鳳凰山煤礦16#煤層瓦斯抽采半徑考察

林海峰

(1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧省沈陽市，110016; 2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧省撫順市，113122)

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★ 煤礦安全 ★

鳳凰山煤礦16#煤層瓦斯抽采半徑考察

林海峰1,2

(1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧省沈陽市，110016; 2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧省撫順市，113122)

瓦斯抽采半徑的確定是制定防突措施的根本依據,合適的選取能充分利用鉆孔以提高礦井的瓦斯抽采率。本文利用相對瓦斯壓力指標來現場試驗測定鳳凰山煤礦16#煤層抽采瓦斯半徑，得出抽采時間為80 d時，抽采有效半徑為2.2 m，抽采影響半徑為3.2 m。

抽采半徑 相對壓力指標 順層鉆孔 極限抽采時間

衡量瓦斯抽采效果最關鍵的一個環節就是抽采鉆孔間距的確定。若是間排距過大，在煤層抽采區域中會產生空白區，不能起到預期的完全有效地抽采效果，極大地威脅生產安全；若是間排距過小，則會產生生產材料、人工的浪費。鉆孔抽采有效半徑的精準確定，對抽采鉆孔科學、合理的設計及施工技術尤為重要，還能節約額外的人工、材料成本，維護現場施工安全。

1 測定方法

現場打鉆測定法與軟件模擬是當今最為常用的確定鉆孔有效抽采半徑的方法，兩者也可結合綜合測定衡量。因此本文選擇鉆孔測定法及瓦斯壓力指標來實際考察鳳凰山煤礦16#煤層鉆孔抽采瓦斯的有效半徑。

1.1 相對壓力指標的測定依據

壓力指標法的測定是基于《煤礦安全規程》第一百九十條規定：預抽煤層瓦斯后，必須對預抽瓦斯防治突出效果進行檢驗，其檢驗的指標之一是煤層瓦斯預抽率大于30%(若是突出礦井要滿足瓦斯含量小于8 m3/t)，即要求抽采后的瓦斯含量低于抽采前的0.3倍以上。在實際中誤差在允許范圍之內，煤層瓦斯含量X與瓦斯壓力P形成下列拋物線相關：

(1)

式中：X——煤層瓦斯含量，m3/t；

α——煤層瓦斯含量系數，m3/(t·MPa0.5)；

P——煤層瓦斯壓力，MPa。

因此，抽采前后瓦斯含量降低的比例和瓦斯壓力降低的比例也存在拋物線關系。如果煤層預抽率為30%，即殘余瓦斯含量為原始瓦斯含量的70%。通過計算可知，此時殘余瓦斯壓力為原始瓦斯壓力的49%，瓦斯壓力下降量為51%。壓力指標法測定鉆孔的有效半徑就是依據這個標準來進行判定。

1.2 相對壓力指標法的施工步驟

在煤層間隔一定距離施工一組測壓孔，每個測壓孔均安裝上一塊壓力表，分別詳細記錄各測壓孔的原煤瓦斯壓力P1、P2、P3、P4……Pn；直到每個測壓孔表壓穩定不變時，補打煤層瓦斯預抽鉆孔，待預抽鉆孔施工完畢后，連接瓦斯抽采系統開始預抽，并定時觀測記錄好各測壓孔的壓力值，對比變化幅度，確定最終瓦斯壓力降至預抽前瓦斯壓力超過10%幅度的鉆孔即是抽采影響區域內的鉆孔，而離預抽鉆孔最遠的那個預抽影響區域內鉆孔至預抽鉆孔的距離即是抽采影響半徑。

基于各個測壓孔的原煤瓦斯壓力與預抽后的壓力，即能掌握各測壓孔的預抽率。若A號孔與A號孔之前的各測壓孔的瓦斯壓力下降幅度均不小于51%，而A號孔之后的測壓孔均小于51%，則A號孔與預抽鉆孔的間距即為預抽鉆孔的有效抽采半徑。

所以，衡量預抽鉆孔瓦斯抽采影響半徑標準是瓦斯壓力下降幅度超過10%；衡量預抽鉆孔有效抽采半徑標準是瓦斯壓力下降幅度超過51%。

2 考察方案設計

鳳凰山煤礦16#煤層1163工作面開采一采區+1512 m水平，埋深在100～128 m之間，走向長度為180 m，傾向長度為100 m，平均煤層厚度為2.0 m，頂板多為粉砂巖或細砂巖，底板為灰色泥巖。構造比較簡單，總體呈單斜構造，煤層傾角在2°～8°之間。

本次對鳳凰山煤礦16#煤層采用順層鉆孔測定抽采半徑，在1163運輸聯巷距進口端80 m處左幫中部沿巷道掘進方向布置一組考察鉆孔進行考察，其中，布置1個預抽孔，1#、2#、3#、4#、5#孔為測壓孔，依次布置在預抽孔兩側，距其孔間距分別為0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m，所有鉆孔開孔直徑均為75 mm，孔深為50 m，預抽孔封孔長度為8 m，測壓孔封孔長度為40 m，其鉆孔布置如圖1所示。

圖1 16#煤層抽采半徑考察鉆孔設計圖

圖2 各鉆孔壓力值隨抽采時間變化曲線

3 觀測結果分析

鳳凰山煤礦16#煤層抽采半徑現場工作于2016年1月1日施工完5個測壓鉆孔并進行觀測。截止到2016年1月14日各測壓鉆孔壓力值穩定7 d不變，1月15日施工預抽鉆孔并與抽采系統連接進行預抽。之后每日觀察壓力值變化情況，直至2016年2月25日觀測結束，共觀測42 d。通過對數據進行整理與分析，分別繪制了每個測壓鉆孔的壓力值變化曲線圖，如圖2所示。

