测试在之前基础上对测试方式进行了改进，采取分组测压确定瓦斯有效抽采半径。

根据观音山一井现场情况，在W1101工作面运输顺槽施工6个测试孔和3个抽采孔，分为三组，每组3个孔，中间孔为抽采孔，两边孔作为测试孔（测试孔和抽采孔在同一平面上）。第1组测压孔与抽采孔分别相距1m和1.5m，第2组测压孔与抽采孔分别相距2m和2.5m，第3组测压孔与抽采孔分别相距3m和3.5m，每组间隔5m，钻孔布置剖面如图1和2所示。测试孔孔深为30m，直径为94mm，封孔20m；抽采孔孔深为30m，直径为94mm，封孔20m（封孔长度大于卸压影响区），钻孔参数如表1所示。

图1 沿钻孔剖面示意图

图2 垂直钻孔方向剖面示意图

表1 钻孔参数

封孔完毕1d后连接压力表，观测其变化情况。当各考察孔连续3天压力值基本不变后，抽采孔开始接抽，在开始前3天内每隔2个小时记录一次压力值，从抽采第4天开始每班记录一次压力值。观测压力值变化情况，当某个钻孔测定的瓦斯压力下降幅度超过10%，则说明该观测孔在这个时间段内位于抽采钻孔的影响半径之内。

2.3 测试结果与分析

根据现场试验测试的数据，观测孔孔压力初始值为0.11～0.41MPa。其中2号孔因封孔原因造成抽采管堵塞没有瓦斯压力，所以对其它5个孔进行对比。通过分析图3中5个测试孔的压力变化情况可知：随着抽采时间的延长1号、3号和4号、5号、6号考察孔在预抽孔联网抽采后压力均有所下降，只是下降程度不同。以压力降低10%作为标准，1号考察孔接抽13天后孔内气体压力由0.41MPa降到0.37MPa，3号考察孔接抽19天后孔内气体由0.11MPa降到0.09MPa，4号考察孔接抽 26天后孔内气体由0.15MPa降到0.13MPa，5号考察孔接抽31天后孔内气体由0.40MPa降到0.35MPa，6号考察孔接抽33天后瓦斯压力由0.26MPa降到0.21MPa。

图3 考察孔抽采前后压力变化曲线

由以上测试分析，钻孔瓦斯抽采13d时影响半径为1m，抽采19d后影响半径为2m，抽采26d时影响半径为2.5m，抽采31d后影响半径达到3m，抽采33d以上时影响半径达到3.5m。如图4所示。

根据抽采半径随时间变化情况进行回归分析，由渐变规律得到回归方程，如图5所示。

图4 抽采半径随时间变化曲线

图5 抽采半径渐变规律回归分析图

抽采有效影响半径与时间呈对数相关，拟合度为0.9708：

式中：t为瓦斯抽采时间，d；R为抽采有效影响半径，m。

通过回归方程可以推算出在之后某时间内钻孔的有效抽采半径，为矿上抽采钻孔布置提供参考。

3 结 语

通过对常见的瓦斯抽采影响半径测试方法分析，结合观音山一井现场生产条件选用压降法通过分组测定各组钻孔瓦斯压力变化情况确定瓦斯抽采有效影响半径。抽采有效影响半径随着抽采时间的增加也随之增大，有效影响半径与时间呈对数相关。当钻孔抽采13d时影响半径为1m；抽采19d时影响半径为2m；抽采26d时影响半径为2.5m；抽采31d后影响半径为3m；抽采33d以上时影响半径为3.5m，通过分析得到抽采半径渐变规律回归方程。该测试结果有利于该矿合理的抽采钻孔施工布置，提高瓦斯抽采效率。