基于“一抽两测”的顺层扇形钻孔瓦斯抽采半径研究

耿延辉

（1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037）

引言

近年来，随着国家对安全方面问题的高度重视，瓦斯事故是各个矿山的重中之重。目前国内治理瓦斯事故主要是采取大规模施工密集钻孔对煤层瓦斯进行抽采，从而预防煤与瓦斯突出事故[1]。抽采煤层瓦斯的影响因素很多，其中对抽采效果影响较大的是瓦斯抽采半径，而瓦斯抽采半径直接关系到抽采钻孔的布置密度和抽采时间的长短[2]。准确地测定煤层瓦斯抽采半径，既可以避免钻孔设计及施工的盲目性，减少煤层瓦斯抽采的盲区和抽采钻孔的有效影响范围的无效叠加，又可以提高抽放钻孔的利用率及施工速度。这样既保证了抽放区域降低瓦斯含量的效果又节约了因为钻孔间距布置不合理而增加的抽采时间，提高矿井的采掘速度[3]。此次煤层瓦斯抽采半径的研究主要通过流量法和瓦斯含量法，对矿井的相关煤层瓦斯抽采工作具有参考指导意义[4]。

1 试验区煤层瓦斯特征

6 号煤层基本情况：根据中煤科工集团重庆研究院有限公司2014 年6 月提交的《阿拉善福泉煤炭有限责任公司6 号、7 号煤层煤与瓦斯突出参数测定及其突出危险性鉴定报告》可知：6 号煤的破坏类型Ⅲ-Ⅳ、瓦斯放散初速度19、坚固性系数0.16、瓦斯含量15.89 m3/t、煤层透气性系数0.039 5～19.799 m2/MPa2·d。

2 抽采半径的考察方法选择及临界值的确定

2.1 考察方法的选择

抽采半径现场考察方法主要有三种：瓦斯压力降低法、瓦斯含量降低法、钻孔瓦斯流量法[5]。

根据试验区域煤层的相关瓦斯资料及煤层赋存情况，综合前述抽采半径考察方法的优缺点及适用性，本次试验考察依据现场情况对测定方法进行了简化，决定选择以钻孔瓦斯流量法为主、瓦斯含量降低法验证的测定方法[6]。该方法建立在瓦斯流量统计的基础上，同时测定煤层残余瓦斯含量加以验证，提高了测定结果的准确性。

2.2 抽采半径考察指标临界值的确定

针对不同瓦斯赋存情况，完全消除煤层突出危险性应符合以下要求：（1）对瓦斯涌出量主要来自于开采层的采煤工作面，评价范围内煤的可解吸瓦斯量满足煤体的可解吸瓦斯量应达到的指标，该矿产量2 200 t/d，可解吸瓦斯含量小于7 m3/t；（2）对于突出煤层，预期防突效果达标瓦斯压力或瓦斯含量按煤层始突深度处的瓦斯压力或瓦斯含量取值[7]；没有考察出煤层始突深度处的煤层瓦斯压力或含量时，分别按照0.74 MPa、8 m3/t 取值；（3）对于瓦斯涌出量主要来自于突出煤层的采煤工作面，要同时满足防突和瓦斯含量达标要求；（4）对瓦斯涌出量主要来自于邻近层或围岩的采煤工作面，计算的瓦斯抽采率需满足采煤工作面瓦斯抽采率应达到的指标，具体指标见表1。

表1 采煤工作面瓦斯抽采率应达到的指标

福泉煤矿为煤层群开采，根据矿井瓦斯涌出量预测6 号煤层邻近层瓦斯涌出占55.09%，开采层瓦斯涌出占44.91%，工作面瓦斯涌出量为22.71 m3/min。由于福泉煤矿6 号煤层始突深度的煤层瓦斯含量、始突深度瓦斯压力均无实测数据，因此防突预抽效果按照瓦斯含量8 m3/t 取值；同时瓦斯涌出主要来自邻近层，根据相关标准要求考察计算的采煤工作面瓦斯抽采率需大于40%。

综合上述分析可知：6 号煤层瓦斯抽采半径考察指标煤层残余瓦斯含量临界值8 m3/t；采煤工作面瓦斯抽采率需要大于40%。

3 顺层扇形钻孔瓦斯抽采半径的考察

3.1 考察地点选取及要求

瓦斯抽采半径考察地点的选取应满足以下条件[8]：（1）考察地点的煤层赋存稳定，附近无较大地质构造，所处地质单元具有代表性；（2）考察钻孔所处的工作面回采日期必须满足考察所需的抽采时间。

