刘庄煤矿5煤层抽采有效影响半径考察

黄 勇

（中煤新集刘庄矿业有限公司东区抽排区，安徽 阜阳 236232）

1.概述

120502工作面位于刘庄煤矿一水平东二采区，该工作面西部为东二5煤采区集中上山，东部为XL2陷落柱，南端为120503工作面采空区，北端为120501工作面采空区，上方为6-1煤及8煤采空区，为多面孤岛工作面。120502工作面总体为一单斜构造，煤岩层走向为80～100°，倾向为170°～190°，倾角11°～17°，平均倾角 14°，平均煤厚 4 m。

根据中煤科工集团重庆研究院编制的《安徽中煤新集刘庄矿业有限公司7、6、5、4煤层煤与瓦斯突出危险性鉴定报告》，1205采区F19断层以东至F30断层以西、-785m水平以浅5煤层为非突出煤层。

2.抽采有效半径考察方案

2.1 考察理论依据

在无采掘活动的情况下，某一区域内煤层的瓦斯储量是一定的，由于煤层透气性系数是一个固定值，且煤层的瓦斯流动性质相对稳定流动的，因此一段时间内钻孔内瓦斯补给量是有限的，而随着煤层瓦斯流动时间的增加，钻孔的瓦斯流量、瓦斯浓度、瓦斯流动纯量、瓦斯压力、瓦斯涌出强度等会逐渐减小。

根据以上煤层内瓦斯流动理论，煤层内瓦斯流动及钻孔内瓦斯流动可用下列相关公式表达：

式中：q0——钻孔原始瓦斯涌出强度，m3/(min·m2)；λ——煤层的透气性系数，m2/(MPa2·d)；p0——煤层的原始瓦斯压力，MPa2；pr0——钻孔内的瓦斯压力，MPa2；r0——钻孔孔径，m；pstd——标准状况下的大气压力，MPa2；R——钻孔瓦斯流动场的影响半径，m；q′——钻孔在t时刻的瓦斯涌出强度，m3/(min·m2)；α——钻孔内瓦斯流量衰减系数，d-1；t——钻孔内瓦斯流动的时间，min；q——钻孔在t时的瓦斯涌出量，m3/min；m——煤层厚度，m；Q——钻孔在t时间内的瓦斯抽采总量，m3。

根据上面公式(d)可知，钻孔的抽采瓦斯能力和钻孔的瓦斯流量衰减系数、煤层的透气性系数、煤层厚度、钻孔孔径、钻孔的抽采负压、钻孔的抽采时间等多个因素有关，第一个因素越大，钻孔抽采的瓦斯纯量就越小，是呈反比关系的，后五个因素越大、钻孔抽采的瓦斯纯量就越大，是呈正比关系的。通常在考察抽采半径选取地点所属区域煤层，煤层的厚度、透气性系数、钻孔瓦斯流量衰减系数都是一个固定值，因此钻孔的抽采瓦斯能力主要是和另外三个因变量因素挂钩的，当确定钻孔孔径、钻孔抽采负压后，钻孔抽采瓦斯的能力和抽采时间成1-e-αt关系，因此上述六个条件在五个条件固定时，就可以根据钻孔抽采能力与抽采半径的关系进行计算，从而得出钻孔在不同抽采时间内所对应的抽采半径。

2.2 现场选择要求

为了顺利地对抽采钻孔有效抽采半径进行考察，抽采半径考察选择的地点应满足下列五点要求：考察地点所在的区域煤层赋存比较稳定，没有显著地质构造；必须满足考察所需的抽采时间；通风、压风、水、电等应满足考察施工要求，且能保障考察人员安全；满足《煤矿安全规程》《煤矿抽采达标暂行规定》和矿井各项管理及技术要求；考察前测定该煤层瓦斯含量。

