基于鉆孔影響半徑的保護(hù)層卸壓效果考察

曹召丹 林柏泉 趙世偉 劉非非 郝志勇

（1.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221008；2.煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221008；3.鄭州廣賢工貿(mào)有限公司，河南省鄭州市，450000）

基于鉆孔影響半徑的保護(hù)層卸壓效果考察

曹召丹1，2林柏泉1，2趙世偉3劉非非1，2郝志勇1，2

（1.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221008；2.煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221008；3.鄭州廣賢工貿(mào)有限公司，河南省鄭州市，450000）

我國95%以上的高瓦斯和突出礦井所開采的煤層屬于低透氣性煤層，煤層透氣性系數(shù)只有10－3～10－4mD，未卸壓瓦斯抽采難度非常大。保護(hù)層開采破壞了原巖應(yīng)力平衡，地應(yīng)力重新分布，煤層與巖體發(fā)生卸壓、膨脹，并產(chǎn)生大小不同的裂縫，增大了透氣性系數(shù)，可以提高抽采效率。采用壓降法測(cè)定鉆孔抽放影響半徑，并對(duì)保護(hù)層開采的卸壓增透效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析得出，在未卸壓區(qū)域鉆場(chǎng)抽放影響半徑是單孔抽放影響半徑的1.85倍，單純的增加鉆孔數(shù)量對(duì)抽放效率的提高有限；保護(hù)層開采將鉆場(chǎng)有效影響半徑由卸壓前的3.7m提高到卸壓后的5m，卸壓增透效果明顯。

鉆孔影響半徑 壓降法 保護(hù)層開采 抽放瓦斯 卸壓增透

近年來，隨著煤礦開采深度的增大和開采強(qiáng)度的提高，地應(yīng)力增大，煤層透氣性降低，瓦斯含量、瓦斯壓力和礦井瓦斯涌出量增大，高瓦斯低透氣性煤層瓦斯高效抽放已成為煤炭科學(xué)研究中一個(gè)重要研究課題。

為了提高瓦斯的抽放效果，采取增加鉆孔密度、保證鉆孔有效長度、適當(dāng)加大鉆孔直徑和提高抽放負(fù)壓等措施可以取得一定的效果，但由于采取這些措施后仍是在煤層原始透氣性不變的情況下進(jìn)行瓦斯抽放，所以效果有限。

提高抽放效果的根本途徑在于增大煤層透氣性，即進(jìn)行卸壓抽放。煤層卸壓抽放分為層外卸壓法和層內(nèi)卸壓法，層外卸壓法即保護(hù)層開采的卸壓抽放，先開采一層煤造成大面積的巖層移動(dòng)卸壓。鄰近層受采動(dòng)影響，上覆巖層的壓力得以卸除，使其變形、破壞，產(chǎn)生離層裂隙、垂向破斷裂隙，透氣性成若干個(gè)數(shù)量級(jí)地增加，給瓦斯解吸及流動(dòng)創(chuàng)造良好的條件。目前對(duì)保護(hù)層開采后被保護(hù)層卸壓效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)較多，通常采用瓦斯壓力、瓦斯含量、煤層透氣性系數(shù)及煤層頂?shù)装逑鄬?duì)變形等現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定指標(biāo)，也可以從煤體力學(xué)特性、煤層瓦斯特性和煤層開采動(dòng)力特性3方面進(jìn)行綜合分析。鉆孔有效影響半徑反映了鉆孔周圍裂隙場(chǎng)的分布、瓦斯流動(dòng)場(chǎng)的分布及煤層透氣性大小，因此，鉆孔有效影響半徑能夠作為保護(hù)層卸壓效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。本文采用壓降法通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)鉆孔有效影響半徑，對(duì)保護(hù)層開采的卸壓增透效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 礦井概況

本研究所討論礦井屬于華北板塊嵩箕構(gòu)造區(qū)，地層走向呈東西向，傾向北，傾角26～35°，為單斜構(gòu)造，僅在井田西北部、東南邊界發(fā)育一組北東向斷裂構(gòu)造，表現(xiàn)為高角度逆斷層和正斷層。礦井含煤地層總厚約650m，共含煤9組計(jì)31層，煤層總厚平均值14.64m，含煤系數(shù)為2.25%，主采二1煤層兼采一3煤層。

