基于臨界殘余瓦斯含量的抽采半徑確定方法

劉 興

(陽泉市上社煤炭有限責任公司，山西市陽泉市，045200)

預抽煤層瓦斯和開采保護層是區(qū)域防突措施兩種方式，到目前為止，開采保護層是更有效的區(qū)域防突措施，然而并不是所有的突出煤層都具有開采保護層的條件。在沒有保護層開采條件的突出煤層，預抽煤層瓦斯是防治煤與瓦斯突出的一種優(yōu)選方式。

瓦斯抽采半徑作為預抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施關(guān)鍵參數(shù)之一，直接影響到了預抽鉆孔的布孔間距，在預抽時間一定的條件下，抽采半徑大的突出煤層，鉆孔間距就大；反之，間距就小。抽采半徑和抽采鉆孔間距直接關(guān)系到抽采鉆孔工程量、防突效果和經(jīng)濟成本。因此，對突出礦井而言，確定科學、合理的瓦斯抽采半徑具有重要的意義。

1 抽采半徑確定原則

抽采半徑的考察確定方法主要有鉆孔瓦斯流量法、瓦斯含量降低法、瓦斯壓力降低法和數(shù)據(jù)模擬法4種。

抽采半徑是指采取預抽煤層瓦斯防突措施后在規(guī)定的時間內(nèi)，煤層中發(fā)生突出的因素值降低到臨界數(shù)值以下的范圍。也就是說，煤層瓦斯經(jīng)過按抽采半徑設計的鉆孔預抽一定時間后，以抽采鉆孔為中心，以鉆孔間距的二分之一(抽采半徑)為半徑的區(qū)域內(nèi)煤層的殘余瓦斯壓力降到0.74 MPa或殘余瓦斯含量降到8 m3/t以下。

對同一地質(zhì)條件下同一煤層而言，抽采半徑和抽采時間是一一對應的兩組數(shù)據(jù)，可根據(jù)現(xiàn)場考察出的數(shù)據(jù)擬合成抽采半徑和抽采時間的函數(shù)關(guān)系式，然后根據(jù)函數(shù)關(guān)系式并結(jié)合礦井實際抽采時間計算出需要的抽采半徑。以兩倍的抽采半徑的數(shù)值作為抽采鉆孔的間距施工抽采鉆孔，通過殘余瓦斯含量以及回采期間的工作面預測的方式檢驗抽采半徑的合理性。

考慮到瓦斯壓力測定比較復雜，且易受地質(zhì)構(gòu)造、封孔質(zhì)量等因素影響，本文選取瓦斯含量降低法進行抽采半徑考察。

2 現(xiàn)場考察

2.1 工作面概況

上社煤礦位于山西省陽泉市盂縣境內(nèi)，隸屬于晉能集團。礦井井田面積12.464 km2，屬煤與瓦斯突出礦井, 設計生產(chǎn)能力為240 萬t/a 。主要開采9#和15#煤層，其中15#煤層是突出煤層。試驗地點選擇在15104工作面，其上部15103工作面已采，下部為15105工作面未采。15#煤層傾角3°～5°，煤層厚度5.4 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，瓦斯含量為12.91 m3/t。15104工作面走向長度960 m，傾斜長度200 m，綜合機械化采煤，一次采全高。

2.2 現(xiàn)場考察實施方案

在15104進風巷選取煤層賦存較穩(wěn)定的區(qū)域施工5組鉆孔，編號為1組、2組、3組、4組、5組，每組施工10個鉆孔，鉆孔長度為110 m，孔徑110 mm，為保證每組鉆孔的測定數(shù)據(jù)獨立、可靠，每相鄰兩組鉆孔孔間距為50 m。1～5組組內(nèi)鉆孔的間距分別是2 m、3 m、4 m、5 m、6 m，對應的抽采半徑分別是1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m。根據(jù)上社煤礦的經(jīng)驗，其巷道瓦斯預排等值寬度為15 m，因此，為保證抽采效果，封孔長度為16 m，采用兩堵一注封孔方式，抽采半徑考察鉆孔布置如圖1所示。抽采鉆孔施工時，每30 m測定1次瓦斯含量，選取最大的含量值作為組內(nèi)瓦斯含量，記錄如表1所示。

