鶴煤十礦二1煤層瓦斯抽采半徑確定方法

屈海軍

(府谷縣能源局，陜西 府谷 719400)

0 引言

抽采賦存在深部煤層中的瓦斯是解決煤與瓦斯突出的重要方法之一，瓦斯抽采半徑對瓦斯抽采鉆孔的布置工藝具有一定的指導意義。袁亮[1-3]通過研究低透性高瓦斯煤層群開采過程中覆巖移動及裂隙場演化及分布規律以及瓦斯運移規律，創立了卸壓開采抽采瓦斯以及煤與瓦斯共采體系；劉清泉，程遠平等[4]借助comsol模擬軟件分析抽采鉆孔附近瓦斯運移規律，得出相鄰鉆孔相互影響的內在規律；蔡峰等[5]借助數值模擬揭示深孔預裂爆破發生的過程，確定了低透煤層深孔預裂爆破的合理距離；趙俊峰[6]通過分析水力沖孔技術強化增透機理，揭示了水力沖孔技術參數與出煤量之間的內在聯系；王兆豐等[7-8]通過理論分析與數值模擬與現場相結合的多種手段，提出新的瓦斯抽采半徑的計算方法；劉三鈞等[9]基于瓦斯壓力和瓦斯含量的非線性關系，通過瓦斯壓力與抽采時間的關系繼而確定煤層瓦斯抽采半徑與抽采時間的關系；余陶等[10]基于鉆孔瓦斯流量的衰減規律，得出抽采鉆孔有效抽采半徑的計算公式，結合瓦斯壓力變化綜合確定鉆孔有效抽采半徑。

本文通過理論分析瓦斯抽采鉆孔內部圍巖的瓦斯流動特征，結合鶴煤十礦二1煤層的實際賦存形態，確定其穿層鉆孔的理論抽采半徑，結合現場實踐綜合對比確定其鉆孔合理經濟的布置方式，為瓦斯抽采提供科學依據。

1 地質及開采特征

鶴煤十礦井田處于太行山隆起帶南段東側，整體為一單斜構造，主采煤層為二疊系山西組二1煤層。采用立井單水平上、下山開拓，走向長壁綜采工藝回采煤炭資源。鶴煤十礦被鑒定為煤與瓦斯突出礦井，礦井絕對瓦斯涌出量24.16 m3/min，相對瓦斯涌出量22.45 m3/t。煤塵爆炸性指數15.05%，瓦斯壓力0.4～2.13 MPa，瓦斯含量8.36～12.4 m3/t。現試驗的1310回采工作面位于13采區南翼，煤層平均厚度8.0 m，煤層傾角為26°。經測定，1310回采工作面底板抽采巷絕對瓦斯涌出量為0.51 m3/min，配風量為286 m3/min。采煤工作面頂板主要為砂質泥巖、細粒砂巖和泥巖，煤層底板主要為砂質泥巖和泥巖，巖層物理特征如圖1所示。

圖1 煤層頂底板物理特征

2 瓦斯抽采半徑理論分析

在穩定煤層中布置瓦斯抽采孔來抽采瓦斯，在這個過程中，在瓦斯壓力與鉆孔內部負壓的綜合作用下，賦存在鉆孔周圍煤體中的瓦斯呈現出游離狀態進入鉆孔被抽采出去。鉆孔孔壁的圍巖由三向穩定受力狀態改變為雙向受力，鉆孔孔徑的影響范圍內圍巖呈現出卸壓狀態[11]。卸壓范圍內圍巖受綜合應力變化而裂隙發育，其透氣性增強，同時圍巖內部的瓦斯壓力平衡狀態遭到破壞，從圍巖內部到瓦斯抽采鉆孔之間存在著瓦斯壓力梯度有利于瓦斯的抽采。因此以鉆孔中線為軸心形成了類似圓形的抽放影響圈，其半徑稱之為抽放影響半徑[12]。隨著瓦斯抽放作用時間的延長，瓦斯抽放影響半徑會逐漸加大，直到圍巖瓦斯壓力與孔底負壓所提供的力小于處于深層的瓦斯運移到鉆孔的阻力為止。

依據瓦斯平面流動理論，針對一個鉆孔進行分析，鉆孔瓦斯流量跟瓦斯抽采作用時間呈負指數方程關系，如公式(1)所示。單一鉆孔瓦斯抽采量(Qc)是指鉆孔抽采影響半徑內煤層賦存的瓦斯總量(Q0)減去鉆孔極限抽采半徑范圍內未能抽采出去的瓦斯量(Qw)，如式(3)、(4)所示。

qt=q0e-at

(1)