據(jù)《煤與瓦斯突出礦井鑒定規(guī)范》，采用突出危險(xiǎn)性指標(biāo)判定，二1煤層為突出煤層，一3煤層為無突出危險(xiǎn)煤層，在開采過程中，一3煤層作為二1煤層的保護(hù)層開采。在±0抽放巷以上二1煤層瓦斯受一3煤層保護(hù)層開采的卸壓影響，屬于保護(hù)層開采的卸壓范圍。－70抽放巷以上二1煤層未受一3煤層開采卸壓影響，打穿層鉆孔預(yù)抽二1煤層瓦斯，為未卸壓區(qū)進(jìn)行瓦斯抽放。

2 壓降法測(cè)定鉆場(chǎng)有效影響半徑原理

2.1 鉆孔周圍瓦斯流動(dòng)理論

鉆孔在預(yù)抽煤層瓦斯時(shí)，在煤層瓦斯壓力和孔底負(fù)壓的共同作用下，鉆孔周圍煤體的瓦斯不斷進(jìn)入鉆孔被抽走，形成以鉆孔中線為軸心的類圓形抽放影響圈，抽放影響圈的半徑稱之為抽放影響半徑。瓦斯在煤體中的運(yùn)移是一個(gè)擴(kuò)散滲透的過程，其中）在裂隙中的流動(dòng)基本上服從達(dá)西（Darcy）定律，因此，鉆孔周圍煤體中瓦斯流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型應(yīng)是以費(fèi)克（Fick）擴(kuò)散定律和達(dá)西（Darcy）定律為基礎(chǔ)導(dǎo)出的聯(lián)立方程。根據(jù)煤層流動(dòng)理論及抽采瓦斯實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，穿層鉆孔周圍的瓦斯流動(dòng)表達(dá)式為：

（1）當(dāng)流場(chǎng)為徑向穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)：

（2）當(dāng)流場(chǎng)為非穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，經(jīng)驗(yàn)公式一般為：

式中：q——在t時(shí)的鉆孔瓦斯涌出量，m3／min；

Q——在t時(shí)間內(nèi)，鉆孔瓦斯涌出總量，m3；

t——鉆孔內(nèi)瓦斯流動(dòng)時(shí)間，min；

λ——煤層透氣性系數(shù)，m2／（MPa·d）；

p0——煤層原始瓦斯壓力，MPa；

pr0——鉆孔內(nèi)瓦斯壓力，MPa；

pstd——標(biāo)準(zhǔn)狀況下的大氣壓，取0.1 MPa；

R——鉆孔瓦斯流動(dòng)場(chǎng)的影響半徑，m；r0——鉆孔半徑，m；

m——煤層厚度，或鉆孔穿煤長度，m；

a——鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)，與煤層透氣性系數(shù)及瓦斯供給源范圍有關(guān)，1／d。

絕大多數(shù)煤層的瓦斯流動(dòng)性質(zhì)都是非穩(wěn)定流動(dòng)，隨著流動(dòng)時(shí)間的增長，鉆孔的瓦斯涌出強(qiáng)度、瓦斯流量迅速衰減；只有在煤層透氣性系數(shù)很大時(shí)，瓦斯的補(bǔ)給來源豐富，其鉆孔瓦斯流動(dòng)在某一段時(shí)間內(nèi)才可以近似認(rèn)為是穩(wěn)定流動(dòng)的。鉆孔瓦斯流動(dòng)場(chǎng)影響半徑反映了鉆場(chǎng)周圍裂隙場(chǎng)的分布范圍大小，及鉆孔周圍煤層透氣性系數(shù)大小，影響鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)，因此，鉆孔瓦斯流動(dòng)場(chǎng)影響半徑不僅是提高鉆孔瓦斯抽放量的重要影響因素，也可作為保護(hù)層開采卸壓效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.2 壓降法原理

已有研究表明，在利用穿層鉆孔預(yù)抽本煤層瓦斯時(shí)，鉆孔布置的合理性及預(yù)抽時(shí)間長短主要取決于鉆孔抽放瓦斯的有效影響范圍，因此，確定鉆孔有效抽放半徑具有重要意義。在不同的煤層條件，抽放有效影響范圍不同，但共有的規(guī)律是，隨著鉆孔抽放時(shí)間的延長，可逐漸擴(kuò)大有效影響范圍，但到一定距離后將不再擴(kuò)大。本次測(cè)試在足夠的抽放時(shí)間條件下，使鉆孔有效影響范圍達(dá)到最大，采用壓降法測(cè)定最大鉆孔影響半徑作為保護(hù)層開采卸壓效果評(píng)價(jià)指標(biāo)。鉆孔抽放影響圈內(nèi)煤體瓦斯壓力會(huì)不斷降低，在抽放鉆孔周邊不同距離地點(diǎn)布置測(cè)壓鉆孔，測(cè)定煤體內(nèi)不同距離點(diǎn)內(nèi)抽放前后瓦斯壓力的變化，確定鉆孔影響半徑。測(cè)試鉆場(chǎng)有效影響半徑示意圖見圖1。

