汾西煤矿水力冲孔钻孔有效抽采半径测定

李录标

（山西古县金谷煤业有限公司，山西 临汾042400）

0 引 言

我国煤与瓦斯突出事故发生的次数、频率以及严重程度居世界首位[1]。预抽煤层瓦斯是一项十分重要的防突措施。在瓦斯抽采设计中，有效抽采半径是该措施的一个重要参数，直接关系到预抽钻孔间距的设计，影响瓦斯抽采的效果[2-4]。水力冲孔技术具有施工容易、成本低、效率高、安全性高等优点。该技术的主要原理是利用高压水射流对钻孔周围煤体进行破碎，在射流冲刷作用下形成空洞，使水力冲孔周围煤体发生变形、卸压，增加钻孔周围煤体的新生孔隙，提高煤体渗透率，改善煤层抽采条件[5-7]。汾西煤矿煤矿采用水力冲孔技术以提高瓦斯抽采效率，该技术措施下的抽采半径关系到钻孔间距的布置。因此本文采用流量法与瓦斯含量法考察二2 煤层水力冲孔技术下的瓦斯抽采半径，指导矿井钻孔间距的布置。

1 试验区概括

矿井目前回采煤层为15 号煤层，可采范围内厚度0.80～8.86 m，平均为2.60 m，煤层稳定，结构简单。根据煤层开采条件，采用单一走向长壁后退式综合机械化采煤方法，全部垮落法管理顶板，一次采全高。

2 有效抽采半径测定

2.1 现场实测方法

根据《煤矿安全规程》规定：在对煤层瓦斯实施预抽后，必须对预抽瓦斯防治突出效果进行检验，其检验的指标之一是煤层瓦斯预抽率大于30%。本矿本着既要减少钻孔工程量又要保证抽采效果的原则，选择瓦斯预抽率为60%是一个经济合理的数值[8]。

流量法：在被考察的煤层区域，直接测定钻孔瓦斯动态抽采流量[9]，得出不同时间对应的瓦斯抽采流量。钻孔抽采瓦斯涌出强度随时间的推移一般呈负指数衰减，根据考察的瓦斯抽采流量数据，可通过最小二乘法拟合得出钻孔不同时刻的瓦斯抽采量关系式：

式中：qct为抽采时间t 下平均瓦斯抽采纯量，m3/t；qc0为有效钻孔长度条件下钻孔初始瓦斯抽采量，m3/t；β为钻孔瓦斯抽采量衰减系数，d-1；t为钻孔的瓦斯抽采时间，d。

对式（3-1）积分，可以得到任意时间t 内钻孔瓦斯抽采总量Qct：

式中：Qct为任意时间t 内钻孔瓦斯抽采总量，m3。

瓦斯预抽率是衡量钻孔预抽煤层瓦斯效果的主要指标，根据测定煤层原始瓦斯含量W，在抽采时间t内钻孔影响半径为r时，可计算钻孔控制范围内的瓦斯储量Q，进而计算时间t 内瓦斯预抽率η，η为瓦斯抽采量Qct与Q之比：

温度对碳纳米管纤维/环氧树脂界面剪切强度的影响······························马奇利 张翠霞 王 晗 蒋 瑾 吕卫帮 (6,961)

式中：Q为钻孔控制范围内的瓦斯储量，m3；η为时间t 内瓦斯预抽率，%；r为抽采半径，m；h为煤层厚度，m；L为抽采钻孔长度，m；γ为原煤密度，t/m3；W为煤层原始瓦斯含量，m3/t。

瓦斯含量法：首先测定被考察范围的原始瓦斯含量[10]，向被考察范围施工特定孔径的抽采钻孔，然后封孔并进行瓦斯抽采，当抽采一定时间以后，采用直接测定法测定被考察范围的瓦斯含量，当直接测定的瓦斯含量降低到临界值以下或降低到一定程度时，则认为考察钻孔与抽采孔的间距即为在该特定孔径条件下一定抽采时间内对应的有效抽采半径。

2.2 测试地点的选择

2.2.1 流量法测试地点

本次测试地点选定在1513 下巷底板抽放巷、1515 下巷底板抽放巷以及1511 采区，每一个地点设定一个流量测试钻孔，用来测试水力冲孔抽采半径。

2.2.2 瓦斯含量法测试地点

根据汾西煤矿地质构造与煤层赋存情况，并结合该煤矿15 号煤层瓦斯涌出特征及预抽期等，在1513下巷底板抽放巷、1515 下巷底板抽放巷以及1511 采区布置3 组水力冲孔。每组水力冲孔分别施工3 个抽采钻孔，钻孔互相平行、相邻钻孔间距50 cm。

