杨柳矿穿层钻孔抽采半径测定

2022-11-05崔魁

山东煤炭科技 2022年10期

崔魁

（淮北矿业集团，安徽淮北 233600）

在矿井瓦斯抽采过程中，钻孔抽采间距的设计与瓦斯抽采效果的好坏有直接关系。其中，抽采半径在抽采钻孔间距设计过程中可以起到指导性作用，钻孔流场的控制范围又会影响钻孔最佳抽采间距[1-3]。钻孔抽采间距和抽采半径都与很多影响因素有关[4-6]，故合理的钻孔间距应该在测定抽采有效半径的基础上确定，以便科学确定钻孔间距，确定抽采期[7-9]。

1 测试地点概况

测试地点选在淮北矿区杨柳矿1061 工作面，机抽巷位于10 煤底板，距10 煤法距21～30 m，岩性以粉砂岩和细砂岩为主。岩巷施工过程中揭露多条断层，其中3 条正断层。10 煤层赋存比较稳定，平均煤厚3.05 m，倾角在0～5°之间，有突出危险性，瓦斯参数见表1。

表1 部分瓦斯参数表

2 钻孔设计及施工参数

在1061 机抽巷帮岩壁依次施工2～5 号测试孔，穿过煤层全厚且进入煤层顶板至少0.5 m，孔底间距分别控制为2 m、4 m、6 m、8 m。待其压力稳定后施工一个1 号抽采孔，钻场断面钻孔布置方式如图1，观测孔封孔采用水泥砂浆封孔，抽采孔采用聚氨酯封孔，并记录封孔开始和完成时间。每天按时测定各测试孔的压力变化，待压力稳定后，对预抽孔联网进行预抽，持续观测2～5 号孔瓦斯压力。

图1 1061 机抽巷钻孔布置示意图（m）

2.1 测试结果及分析

钻孔压力全部稳定后，对预抽孔联网24 h 实施不间断抽放，对四个压力考察孔进行了为期5 个月的瓦斯压力数据实测，得到瓦斯流量实测数据，绘得观测孔瓦斯压力变化曲线图，如图2。MPa，开始抽放后很长时间没有明显变化，直至1个月以后压力才出现衰减，然后趋于稳定，至考察结束压力稳定在0.55 MPa，降幅35.3%。因此判断3#考察孔在1#孔的影响半径内，未达到抽采有效半径指标，故认定3#孔不在抽采有效半径范围内。

图2 观测孔瓦斯压力变化曲线图

综上所述，本次对杨柳矿10 煤层穿层钻孔抽采半径钻孔测试结果如下：4#和5#测试孔在1#抽采孔的有效抽采半径范围内；3#孔在1#孔的抽采影响半径以内，不在有效抽采半径以内；2#孔不在抽采影响半径范围内。因此，抽采120 d 的有效抽采半径为4 m，抽采影响半径为6 m。各压力观测孔虽然起始压力值各不同，但是随着抽放时间的延续，瓦斯压力衰减趋势基本相同，也证明了测试前采用相对压力指标作为抽放有效半径指标的正确性。通过线性回归得到各曲线的趋势线，进而确定其压力变化的幅度，具体数值见表2。

表2 观测孔压力变化幅度

由图2 可知：

（1）2#考察孔由于出现钻孔涌水现象，大部分时间未测得压力，只在开始负压抽采后出现压力小幅攀升趋势，最后压力稳定在0.05 MPa。可以断定2#孔不在抽采影响半径范围内。

（2）4#考察孔在抽采前，瓦斯压力经过升高然后稳定在1.02 MPa，抽采后，压力开始不断下降，稳定一段时间后继续下降稳定。由初期稳定时的1.02 MPa 至后期稳定时的0.47 MPa，下降幅度达53.9%，由此判断，4#考察孔（2 m）在1#抽采孔的抽采影响半径内，也在1#孔的有效半径范围内。

（3）5#考察孔与4#孔的衰减趋势基本相同，由初期表压稳定时的1.05 MPa 至最终稳定时的0.51 MPa，下降幅度达51.4%，达到抽采影响半径指标规定的相对瓦斯压力在原基础上下降19%的要求，也达到了抽采有效半径指标规定的瓦斯压力下降51%的要求，故认定5#孔（4 m）在1#抽采孔的影响半径内，也在1#孔的有效半径范围内。

（4）3#考察孔抽放前瓦斯压力稳定在0.85

图3 为单孔瓦斯抽放参数变化曲线图。从中可以看出，抽放前钻孔混合流量与纯流量呈加速上升趋势，抽放初期，纯流量值达到最大，之后瓦斯浓度与纯流量开始缓慢下降，而后加速下降；在连续抽放43 d 后瓦斯抽放浓度低于20%，再次趋于稳定后不久开始缓慢下降；瓦斯抽放混合流量在抽采负压一定时，流量值逐渐升高而后变化不大。

图3 单孔瓦斯抽放参数变化曲线图

2.2 极限抽采时间

钻孔抽采过程中瓦斯流量的衰减规律呈负指数变化，将单孔瓦斯抽采量的实测结果换算为百米钻孔抽采量，并采用以下公式进行回归分析[10]：

式中：q0表示百米钻孔瓦斯初始抽采量，m3/（hm·min）；β表示抽采钻孔瓦斯涌出衰减系数；η表示预抽率，%；ρ表示煤体密度，t/m3。

预抽率、残余瓦斯压力与残余瓦斯含量的关系：

式中：η为瓦斯预抽率，%；Wc为残余瓦斯含量，m3/t；W为原始瓦斯含量，m3/t；α为煤层瓦斯含量系数，m3/（t·MPa1/2）；Pc为残余瓦斯压力，MPa；P为原始瓦斯压力，MPa。

随着时间的延续，抽采影响范围是逐渐扩大的，但存在一个极限，达到这个范围所用的时间即为极限抽采时间，计算公式如式（3）。钻孔抽采时间一般不大于极限抽采时间。

钻孔见煤长度为2.7 m，用百米钻孔瓦斯抽采量表示为：）

最大原始瓦斯压力P=1.5 MPa 代入公式（1），得出预抽率η=58.19%，再由公式（3）算得极限抽采时间为375 d。在试验地点测得煤体瓦斯含量W=8.7 m3/t，密度ρ=1.33 t/m3，按公式（1）分析预抽时间分别为50 d、100 d、150 d、200 d、250 d、300 d 和350 d 时，有效抽采半径见表3。

表3 不同抽采时间下的有效抽采半径

从图4 看出，抽采150 d 之前，抽采半径变化率较大，随着时间延长开始减缓，350 d 之后基本不再变化。根据现场考察结果，当抽采120 d 时，有效抽采半径为4 m，这与数值计算当抽采时间为150 d、有效抽采半径为3.96 m 的结果基本吻合，所以设计抽采200 d 时，抽采半径为4.32 m，即钻孔合理布置间距为8.64 m，可取间距8 m 布置钻孔。