圖1 測(cè)試鉆場(chǎng)有效影響半徑示意圖

（1）向煤層打一排測(cè)壓孔，如圖1所示，2、3、4……n均為測(cè)壓孔，d2、d3……dn為相鄰測(cè)壓孔之間的距離。在每個(gè)測(cè)壓孔裝上壓力表，封閉鉆孔與外界的聯(lián)系，利用煤層中瓦斯的自然滲透原理測(cè)定揭露煤層處每個(gè)測(cè)壓孔達(dá)到平衡的瓦斯壓力；

（2）在2號(hào)孔左側(cè)布置抽放鉆場(chǎng)，當(dāng)抽放足夠長時(shí)間后，觀測(cè)測(cè)壓孔瓦斯壓力；

（3）如果第i號(hào)孔以及它之前的每個(gè)測(cè)壓孔的瓦斯壓力下降量都大于或等于51%，而第i號(hào)孔之后的測(cè)壓孔瓦斯壓力下降都小于51%，那么d＝d1＋d2＋d3＋……＋d（i－1），這里的d就是鉆場(chǎng)的有效抽放影響半徑。

為了準(zhǔn)確測(cè)定煤層瓦斯壓力，需要調(diào)高封孔質(zhì)量，本次鉆孔影響半徑測(cè)試采用膠囊－膨脹水泥－聚氨酯封孔的綜合測(cè)壓法直接測(cè)壓，為了防止水泥凝結(jié)慢而收縮，在實(shí)際應(yīng)用中，在封孔的水泥砂漿中添加了少量膨脹劑、速凝劑等水泥添加劑，以改善封孔材料本身的致密性，提高密封效果。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

3.1 未卸壓區(qū)抽放影響半徑考察

3.1.1 鉆孔布置及壓力測(cè)定

在－70抽放巷中向未受保護(hù)層開采卸壓影響的二1煤層施工穿層鉆孔預(yù)抽二1煤層瓦斯，本次測(cè)試選取在25軌道巷以東約600m處布置抽放鉆場(chǎng)，在抽放鉆場(chǎng)內(nèi)向二1煤層布置10個(gè)抽放孔，鉆場(chǎng)布置如圖2所示。，孔徑為75mm的壓力觀測(cè)孔，并要求第一個(gè)觀測(cè)孔距抽放鉆場(chǎng)也是1.5m，鉆孔布置平面圖如圖3所示。各鉆孔布置參數(shù)及抽放前后測(cè)壓結(jié)果如表1所示。

3.1.2 結(jié)果分析

在抽放鉆場(chǎng)抽放瓦斯之前，各觀測(cè)孔在封孔完畢、壓力穩(wěn)定后，最大值達(dá)到了0.90MPa，出現(xiàn)在第10＃孔，此外，1?！?＃各個(gè)孔瓦斯壓力也均達(dá)到一穩(wěn)定值，為抽放影響半徑測(cè)試提供了支撐。據(jù)表1數(shù)據(jù)繪制抽放前后各觀測(cè)孔瓦斯壓力變化曲線，見圖4。對(duì)測(cè)試結(jié)果分析如下：

圖4 瓦斯壓力變化曲線圖

（1）在－70抽放巷，選擇10＃測(cè)試孔兼作單孔抽放孔。待抽放鉆場(chǎng)抽放后，由于10＃孔受抽放鉆場(chǎng)抽放影響較小，把10?？仔冻藟毫Ρ恚尫帕丝桌锩娴耐咚?，使其完全卸壓，使10?？壮蔀閱慰壮榉?，此時(shí)9＃孔壓力從0.88MPa降到了0.18 MPa，下降了79.5%，而8＃孔壓力從0.85MPa變化到0.8MPa，僅下降了5.8%，因此8?？自谝呀?jīng)處于10?？讍慰壮榉庞绊懛秶酝?，因此確定單孔抽放影響半徑為2m。

表1 －70抽放巷測(cè)壓鉆孔參數(shù)表

（2）經(jīng)過4個(gè)月的抽放后，抽放鉆場(chǎng)中1?？淄咚箟毫?.74MPa降到了0.36MPa，下降了51.3%；2?？淄咚箟毫?.65MPa下降到了0.31MPa，下降了52.3%；距離更遠(yuǎn)的3＃、4＃孔瓦斯壓力下降不大，分別從0.32MPa下降到0.30MPa，0.36MPa下降到0.32MPa，遠(yuǎn)小于51%的下降率，受抽放影響效果不明顯。因此確定－70抽放巷的鉆場(chǎng)抽放影響半徑為3.7m。

