九里山矿水力冲孔有效抽采半径考察研究

魏培瑾 贵宏伟 郭斌斌

（焦作煤业（集团）有限公司，河南 焦作 454000）

煤矿瓦斯抽采是防治煤与瓦斯突出等瓦斯灾害事故、做好瓦斯资源抽采利用的主要手段，是高瓦斯和突出矿井必须采取的灾害治理技术措施。近年来，随着抽采工程实践的不断深入，水力冲孔等水力化增透抽采措施得到了广泛推广应用，煤层瓦斯抽放效率有了大幅度的提高。《防治煤与瓦斯突出规定》第50条明确要求测试实际考察的煤层有效抽采半径。孔间距过大时，可能造成抽采空白带；过小时，不仅会增加钻孔工程量，而且会发生串孔、塌孔现象，影响抽采效果。因此，水力冲孔钻孔有效抽采半径的准确测定为矿井水力冲孔作业和瓦斯抽采设计提供依据，对瓦斯抽采具有非常重要的意义[1-3]。

1 测定方法选择

有效抽采半径定义。《煤矿瓦斯抽采工程设计标准》（GB 50471-2018）中对钻孔有效抽采半径进行了明确的术语解释，即钻孔有效抽采半径是在一定时间内从钻孔内能抽出瓦斯的有效距离。

压降法是以煤层瓦斯压力的下降作为指标的。煤层瓦斯抽采半径的确定方法为：首先在煤层打一排考察孔，如图1所示，2、3、4……n均为考察孔，d2、d3……dn为相邻测压孔之间的距离；记录每个测压孔的原始压力，P1、P2、P3……Pn；然后在考察孔一侧打抽采钻孔并进行封孔连抽，观测考察孔压力变化情况，从而测出抽采钻孔的有效抽采半径[4]。

图1 测试钻孔布置示意图

2 测定方案

2.1 测定地点概况

河南焦煤能源有限公司九里山矿距焦作市18km。根据历年矿井瓦斯等级鉴定结果，九里山矿属煤与瓦斯突出矿井。根据九里山矿井下实际情况，经过综合分析，确定本次测定地点选择在16采区的1606底抽巷，瓦斯原始含量为20.05～24.46m3/t，瓦斯压力 0.75～1.74MPa。

2.2 测定方案设计

在选择的测定区域内，施工2组水力冲孔有效抽采半径考察钻孔，每组7个考察钻孔，孔径94mm。每组中间为1个抽采孔，两边为考察孔，每组间距10m。具体布置如图2所示。

图2 有效抽采半径考察钻孔布置图

钻孔垂直于底抽巷下帮，倾角为54°，岩段12m，煤段5.5m。

为了考察穿层钻孔水力冲孔后的有效抽采半径，连抽孔穿过煤层后，需要进行一定时间的水力冲孔增透措施。根据九里山矿水力冲孔出煤量统计情况，冲孔出煤量按0.4t/m设计。

钻孔施工完毕应及时封孔，所有考察孔均安装阀门、三通，每组的冲孔钻孔最后施工，并进行冲孔作业，冲孔后连抽。

3 有效抽采半径测试及分析

3.1 数据观测

2组考察孔施工完毕后，将2个抽采孔接入管网连抽，用U型压差计进行测定。根据对考察孔的压力观测数据，做出压力变化曲线。当某一时间压力降为负压时，该钻孔距抽采孔距离作为该时间内抽采钻孔有效抽采半径。

3.2 数据分析

水力冲孔的2组考察孔压力变化情况如图3、图4所示。

图3 第1组考察孔压力变化曲线图

可以看出，1-2号、1-3号、1-4号和1-5号考察孔分别在连抽70d、21d、9d和56d后变为负压，说明这4个考察孔在达到一定抽采时间后处于有效抽采半径范围内；1-1号和1-6号考察孔瓦斯压力未变成负压，说明在观测期内没有处于有效抽采半径范围内。

图4 第2组考察孔压力变化曲线图

可以看出，2-3号、2-4号、2-5号考察孔分别在连抽28d、19d和69d后变为负压，说明这3个考察孔在达到一定抽采时间后处于有效抽采半径范围内；2-1号、2-2号孔和2-6号考察孔瓦斯压力未变成负压，说明在观测期内没有处于有效抽采半径范围内。

3.3 抽采有效半径计算

将进行水力冲孔的2组考察孔中的7个考察孔压力发生明显变化的时间和距抽采孔距离进行统计，汇总如表1。

表1 考察孔抽采天数和影响距离对应表

图5 抽采时间与有效抽采半径关系曲线

如图5所示，根据对考察孔抽采影响距离及抽采时间进行拟合回归，可以得出未冲孔钻孔有效抽采半径变化规律符合公式：

式中：

y-有效抽采半径，m；

x-抽采时间，d。

可推算出：九里山矿二1煤层Φ94mm的穿层钻孔在水力冲孔强度不小于0.4t/m的条件下，当抽采时间为180d时，钻孔有效抽采半径约为4.97m。考虑煤体赋存和冲孔不均匀等因素的影响，建议应考虑一定的安全系数（建议为0.8）进行有效抽采半径的选择，因此，当抽采时间为180d时，有效抽采半径约为3.98m[5-6]。

3.4 抽采时间计算

对16采区水力冲孔单孔日平均抽采瓦斯量数据统计拟合得出抽采衰减曲线y=39.968e-0.004x，如图6所示。根据抽采衰减负指数曲线公式，积分解算16采区抽采钻孔有效抽采半径范围内抽采达标时间[7]。

煤层瓦斯抽采是否达标，应以钻孔有效抽采范围内煤层残余瓦斯含量能否降至6m3/t（根据河南省“双六”规定，瓦斯含量抽采达标指标为6m3/t）以下判断，即钻孔抽采范围内抽出瓦斯量满足下式要求：

式中：

Q-钻孔瓦斯抽出量，m3；

W0-煤层原始瓦斯含量，m3/t；

Wcy-煤层残余瓦斯含量，按照消突评判临界值，取6m3/t；

r-钻孔抽采影响半径，m；

γ-煤的容重，t/m3；

L-穿层钻孔煤孔段平均长度，m。

依据回归瓦斯抽采量积分公式，计算水力冲孔条件下的达标抽采时间和合理钻孔间距：

按目前实测16采区最大原始瓦斯含量24.46m3/t计算，若穿层钻孔平均煤孔段长度为5.5m，按照最大抽采半径3.98m计算，需要经过335d才能将抽采范围内瓦斯降至6m3/t以下。若以180d内能够抽采达标计算，则钻孔有效抽采半径应在3.32m以下。

图6 单孔日抽采瓦斯量衰减曲线图

4 结论

（1）根据对考察孔抽采影响距离及抽采时间进行拟合回归，得出九里山矿16采区二1煤层Φ94mm的穿层钻孔冲孔强度不小于0.4t/m条件下，有效抽采半径符合公式：y=1.1553ln（x）-1.0294，当抽采时间为180d时，钻孔有效抽采半径约为3.74m（安全系数为0.8）。

（2）将有效抽采半径（3.98m）范围内瓦斯含量抽采至6m3/t以下，需要335d。若以180d抽采期进行计算，抽采半径则不应大于3.32m。矿井在地质构造破坏带、煤厚变化带、夹矸层等复杂地质条件的地点，应适当缩小钻孔间距，并做好钻孔测斜工作，确保措施按照设计实施到位。