阳泉五矿不同孔径瓦斯钻孔有效排放半径对比研究

高 明

(潞安化工集团 五矿，山西 阳泉 045000)

排放钻孔是我国在工作面局部防突中试验和应用最早的一种措施，由于其适用性广成为最常采用的措施之一[1-3]。同时，因其施工方便等优点，在采煤工作面、掘进工作面、石门揭煤等都成功应用，还可作为局部防突措施，但在布置排放钻孔时，若布置过疏，瓦斯排出效果不理想[4-7]；钻孔过密又会导致工人工作量增加，造成资金和人力的浪费。为了取得较好的防突效果，合理布置排放钻孔，排放钻孔的有效排放半径成为问题关键[8-10]。为准确考察瓦斯排放半径，以突出预测指标法-钻屑瓦斯解吸指标Δh2研究阳泉五矿五采区15号煤8508工作面进风巷75 mm和94 mm两种孔径的有效排放半径，确定不同孔径的钻孔有效排放半径与时间的关系。

1 试验工作面概况

阳泉五矿五采区8508工作面平均标高+488 m，走向长度1 222 m，倾向长度200 m，煤层总厚7.51～10.32 m，平均厚度8.86 m，纯煤厚6.4 m；可采储量为190万t，按照月产9.68万t计算，服务年限19.8个月。15号煤层整体为褶皱构造，回采前期为背斜构造，回采后期为向斜构造，煤层倾角为2～15°，平均6°，煤层赋存稳定，含夹矸3～4层。8508工作面回采期间最大风排瓦斯绝对涌出量为14.52 m3/min。

2 瓦斯排放半径考察方案

2.1 测定方法及原理

目前，排放钻孔有效半径测定方法有很多，如钻孔瓦斯流量法、钻孔瓦斯压力降低法或钻屑量指标S、钻屑瓦斯解吸指标K1或Δh2的突出预测指标法。钻孔瓦斯流量法或压力降低法在抽采半径测定中普遍使用，其原理是布置1排平行间隔300～500 mm的测量钻孔，测瓦斯流量或压力，在规定距离内打排放孔，根据测量孔内的瓦斯流量或压力降低率来综合分析排放半径，但缺点是费时费力、劳动强度大、测量精度和封孔难度高。而突出预测指标法的实质是预测煤层排放钻孔内的突出指标值来分析钻孔有效排放半径，它与钻孔瓦斯流量法或压力降低法类似，分别打测量孔和排放孔，但测量内容是钻屑突出指标，机理是排放钻孔排放瓦斯后，其孔内围岩一定范围内的压力大大低于原始煤体应力，形成卸压区，卸载区内的测量孔突出指标比排放钻孔排放前的突出指标小，从而判断排放孔的瓦斯排放半径，该方法简单易操作、测量精度高。

2.2 钻孔布置方案

根据目前五矿五采区开拓部署情况，考虑现场掘进迎头排放钻孔和以往措施孔布置情况，测点布置在8508工作面靠近停采线未抽采区域，钻孔位置考察测点布置如表1所示，共两组考察钻孔，主要区别是考察钻孔孔径和地点不同。

表1 五采区8508工作面进风巷排放半径考察测点布置

每组考察钻孔内部分为3小组(A、B、C组)，共计8个钻孔(1～8号)，钻孔长度均为12 m，A小组为1号、2号、3号孔，B小组为4号、5号、6号孔，C小组为7号、8号钻孔，其中1号、4号、7号为排放钻孔，2号、3号、5号、6号、8号为考察钻孔，钻孔布置和参数如图1所示。

图1 排放钻孔布置示意

2.3 测定方案

采用突出预测指标法-钻屑瓦斯解吸指标Δh2对有效排放半径进行测定，步骤如下：

1) 在8508工作面进风巷距巷道口170 m、175 m、180 m处垂直巷道右帮各施工1个沿煤层倾向的排放孔，钻孔初始直径为42 mm，即1号、4号、7号。打钻过程中使用YTC-120/2000型瓦斯突出参数测定仪测定并记录1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m、10 m、12 m钻屑瓦斯解吸指标Δh2。

2) 测定结束后，立即使用75 mm的钻头进行扩孔，作为排放孔，孔深12 m。

3) A小组钻孔中，在1号排放孔施工完成2 h和4 h后分别施工2号考察孔和3号考察孔，钻孔角度为4°；B小组钻孔中，在4号排放钻孔施工完成6 h和8 h后分别施工5号考察孔和6号考察孔，角度与A组相同；C小组钻孔中，在7号排放钻孔施工完成10 h后施工8号考察孔，角度与A组相同；同时测定每米钻屑瓦斯解吸指标Δh2，并记录数据。

4) 对同一组内的测试孔与排放孔的数据进行分析，第Nm后测试孔的指标均小于同一深度排放孔排放前的指标，通常以下降率不小于10%为判定标准,煤粉钻屑瓦斯解吸指标Δh2小于200 Pa时，则可确定考察钻孔某一时间的有效排放半径。

