穿層鉆孔有效抽采半徑的確定

張永紅

摘 要：隨著采掘深度的增加，具有開采保護層條件的突出礦井越來越少，這就使得礦井突出危險日益嚴重。而煤礦瓦斯抽采是防治煤與瓦斯突出、降低礦井瓦斯涌出量和防止瓦斯爆炸的重要措施。衡量瓦斯抽采工作優劣的兩個主要指標是瓦斯抽采率和瓦斯抽采量。為了確定穿層鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯的合理參數，利用鉆孔瓦斯流量、殘余瓦斯含量等考察指標，以山西保安煤礦為試驗地點，經過現場考察以及對測定數據的分析，最終確定了該礦井15#煤層直徑為φ94 mm穿層抽采鉆孔的有效抽采半徑。

關鍵詞：穿層鉆孔 瓦斯含量 有效抽采半徑

中圖分類號：TD712 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（a）-0065-02

突出礦井目前在我國滿足開采保護層條件的只有1/3，而伴隨著不斷增加的采掘深度，具備這種開采保護層條件的突出礦井也隨之減少，這勢必加重礦井突出危險。而煤礦瓦斯抽采是防止瓦斯爆炸、降低礦井瓦斯涌出量、防治煤與瓦斯突出的重要措施，瓦斯抽采量和瓦斯抽采率是針對瓦斯抽采工作優劣的主要衡量標準，盡可能的在抽采礦井中設法都抽瓦斯是提升瓦斯抽采效果的主要途徑，于此同時，在提高煤層透氣性上加強研究，不斷改進和提高抽采工藝、系統和設備。還有一個影響瓦斯抽采效果好壞的重要因素：預抽鉆孔的合理參數，過大的鉆孔間距會造成抽采范圍內的抽采盲區；過小的鉆孔間距會導致物力和人力的浪費。所以，瓦斯抽采鉆孔的布置應以鉆孔的有效抽采半徑為依據，比較準確地確定該參數，對防治瓦斯突出具有十分重要的意義。

1 試驗條件及原理

1.1 試驗條件

為了保證穿層鉆孔瓦斯有效抽采半徑測定結果的科學性、可靠性，試驗區域的選擇應滿足以下條件。

（1）必須選擇未進行過瓦斯抽采的原始煤層；

（2）必須保證在整個測試過程中試驗區域不受采動影響；

（3）方便接入抽采系統，并可獨立測定抽采量等參數。

1.2 試驗原理

對突出煤層來說，有效抽采半徑是指鉆孔抽采一定時間后能消除突出的范圍，這個范圍用以鉆孔為中心的半徑來表示。因此，在一定抽采條件下，有效抽采半徑由預抽瓦斯有效性指標和預抽時間決定。利用穿層鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯就是在巖巷內向煤層打穿透全煤厚的鉆孔，利用瓦斯抽采泵的抽采壓力，使游離瓦斯抽出、被吸附瓦斯解析，從而使煤體中的瓦斯含量降到有效性指標以下，達到煤層消除突出危險的目的。

2 現場試驗考察

2.1 鉆孔布置、封孔及試驗參數

穿層鉆孔預抽煤層瓦斯的效果受很多因素的影響，主要影響因素有：抽采負壓、煤孔長度、封孔質量、鉆孔間距、抽采時間、鉆孔直徑等。

2.1.1鉆孔直徑

隨著鉆孔直徑的增加，煤孔壁暴露面積增大，煤體內卸壓范圍增大，有利于煤層中瓦斯的解吸，提高單孔瓦斯的抽采量。但隨著鉆孔直徑的增大，容易發生卡鉆、塌孔、噴孔、排渣困難，嚴重影響鉆進效率，降低了成孔率。根據生產經驗及試驗礦區條件，本次試驗選擇抽采鉆孔直徑為φ94 mm。

2.1.2 抽采負壓

當煤體受到抽采，瓦斯釋放后，煤體發生收縮變形，如果煤的物理機械性質各向不同，則在收縮過程中，會導致煤體裂隙網絡的擴展，這樣可以增加煤的透氣性，從而可以提高煤層瓦斯的抽采效果。但一味的提高抽采負壓對增加瓦斯抽出量的作用卻不是非常明顯，雖然在短時間內會呈現隨著負壓的增高，抽出量增加的趨勢，但隨著時間的延長，其作用逐漸減弱或消失。同時，鉆孔瓦斯抽采過程中，由于受到管路和鉆孔密封性的影響，如果負壓提高得過大會增加空氣的漏入，造成抽采的瓦斯濃度減少，而且礦井的瓦斯抽采泵提高抽采負壓也有一定的限度。因此，本次試驗抽采負壓選定為13～18 Kpa。