圖1 抽采半徑考察鉆孔布置示意圖

組別孔號鉆孔間距/m抽采半徑/m鉆孔傾角/(°)鉆孔長度/m原始瓦斯含量/m3·t-111-1021411010.98211-2031.5411012.15321-3042411011.34431-4052.5411012.30541-5063411011.56

3 抽采半徑確定及驗證

3.1 抽采半徑確定

抽采一定時間后，首先根據(jù)瓦斯抽采量計算殘余瓦斯含量：

(1)

式中：WCY——煤的殘余瓦斯含量，m3/t；

W0——煤的原始瓦斯含量，m3/t；

Q——評價單元鉆孔預抽排放瓦斯總量，m3；

G——評價單元參與計算煤量，t。

經(jīng)計算，殘余瓦斯含量降到8 m3/t以下后，再分別采用瓦斯含量直接測定方法測定殘余瓦斯含量進行預抽防突效果檢驗，1～4組鉆孔范圍內(nèi)分別施工2個測試鉆孔，在第5組施工3個測試鉆孔，孔深80 m，每個測試孔測定瓦斯含量4次，同一孔中選取最大的含量數(shù)據(jù)作為該孔的瓦斯含量，每組選取組內(nèi)所有孔的最大瓦斯含量作為該組的瓦斯含量(如果實測的瓦斯含量仍大于8 m3/t，繼續(xù)抽采直到實測的殘余瓦斯含量降至8 m3/t以下)，得到一定抽采時間后對應的殘余瓦斯含量情況如表2所示。

表2 抽采一定時間后殘余瓦斯含量測定結(jié)果

由表2可以看出，1～5組分別經(jīng)過16 d、41 d、89 d、179 d、378 d抽采后，瓦斯含量降為7.12 m3/t、7.58 m3/t、7.69 m3/t、7.84 m3/t、7.93 m3/t，均小于8 m3/t，抽采半徑分別達到1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m。

根據(jù)表2繪制出抽采半徑R與預抽時間t關(guān)系曲線，如圖2所示。由圖2可知，上社煤礦15#煤層抽采半徑R與抽采時間t之間符合對數(shù)關(guān)系，關(guān)系表達式為：

F(R，t)= 0.6391×lnt-0.8243

(2)

3.2 現(xiàn)場驗證

抽采鉆孔布置在工作面巷道中線位置，選擇的抽采半徑為煤層厚度的一半，也就是2.7 m，帶入上述關(guān)系式，可得抽采時間248 d。綜合考慮上社煤礦實際煤厚特點、工作面布面時間(一般1個工作面需要布置1年的時間)、鉆孔的施工能力等因素，從時間上來說抽采時間為248 d能滿足礦井銜接的需要。

圖2 抽采時間t與抽采半徑R之間的關(guān)系曲線

選擇在11504工作面進風巷和11504工作面回風巷施工順層鉆孔抽采，經(jīng)過248 d抽采后，工作面回采前預抽防突措施效果檢驗時測得最大殘余瓦斯含量為7.81 m3/t。工作面回采期間，每50 m測定兩次瓦斯解吸指標K1值，測得的K1值一般介于0.2～0.3 mL/(g·min0.5)之間，最大K1值為0.49 mL/(g·min0.5)，均在臨界值以下。無論采用殘余瓦斯含量進行效果檢驗，還是采用瓦斯解吸指標K1值進行驗證，工作面可判定為無突出危險，事實上工作面實際回采期間回風、隅角瓦斯也均未出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象，說明采用2.7 m的抽采半徑經(jīng)過248 d抽采后，瓦斯抽采取得了良好的效果。

4 結(jié)論

(1)以10個抽采鉆孔為一組作為評價單元，避免了鉆孔較少帶來的測量誤差，保證了測量的可靠性。

(2)根據(jù)現(xiàn)場考察結(jié)果，確定出上社煤礦15#煤層?110 mm鉆孔的抽采半徑R與抽采時間t之間滿足對數(shù)函數(shù)關(guān)系，由此確定抽采半徑為2.7 m時，工作面至少需要抽采248 d。

(3)工作面回采前參與瓦斯含量效果檢驗和回采期間瓦斯解吸指標K1值驗證結(jié)果表明，抽采半徑2.7 m能滿足上社礦的需要，可在其他工作面推廣使用。