第2组排放半径考察钻孔参照上述步骤，考察孔与排放孔角度为5°实施并记录数据。排放半径考察试验第1组、第2组的具体钻孔布孔参数见表2。

表2 排放半径考察钻孔参数

3 不同孔径条件下的瓦斯排放规律

3.1 孔径75 mm钻孔瓦斯排放规律

根据75 mm钻孔排放半径考察数据(见表3)得到钻孔排放时间与Δh2下降率的关系曲线(见图3～7)。从图中可以看出：随着排放时间的增加，孔内钻孔排放距离不断延深，同一深度的排放率增加，测定范围内的Δh2明显降低。

从图3可知，排放2 h时，孔内0～3 m的范围测定的Δh2明显降低，且测定排放后Δh2最大值为100 Pa，而4～12 m后续孔段的Δh2值下降率为0，部分深度甚至有所上涨，因此可以认为排放2 h时75 mm钻孔的有效影响范围为2号孔0～3 m对应的最大半径。

图3 排放钻孔排放2 h

表3 8508工作面进风巷第1组75mm孔径排放考察钻孔考察Δh2分析 单位:Pa

从图4可知，排放4 h时，孔内0～7 m的范围测定Δh2明显降低，且测定排放后Δh2最大值为160 Pa，即排放4 h时75 mm钻孔的有效影响范围为3号孔0～7 m对应的最大半径。

图4 排放钻孔排放4 h

从图5可知，排放6 h时，孔内0～9 m的范围测定Δh2明显降低，且测定排放后Δh2最大值为160 Pa，即排放6 h时75 mm钻孔的有效影响范围为5号孔0～9 m对应的最大半径。

图5 排放钻孔排放6 h

从图6可知，排放8 h时，孔内0～10 m的范围测定Δh2明显降低，且测定排放后Δh2最大值为160 Pa，即排放8 h时75 mm钻孔的有效影响范围为6号孔0～10 m对应的最大半径。

图6 排放钻孔排放8 h

从图7可知，排放10 h时，孔内0～11 m的范围测定Δh2明显降低，且测定排放后Δh2最大值为180 Pa，即排放10 h时75 mm钻孔的有效影响范围为8号孔0～11 m对应的最大半径。

图7 排放钻孔排放10 h

3.2 孔径94 mm钻孔瓦斯排放规律

根据直径94 mm钻孔的排放半径考察数据(见表4)得到钻孔排放时间与Δh2下降率的关系曲线(见图8～12)。从图中可以看出：随着排放时间的增加，孔内钻孔排放距离不断延深，同一深度的排放率在增加，测定范围内的Δh2明显降低。

表4 8508工作面进风巷第2组94 mm孔径排放考察钻孔考察Δh2分析 单位:Pa

从图8可知，排放2 h时，孔内0～4 m的范围测定的Δh2明显降低，且测定排放后Δh2最大值为120 Pa，而5～12 m后续孔段的Δh2值下降率为0，部分深度甚至有所上涨，因此可以认为排放2 h时，94 mm钻孔的有效影响范围为2号孔0～4 m对应的最大半径。

图8 排放钻孔排放2 h

从图9可知，排放4 h时，孔内0～7 m的范围测定的Δh2明显降低，且测定排放后Δh2最大值为140 Pa，即排放4 h时，94 mm钻孔的有效影响范围为3号孔0～7 m对应的最大半径。

图9 排放钻孔排放4 h

从图10可知，排放6 h时，孔内0～8 m的范围测定的Δh2明显降低，且测定排放后Δh2最大值为160 Pa，即排放6 h时，94 mm钻孔的有效影响范围为5号孔0～8 m对应的最大半径。

图10 排放钻孔排放6 h

从图11可知，排放8 h时，孔内0～9 m的范围测定的Δh2明显降低，且测定排放后Δh2最大值为160 Pa，即排放8 h时，94 mm钻孔的有效影响范围为6号孔0～9 m对应的最大半径。

图11 排放钻孔排放8 h

从图12可知，排放10 h时，孔内0～10 m的范围测定的Δh2明显降低，且测定排放后Δh2最大值为160 Pa，即排放10 h时，94 mm钻孔的有效影响范围为8号孔0～10 m对应的最大半径。

图12 排放钻孔排放10 h

4 不同孔径的有效瓦斯排放半径确定

根据突出预测指标法确定排放半径原理，结合8508工作面进风巷不同孔径、不同排放时间对应的有效排放影响范围，分析得到对应的排放半径,见表5。

表5 8508工作面进风巷排放半径考察结果

考虑五矿一般排放时间至少在6 h以上，综合现场实际和考察分析结果，五矿五采区8508工作面进风巷若采用75 mm的排放措施钻孔时，有效排放半径可取0.93～1.07 m；若采用94 mm的排放措施钻孔时，有效排放半径可取1.00～1.17 m。

5 结 语

根据对五矿8508工作面进风巷不同孔径(75 mm和94 mm)、不同排放时间及钻孔深度的瓦斯排放规律的分析，得到：

1) 在同一排放时间，排放钻孔孔径越大则对应有效排放半径越大；而同一排放孔径时，排放钻孔有效影响半径随排放时间呈正增长趋势。

2) 确定了不同孔径钻孔有效排放半径，采用75 mm的排放钻孔时，有效排放半径可取0.93～1.07 m；采用94 mm的排放措施钻孔时，有效排放半径可取1.00～1.17 m。