經(jīng)以上分析可知，鉆孔單孔抽放影響半徑為2m，而抽放鉆場(chǎng)抽放影響半徑為3.7m，因此增加同一鉆場(chǎng)內(nèi)的抽放鉆孔數(shù)目能提高抽放半徑1.85倍，相對(duì)提高了抽放半徑延伸范圍。說明在難抽放的原始煤層中如果單純實(shí)施穿層預(yù)抽，抽放影響范圍有限，必須大量實(shí)施密集鉆場(chǎng)，工程量較大，因此對(duì)原始低透氣性煤層采取卸壓增透措施非常有必要。

3.2 卸壓區(qū)抽放影響半徑考察

3.2.1 鉆孔布置及壓力測(cè)定

在±0抽放巷向受保護(hù)層開采卸壓影響范圍內(nèi)的二1煤層施工穿層鉆孔預(yù)抽二1煤層瓦斯，本次測(cè)試選取在±0抽放巷25軌道巷以西300m處布置抽放鉆場(chǎng)，抽放鉆場(chǎng)內(nèi)向二1煤層布置10個(gè)抽放孔，鉆場(chǎng)布置如圖5所示。

在抽放鉆場(chǎng)西部連續(xù)布置5個(gè)間隔為2m，孔徑為75mm的壓力觀測(cè)孔，并要求第一個(gè)觀測(cè)孔距抽放鉆場(chǎng)也是2m，鉆孔布置平面圖如圖6所示。各鉆孔布置參數(shù)及抽放前后測(cè)壓結(jié)果見表2。

表2 ±0抽放巷測(cè)壓鉆孔參數(shù)及測(cè)壓結(jié)果表

3.2.2 結(jié)果分析

由表2數(shù)據(jù)分析可知，由于±0抽放巷處于一3煤層采動(dòng)影響保護(hù)區(qū)域，頂板破碎比較明顯，卸壓比較充分，因此，測(cè)試的壓力數(shù)據(jù)大多比較小，最大值為0.43MPa，出現(xiàn)在4號(hào)孔，各測(cè)試孔均有壓力，讀數(shù)明顯，為抽放影響半徑的考察提供了支撐。根據(jù)表2測(cè)壓數(shù)據(jù)繪制抽放前后各觀測(cè)孔瓦斯壓力變化曲線圖，如圖7所示，測(cè)試結(jié)果分析如下：

（1）±0抽放巷僅布置了5個(gè)壓力觀測(cè)孔，并將觀測(cè)孔之間距離增大到2m，主要是由于±0抽放巷已經(jīng)處于一3煤層采動(dòng)影響范圍內(nèi)；從各個(gè)測(cè)壓孔觀測(cè)數(shù)據(jù)可知，瓦斯壓力已經(jīng)遠(yuǎn)低于二1煤層±0m標(biāo)高未受保護(hù)層卸壓影響區(qū)的最大瓦斯壓力值2.0 MPa，卸壓明顯。

（2）根據(jù)表2數(shù)據(jù)分析，抽放鉆場(chǎng)抽放瓦斯后，1＃孔瓦斯壓力從0.42MPa下降到0.12MPa，下降率達(dá)71.4%；2?？淄咚箟毫?.4MPa下降到0.19 MPa，下降率為52.5%，抽放影響效果明顯；3＃孔瓦斯壓力從0.12MPa下降到0.1MPa；4?？淄咚箟毫?.43MPa下降到0.4MPa，遠(yuǎn)小于51%的下降率，受鉆場(chǎng)抽放影響效果不明顯，已經(jīng)處于抽放影響半徑以外。因此確定±0抽放巷的鉆場(chǎng)抽放影響半徑為5m。

圖7 瓦斯壓力變化曲線圖

4 結(jié)論

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》第四十六條規(guī)定：“在突出礦井開采煤層群時(shí)，如在有效保護(hù)垂距內(nèi)存在厚度0.5m及以上的無突出危險(xiǎn)煤層，首先開采保護(hù)層”。根據(jù)新豐煤礦煤層賦存條件確定一3煤層作為二1煤層的保護(hù)層開采，本文通過壓降法現(xiàn)場(chǎng)布置抽放鉆場(chǎng)及壓力觀測(cè)孔測(cè)定鉆場(chǎng)有效影響半徑，評(píng)價(jià)保護(hù)層開采卸壓效果，結(jié)論如下：