2.1.3封孔質量

封孔質量的好壞直接關系到瓦斯的抽采濃度、抽采量，是影響抽采效果的重要因素之一。提高封孔質量關鍵在于封孔方法的選擇和適當增加封孔深度。封孔材料可以采用黃泥、水泥砂漿、聚氨酯等，可以采用機械注漿封孔，也可采用人工封孔，同時為了保證封孔效果，封孔長度應大于巷道卸壓帶寬度。本次試驗選擇聚氨酯加水泥砂漿封孔，封孔長度大于12 m。

2.2 試驗鉆孔施工

根據試驗條件并結合礦井實際生產接替情況，試驗地點選在本礦井新布置的15107底板抽采巷。在底板抽采巷的三個鉆場（10～12號鉆場）分別布置三組穿層鉆孔，三組穿層鉆孔的孔底間距分別為7 m、6 m、5 m。按照《防治煤與瓦斯突出規定》，三組鉆孔的控制范圍均為巷道兩側輪廓線外15 m。鉆孔布置圖見圖1。

鉆孔施工完畢后記錄終孔時間，封孔完畢，立即接入管路進行條帶預抽，通過安裝在抽采支管路上的孔板流量計，對瓦斯抽采流量進行測定，以便對該區域的瓦斯抽采量進行考察，從而對抽采效果進行評價。

3 抽采量考察及數據分析

考察鉆孔于2014年2月開始施工，于2014年5月施工完畢。三組考察鉆孔的階段預抽量見表1。經過為期2～4個月的預抽，對三組試驗區域的殘余瓦斯含量進行了測定，三組試驗區域殘余瓦斯含量情況見圖2。

3.1 預抽期間抽采流量變化規律的分析

合理預抽時間，是合理安排生產計劃，正確預計鉆孔預抽瓦斯有效程度，經濟有效地進行預抽的重要參數。只有掌握預抽期間鉆場鉆孔抽采流量的變化規律，才能確定合理的抽采時間。

從區域單孔平均流量隨時間變化來看，其回歸關系基本符合負指數衰減規律，即關系式：

式中：為抽采時間，d；

為衰減系數，d-1；

為抽采時間為時的流量，m3/min；

為初始瓦斯涌出強度，m3/min。

因此可知：1號鉆場單孔平均初始流量為0.0329 m3/min，衰減系數為0.0112 d-1，其區域單孔回歸關系式為

；2號鉆場單孔平均初始流量為0.0344 m3/min，衰減系數為0.0199d-1，其區域單孔回歸關系式為；3號鉆場單孔平均初始流量為0.0386 m3/min，衰減系數為0.0209d-1，其區域單孔回歸關系式為。

3.2 預抽期間各鉆場抽采效果考察

試驗區域經過2～4個月的底板穿層鉆孔預抽，是否消除了該區域的突出危險性需要經過檢驗。檢驗指標主要采用煤層殘余瓦斯含量及在施工檢驗孔時所發生的噴孔、頂鉆及其他突出明顯突出預兆等。各鉆場殘余瓦斯含量隨時間變化曲線如圖2。

從表2可以看出，試驗區域經過3～4個月的底板穿層鉆孔的預抽，各試驗鉆場所控制范圍內的殘余瓦斯含量在掘進之前均低于8 m3/t。均達到《防治煤與瓦斯突出規定》第五十三條：“煤層殘余瓦斯壓力小于0.74MPa或殘余瓦斯含量小于8 m3/t的預抽區域為無突出危險區”的要求。

4 結語

根據《防治煤與瓦斯突出規定》的要求以及穿層鉆孔合理參數考察的目的，按照煤層殘余瓦斯含量降到8 m3/t以下作為消突指標，根據監測數據以及煤層殘余瓦斯含量與時間的關系可以得出：鉆孔直徑為Φ94 mm，孔口平均負壓為13～16 KPa，抽放時間不小于140 d時，底板穿層鉆孔孔底間距布置為7×7 m；鉆孔直徑為Φ94 mm，孔口平均負壓為13～16 KPa，抽放時間不小于100d時，底板穿層鉆孔孔底間距布置為6×6 m；鉆孔直徑為Φ94 mm，孔口平均負壓為13～16 KPa，抽放時間不小于80 d時，底板穿層鉆孔孔底間距布置為5×5 m。