根据考察地点选取要求及福泉煤矿采掘接替情况，福泉煤矿6 号煤层选择钻孔直径Φ94 mm，考察地点选择在1 168 轨道运输石门揭露6 号煤层施工顺层扇形钻孔进行瓦斯抽采半径考察。

3.2 考察钻孔设计

根据1168 轨道石门揭煤区域防突措施抽采卸压范围分布及钻孔设计，选取6 号煤层原始区域考察6号煤层瓦斯抽采半径。在1168 轨道石门左右两帮各布置一组钻孔，每组钻孔6 个，钻孔沿走向布置，钻孔终孔间距间距10 m，每组考察钻孔开孔位置位于煤层中间，试验区域考察钻孔布置见图1。

图1 顺层钻孔抽采半径考察钻孔布置层面

4 考察结果及验证

根据现场测定试验区6 号煤层最大瓦斯含量为11.45 m3/t，福泉煤矿6 号煤层属于突出煤层，根据考察临界值相关规定，将6 号煤层瓦斯抽采半径考察指标煤层残余瓦斯含量临界值为8 m3/t；采煤工作面瓦斯抽采率需要大于40%。

4.1 根据统计流量计算抽采半径测定结果及分析

6 号煤层瓦斯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=16 158.24 m3

瓦斯抽采量统计见表2，抽采半径计算结果见表3、表4。其抽采负压在15～18 KPa，抽采钻孔直径Φ94 mm。

表2 福泉煤矿6 号煤层单孔日抽采瓦斯纯量统计

表3 福泉煤矿6 号煤层94mm 钻孔第一组抽采半径计算结果

表4 福泉煤矿6 号煤层94mm 钻孔第二组抽采半径计算结果

4.2 根据拟合流量曲线计算抽采半径

6 号煤层抽采半径考察平均单孔日抽采瓦斯量统计结果拟合得出抽采衰减负指数曲线，如图2 所示，其数据相关系数R＝0.986 1，数据相关性强，其衰减负指数曲线能有效代表6 号煤层顺层钻孔单孔抽采瓦斯规律，可根据该抽采衰减负指数曲线公式积分解算6 号煤层顺层钻孔抽采半径，见表5。

表5 福泉煤矿6 号煤层94 mm 钻孔抽采半径计算结果

图2 6 号煤层瓦斯抽采半径考察平均单孔日抽采瓦斯量统计拟合图

综合以上计算结果，由统计量计算得出的钻孔抽采半径与抽采衰减负指数曲线积分计算得出的钻孔抽采半径基本相符。

综上可得：根据最小值原则，福泉煤矿6 号煤层在15～18 KPa 抽采负压条件下，直径Φ94 mm 钻孔抽采20 d、30 d、60 d、90 d 和极限抽采半径分别为：0.76 m、0.83 m、1.56 m、1.92 m、2.27 m。

4.3 煤层残余瓦斯含量的验证

根据计算得到的抽采半径，实测该区域方位内的瓦斯含量，进一步验证该考察区域内的抽采情况和所确定的有效抽放半径的准确性。

4.3.1 第一次残余瓦斯含量测定

根据计算半径范围内，进行煤层残余瓦斯含量的测定及抽采率的计算，同时满足抽采达标时残余含量小于8 m3/t；工作面抽采率η＞40%，残余瓦斯含量测定及工作面抽采达标率计算结果见表6。

表6 取样验证参数及实测结果表

4.3.2 第二次残余瓦斯含量测定

抽采达标时残余含量小于8 m3/t；需同时满足工作面抽采率η＞30%，残余瓦斯含量测定及工作面抽采达标率计算结果见表7。

表7 取样验证参数及实测结果表

验证结果表明通过现场实测参数形成的瓦斯流量衰减模型是非常稳定和可靠的。福泉煤矿6 号煤层在15～18 KPa 抽采负压条件下，直径Φ94 mm 钻孔抽采20 d、30 d、60 d、90 d 和极限抽采半径分别为：0.76 m、0.83 m、1.56 m、1.92 m、2.27 m。

5 结论

（1）选择以钻孔瓦斯流量法为主，瓦斯含量降低法验证的瓦斯抽采半径考察方法。该方法建立在瓦斯流量统计的基础上，并同时测定煤层残余瓦斯含量加以验证，提高了测定结果的准确性。

（2）通过现场瓦斯含量实测，进一步验证了瓦斯流量衰减模型的可靠性和正确性。

（3）通过现场考察、理论综合分析得出福泉煤矿6 号煤层在15～18 KPa 抽采负压条件下，直径Φ94 mm 钻孔抽采20 d、30 d、60 d、90 d 和极限抽采半径分别为：0.76 m、0.83 m、1.56 m、1.92 m、2.27 m。