（1）鉆孔單孔抽放影響半徑為2m，抽放鉆場(chǎng)抽放影響半徑為3.7m，因此，增加同一鉆場(chǎng)內(nèi)的抽放鉆孔數(shù)目能提高抽放影響半徑達(dá)１.８５倍，相對(duì)來說提高了抽放半徑延伸范圍，說明在難抽放原始煤層中單純?cè)黾映榉陪@孔數(shù)量，對(duì)提高預(yù)抽鉆場(chǎng)抽放效果作用有限，而且大量實(shí)施密集鉆場(chǎng)，工程量較大，因此對(duì)原始低透氣性煤層采取卸壓增透措施非常有必要。

（2）±0抽放巷抽放鉆場(chǎng)影響半徑為5m，遠(yuǎn)高于－70m抽放巷鉆場(chǎng)抽放影響半徑3.7m，說明保護(hù)層開采提高了預(yù)抽鉆場(chǎng)抽放有效影響半徑，提高了煤層透氣性系數(shù)并卸除煤層原始瓦斯壓力，因此，對(duì)于難抽放煤層實(shí)施開采保護(hù)層的卸壓增透措施卸壓效果明顯。

（3）保護(hù)層開采作為層外卸壓措施，能夠提高預(yù)抽鉆場(chǎng)瓦斯抽放量，并降低鉆場(chǎng)的工程量，但是，對(duì)于高瓦斯低透氣性煤層往往仍達(dá)不到要求的抽放效果，需要采取各種手段（如煤層水力壓裂、水力割縫、控制預(yù)裂爆破等），人為強(qiáng)迫溝通煤層內(nèi)的原有裂隙網(wǎng)絡(luò)或產(chǎn)生新的裂隙網(wǎng)絡(luò)，使煤體透氣性增加，提高瓦斯抽放量，達(dá)到要求的抽放效果。

［1］ 胡殿明，林柏泉.煤層瓦斯賦存規(guī)律及防治技術(shù)［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2006

［2］ 王志亮等.保護(hù)層開采效果測(cè)評(píng)指標(biāo)及應(yīng)用研究［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2011（10）

［3］ 俞啟香.煤礦瓦斯防治［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1992

［4］ 寧俊，林柏泉，張志雨等.近距離煤層煤巷掘進(jìn)底板防突巖柱厚度數(shù)值分析［J］.中國煤炭，2011（5）

［5］ 林柏泉，張仁貴.鉆孔周圍煤體中瓦斯流動(dòng)的理論分析［J］.煤炭工程師，1996（3）

［6］ 王強(qiáng).煤礦瓦斯抽放規(guī)范、瓦斯利用及瓦斯災(zāi)害防治綜合治理技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2007

［7］ 林柏泉，張建國.礦井瓦斯抽放理論與技術(shù)（第2版）［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2007

［8］ 曹新奇等.瓦斯抽放鉆孔有效抽放半徑的測(cè)定［J］.煤炭工程，2009（9）

Analysis on pressure relief by protective layer mining based on borehole＇s influencing radius

Cao Zhaodan1，2，Lin Boquan1，2，Zhao Shiwei3，Liu Feifei1，2，Hao Zhiyong1，2
（1.Faculty of Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；3.Zhengzhou Guangxian Industrial and Trading Company Ltd.，Zhengzhou，Henan 450000，China）

The coal seams in more than 95%of coal mines with high－gas and gas outburst in our country are of low permeability.Low permeability coefficient in the range of 10－3mD to 10－4mD makes gas drainage difficult without pressure relief.The balance of original rock stress broken by protective layer mining leads to terra stress redistribution，pressure relief and expansion of coal seams and rock mass，so the formed cracks in different sizes increase the permeability coefficient so as to improve the gas drainage efficiency.The influencing radius of boreholes was measured by pressure dropping method.Moreover，in the region without pressure relief，the drainage radius is 1.85times of that for solo borehole，indicating limited enhancement of gas drainage efficiency by increasing borehole numbers.The effective gas drainage radius was increased from 3.7 m to 5mbefore and after pressure relief via protective layer mining，with obvious enhancement of gas permeability.

influencing radius around borehole，pressure dropping method，protective layer mining，gas drainage，pressure relief to enhance permeability

TD712.6

A

曹召丹（1989－），男，山東巨野人，中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院安全技術(shù)及工程碩士研究生，現(xiàn)主要從事礦井瓦斯防治等方面的研究工作。

（責(zé)任編輯 梁子榮）