對公式(1)同時對t進行積分得出公式(2)如下所示

(2)

Q0=πr2lw0γ

(3)

(4)

聯立公式(2)～(4)得出公式(5)，如下所示

(5)

式中：l—穿層瓦斯抽采鉆孔中穿越煤層的鉆孔長度，m；γ—煤層容重，t/m3；q0—瓦斯抽采鉆孔中初始瓦斯流量，m3/min；α—瓦斯抽采鉆孔中瓦斯流量的衰減系數；w0—煤層原始瓦斯含量，m3/t；r—穿層瓦斯抽采鉆孔的抽采半徑，m；x—鉆孔極限抽采半徑上面的任一點，x∈[0，r]。

根據瓦斯平面流動理論及《防治煤與瓦斯突出規定》，建議瓦斯壓力臨界值以0.74 MPa，瓦斯含量臨界值8 m3/t為標準。將l=6 m，γ=1.51 t/m3，α=0.091 7 d-1，w0=12.3 m3/t代入公式(5)，計算出所試驗鉆孔的抽采半徑為2.85 m。

3 現場實測瓦斯抽采半徑

在瓦斯抽采鉆孔抽放半徑內，隨著距離鉆孔中心距離的增大圍巖的瓦斯壓力會不斷降低。若以瓦斯抽采鉆孔為中心，在其不同距離布置測定鉆孔瓦斯自然涌出量的鉆孔，則鉆孔內的瓦斯涌出量的衰減速度大于普通情況下的衰減速度，則此鉆孔與瓦斯抽采鉆孔之間的距離即為與此段抽放時間對應的有效抽采半徑。基于此理論，本次瓦斯抽采半徑試驗地點確定在鶴煤十礦1307工作面下底板抽采巷處，距離瓦斯抽采鉆孔間距1.0 m布置瓦斯壓力監測鉆孔，如圖2所示。試驗所采用的瓦斯抽采半徑鉆孔的具體參數見表1。

圖2 瓦斯抽采半徑測試平面布置

孔號鉆孔直徑/mm方位角/(°)傾角/(°)封孔長度/m巖石段/m煤層段/m全長/mR075315409.030636R150315409.030.2636.2R250315408.630.16.136.1R350315408.9306.036R450315409.129.65.935.5L150315409.131.2637.2L250315408.930.3636.3L350315408.929.75.935.7L45031540929.86.135.9

按照設計要求在指定的測試區域施工所需的瓦斯抽采鉆孔，并按照要求進行封孔，測定鉆孔瓦斯壓力。瓦斯抽采開始后，繼續觀測各監測鉆孔瓦斯壓力的變化值，經30天的瓦斯抽采，R1鉆孔的瓦斯壓力在抽采初期的10天內由0.91 MPa降至0.52 MPa，降幅達到42.8%。L1鉆孔的瓦斯壓力在抽采初期的10天內由0.88 MPa降至0.55 MPa，降幅達到37.5%，在后續的監測過程中變化程度較小。R3和L3鉆孔瓦斯壓力分別降低至0.61 MPa和0.60 MPa，R4鉆孔的瓦斯壓力由0.9 MPa降低至0.85 MPa，降幅不明顯，L4鉆孔的瓦斯壓力變化不明顯。據此認為二1煤層的瓦斯抽采半徑為2.9～3.1 m。基于現場實測的瓦斯鉆孔抽采半徑與理論計算的瓦斯鉆孔的抽采半徑的計算值，且結合該礦以往的瓦斯抽采半徑經驗值綜合確定鶴煤十礦二1煤層的瓦斯抽采孔半徑為2.75 m。

4 結論

(1)依據瓦斯平面流動理論分析瓦斯抽采機理，并推導出抽采鉆孔半徑計算公式，得出鶴煤十礦二1煤層的瓦斯抽采孔半徑的理論值，為后續的現場實測提供對比依據。

(2)通過現場實測，確定瓦斯抽采半徑介于2.9～3.1 m。結合以往的抽采半徑綜合確定鶴煤十礦二1煤層的瓦斯抽采孔半徑基本為2.75 m，為后續合理布置的瓦斯抽采鉆孔提供技術保障。