2.3 计算方法

钻孔施工完毕开始抽采后，每天测定并记录钻孔的抽采参数，包括抽采负压、浓度、瞬时流量等数据。通过测定流量参数，计算钻孔每天的抽采纯量并计算累计抽采纯量Q抽总。

首先按以下五点要求来确定考察区域煤层瓦斯抽采率：

按将煤层残余瓦斯含量抽采降低到8 m3/t时的抽采率η1，

按将煤层残余瓦斯含量抽采降低到始突深度处煤层瓦斯含量时的抽采率

按将煤层残余瓦斯压力抽采降低到始突深度的瓦斯压力时的抽采率

按《煤矿抽采达标暂行规定》规定的瓦斯抽采率η5。

通过以上五个要求来确定最终抽采率η＝ max（η1,η2,η3,η4,η5）。

上述公式中：W——考察范围区域实测的煤层原始瓦斯含量，m3/t；W初突——考察范围区域内煤层在始突深度时的瓦斯含量，m3/t；WP0.74——考察范围区域内煤层在0.74MPa的瓦斯压力情况下对应的瓦斯含量，m3/t；

然后考察区域内钻孔需要抽采的瓦斯总量按下列公式计算：

式中：L1、L2——考察范围区域长度、宽度，m；h——考察范围区域煤层平均厚度，m；γ——考察范围区域煤层视密度，t/m3；η——通过上述五点要求确定的最终抽采率。

再是按下式计算需要平均在考察范围区域内抽采的钻孔数量：

式中：Q抽总——某一时间段内统计的所有考察钻孔抽采总量，m3

最后，将M个钻孔平均分布在考察抽采钻孔控制区域，再计算出某一时间段内的钻孔抽采半径。

钻孔瓦斯抽采有效影响半径可采用下列公式计算：

3.现场具体施工

根据现场考察确定在120502胶带顺槽沿煤层向工作面轨道顺槽方向施工1组（10个）垂直于巷道的顺层抽采钻孔。顺层抽采钻孔的施工参数为：钻孔方位角355°，倾角12.4°，孔深35.9 m，开孔高度距底板1.5 m，直径Φ113mm，钻孔间距为10m，封孔长度不小于15 m。现场实际施工平行顺层钻孔倾角12.5°，孔深36 m，其余均按照设计参数进行施工，并保证钻孔达到平直、不塌孔、全部布置在煤层中、孔口严密不漏气等要求。

4.考察结果及分析

120502工作面现场实测瓦斯含量为2.9152 m3/t，通过分源法计算120502工作面在正常回采期间绝对瓦斯涌出量最大为20.06 m3/min左右，根据《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》要求，抽采率必须满足大于或等于30%。

120502胶带顺槽抽采半径考察钻孔控制区域需要抽采瓦斯量为：

Q抽总＝ L1×L2×h×γ×W×η= 100×36×4×1.39×2.915 2×30%=17505.19 m3

120502胶带顺槽考察抽采钻孔日瓦斯抽采量统计见表1、通过考察数据计算的抽采半径结果见表2，考察期间钻孔抽采负压在26.2-31.4KPa范围内。

表1 120502胶带顺槽抽采钻孔日抽采瓦斯量统计

表2 120502胶带顺槽瓦斯抽采钻孔有效影响半径结果（统计数据计算）

根据统计抽采量数据计算出120502胶带顺槽抽采衰减负指数曲线，与抽采衰减负指数曲线对应的相关系数R2＝0.9478，通过统计15天、20天、25天及30天四个数据计算出的抽采衰减负指数曲线能有效减小误差，可以代表120502胶带顺槽钻孔抽采瓦斯规律，因此能用该抽采衰减负指数曲线公式解算120502胶带顺槽钻孔抽采半径，见表3。

表3 120502胶带顺槽瓦斯抽采钻孔有效影响半径结果（拟合抽采负指数曲线计算）

将统计量计算得到的15天及30天抽采半径数据与通过抽采衰减负指数曲线积分计算得到的15天及30天抽采半径数据对比，相同时间内钻孔抽采半径数据偏差不大，基本相符，证明数据真实有效。

刘庄矿120502胶带顺槽抽采钻孔在抽采负压为26.2-31.4KPa时，直径Φ113mm钻孔抽采15天、30天、60天和极限瓦斯抽采有效影响半径分别为：3.10 m、4.71 m、5.97 m、6.43 m。