2.3 抽采钻孔的布置

2.3.1 流量法钻孔布置

表1 汾西煤矿13 采区水力冲孔瓦斯抽采影响半径测试钻孔设计参数

表2 汾西煤矿15 采区水力冲孔瓦斯抽采影响半径测试钻孔设计参数

表3 汾西煤矿1511 采区水力冲孔瓦斯抽采影响半径测试钻孔设计参数

流量法测试流程：钻孔施工结束后，水力冲孔钻孔冲煤量不小于0.5 m3/m，水力冲孔钻孔进行冲孔后连接抽采管路，设置单独的流量计，并测试抽采气体的浓度。

2.3.2 瓦斯含量法钻孔布置

根据测试地点的地质条件，对13 采区、15 采区、1511 采区的水力冲孔进行设计钻孔具体布置参数见表4。

表4 汾西煤矿13、15、1511 采区水力冲孔瓦斯抽采影响半径测试钻孔设计参数

瓦斯含量法测试流程：在达到设定抽采天数60、120、180 d 时，分别平行于D、E、F 抽采孔隔4 m 施工取样孔，取样孔间距0.5 m，钻孔编号分别为D-1、D-2、D-3、D-4、D-5、E-6、E-7、E-8、E-9、E-10、F-11、F-12、F-13、F-14、F-15 号检查不同距离的瓦斯残余含量。

3 有效抽采半径测定结果分析

3.1 流量法实测结果分析

3.1.1 钻孔瓦斯纯量抽采结果

通过抽采数据的记录及处理得到了1513 下巷底板抽放巷、1515 下巷底板抽放巷以及1511 采区的水力冲孔钻孔测点处，作瓦斯抽采纯量随时间变化图如图1- 图3 示。

图1 汾西煤矿13 采区钻孔抽采纯量随抽采时间变化规律

图2 汾西煤矿15 采区钻孔抽采纯量随抽采时间变化规律

图3 汾西煤矿1511 采区钻孔抽采纯量随抽采时间变化规律

3.1.2 流量法有效抽采半径的确定

表5 汾西煤矿13 采区水力冲孔抽采半径

将穿层钻孔单个钻孔瓦斯流量衰减指数方程qct=qc0e(-βt)代入到公式（4）、（5）中得到以抽采率作为指标确定瓦斯有效抽采半径。

表6 汾西煤矿15 采区水力冲孔抽采半径

表7 汾西煤矿1511 采区水力冲孔抽采半径

3.2 瓦斯含量法实测结果分析

3.2.1 原始瓦斯含量测试结果

在抽采钻孔施工的同时，测定各采区抽采钻孔原始瓦斯含量，测定结果见表8- 表10。

表8 13 采区原始瓦斯含量测定结果

表9 15 采区原始瓦斯含量测定结果

表10 1511 采区原始瓦斯含量测定结果

3.2.2 瓦斯含量法有效抽采半径的确定

从本次测定的瓦斯含量可以看出，原始瓦斯含量均小于8 m3/t，已满足《基本指标》的要求。因此，本次抽采半径考察以《煤矿安全规程》（2010）第一百八十八条第（二）款之规定，预抽率大于30%为抽采有效。本着既要减少钻孔工程量又要保证抽采效果的原则，选择瓦斯预抽率为60%是一个经济合理的数值。

在抽采60、120、180 d 时，在D、E、F 抽采孔4 m 处，开始间隔0.5 m 施工取样孔检查不同距离的残余瓦斯含量，见表11—表13 和图4—图6。

图6 汾西煤矿1511 采区水力冲孔抽采后残余瓦斯含量与抽采半径关系曲线

表11 水力冲孔抽采后13 采区不同位置测得的残余瓦斯含量

表13 水力冲孔抽采后1511 采区不同位置测得的残余瓦斯含量

图4 汾西煤矿13 采区水力冲孔抽采后残余瓦斯含量与抽采半径关系曲线

通过对测试数据进行插值计算，可得出在13 采区冲孔抽采60、120 、180 d 时，预抽率大于60 %的抽采半径分别为5.23、5.68、5.89 m。

表12 水力冲孔抽采后15 采区不同位置测得的残余瓦斯含量

图5 汾西煤矿15 采区水力冲孔抽采后残余瓦斯含量与抽采半径关系曲线

通过对测试数据进行插值计算，可得出在15 采区冲孔抽采60、120 、180 d 时，预抽率大于60 %的抽采半径分别为5.34、5.72、5.93 m。

通过对测试数据进行插值计算，可得出在15 采区冲孔抽采60、120、180d 时，预抽率为60%的抽采半径分别为5.44、5.81、5.96 m。

4 结 论

1）通过在汾西煤矿13、15、1511 采区布置测点，分别利用瓦斯流量法和瓦斯含量法测试15 号煤层水力冲孔有效抽采半径，其中水力冲孔钻孔冲煤量不小于0.5 m3/m。在抽采率为60%的条件下，流量法在60、120、180 d 时，有效抽采半径分别为5、5.6、5.7 m。瓦斯含量法在60、120、180 d 时，有效抽采半径分别为5.4、5.8、6.0 m。

2）在相同抽采时间条件下，利用瓦斯含量法得到的煤层瓦斯有效抽采半径比流量法的大。为保证瓦斯抽采的可靠性和安全性，选择较小的测试结果作为煤层的有效抽采半径，因此以流量法的测试结果作为汾西煤矿二2 煤层的瓦斯有效抽采半径，即汾西煤矿二2 煤层水力冲孔钻孔抽采时间为60 d时，合理有效的抽采半径为5.0 m；抽采时间为90 d时，合理有效的抽采半径为5.5 m；抽采时间为120 d时，合理有效的抽采半径为5.6 m；抽采时间为180 d时，合理有效的抽采半径为5.7 m。