由圖2可知，自預抽鉆孔進行預抽瓦斯后，1#、2#、3#、4#、5#鉆孔瓦斯壓力降至抽采影響線的時間分別為3 d、9 d、19 d、30 d、40 d，說明在預抽時間達到40 d時，所有鉆孔均在預抽影響范圍之內，此時對應的抽采影響半徑為2.5 m；自預抽鉆孔進行預抽瓦斯后，1#、2#、3#鉆孔瓦斯壓力降至抽采有效線的時間分別為8 d、19 d、39 d，說明在預抽時間達到39 d時，1#、2#、3#鉆孔均在預抽有效范圍之內，此時對應的抽采有效半徑為1.5 m，4#、5#鉆孔在預抽有效范圍之外。由于考察時間有限，不能完全考察出16#煤層抽采影響半徑與抽采有效半徑，這就需要引入極限抽采時間概念，進一步對抽采影響半徑與抽采時間、抽采有效半徑與抽采時間關系進行數值擬合及分析，從而確定出抽采影響半徑與抽采有效半徑的具體數值。

4 抽采有效半徑的確定

4.1 極限抽采時間

實際現場應用得出，鉆孔的有效抽采半徑由瓦斯壓力、煤層透氣性、抽采負壓及抽采時間等多種因素單一作用或綜合作用而決定的。

鉆孔抽采時間是基于采、掘接替所規定的預抽時間、規定的抽采率及煤層透氣性等多種因素綜合考察，而鉆孔的有效抽采時間應小于極限抽采時間Tj：

Qf——鉆孔累計抽采瓦斯量，m3；

Qi——瓦斯極限抽采量，m3；

Tj——極限抽采時間，d；

α——鉆孔瓦斯流量衰減系數，d-1。

(5)

根據現場測定，16#煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.0478 d-1，根據式(5)可得到16#煤層鉆孔極限抽采時間為63 d。

4.2 抽采有效半徑與抽采時間關系

一定埋藏條件下，鉆孔附近煤體透氣性變化和瓦斯預抽量呈線性關系，基于瓦斯流動理論，推算出有效抽采半徑和抽采時間呈冪函數關系。提取每個鉆孔瓦斯壓力數據進行數值擬合，每個鉆孔瓦斯壓力值至抽采有效線所需時間和此鉆孔與抽采鉆孔距離進行線性擬合，得到16#煤層的瓦斯抽采影響半徑與有效抽采半徑：

式中：Ry——抽采影響半徑，m；

Rc——有效抽采半徑，m；

t——抽采時間，d。

將不同的抽采時間帶入式(6)和式(7)，得到16#煤層理論狀態下抽采時間和抽采半徑關系，見表1。

表1 16#煤層抽采時間與抽采半徑關系表

4.3 抽采鉆孔有效抽采半徑確定

基于上述計算過程而確定鳳凰山煤礦16#煤層抽采63 d時，鉆孔有效抽采率已至95%。考慮煤礦采掘接續，將抽采時間80 d得到的抽采效果視作鳳凰山煤礦16#煤層瓦斯抽采半徑考察經濟點，與現場實際非常吻合。在目前具備的抽采條件(孔口抽采負壓>15 kPa)下，采用直徑為75 mm的鉆頭打鉆孔，抽采時間為80 d時，16#煤層的抽采有效半徑為2.2 m，抽采影響半徑為3.2 m。

5 結論

本文采用相對壓力指標法，通過理論分析與現場考察相結合的方法，通過引入極限抽采時間的概念，對鳳凰山煤礦16#煤層抽采影響半徑與抽采時間、抽采有效半徑與抽采時間關系進行擬合分析，進而得出鳳凰山煤礦16#煤層在目前具備的抽采條件(孔口抽采負壓>15 kPa)下，采用直徑為75 mm的鉆頭打鉆孔，抽采時間為80 d時，抽采有效半徑為2.2 m，抽采影響半徑為3.2 m。

[1] 呂貴春.可解吸瓦斯含量降低法在順層鉆孔瓦斯抽采半徑考察中的應用[J].礦業安全與環保, 2012(2)

[2] 唐兵,司春風,孟賢正.鉆孔瓦斯抽采半徑的確定方法及實踐[J].礦業安全與環保,2012(4)

[3] 劉華鋒,陳輝.順層鉆孔瓦斯抽采半徑確定及抽采效果考察研究[J].中國煤炭,2013(6)

(責任編輯 張艷華)

Investigation for gas drainage radius of No. 16 coal seam at Fenghuangshan Mine

Lin Haifeng1,2

(1. Shenyang Research Institute, China Coal Technology & Engineering Group, Shenyang, Liaoning 110016, China; 2. State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun, Liaoning 113122, China)

Determination of gas drainage radius was the fundamental basis of formulating gas outburst prevention measures, suitable choice of drainage radius could make the most of boreholes to improve gas drainage rate. This paper used relative gas pressure index to take in-situ test to measure drainage radius of No. 16 coal seam at Fenghuangshan Mine, the test results showed that effective drainage radius was 2.2 m and influenced radius was 3.2 m when drainage time was 80 days.

drainage radius, relative pressure index, drilling along level bed, limit drainage time

林海峰.鳳凰山煤礦16#煤層瓦斯抽采半徑考察[J].中國煤炭，2017，43(4)：137-139，144. Lin Haifeng. Investigation for gas drainage radius of No. 16 coal seam at Fenghuangshan Mine[J]. China Coal, 2017，43(4)：137-139，144.

TD712

A

林海峰(1986-)，男，遼寧阜新人，漢族，助理研究員，碩士，從事礦井瓦斯災害防治技術研究工作。