突出薄煤層順層瓦斯預抽鉆孔合理布置研究

馬國強，陳久福

（1.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.重慶能投渝新能源有限公司，重慶 400061）

松藻煤礦開采K1、K2b、K3b煤層均具有煤與瓦斯突出危險性，以K2b煤層作為保護層優先開采。K2b煤層厚度平均0.45 m，屬薄煤層開采，煤層原始瓦斯含量為12.45 m3/t，瓦斯壓力0.96 MPa，煤層透氣性差，屬難抽煤層。K2b突出薄煤層工作面采用單排順層平行鉆孔預抽煤層瓦斯消突。預抽鉆孔布置參數不合理一方面造成煤層抽采達標時間長，影響礦井采掘接替，另一方面會造成鉆孔工程量的極大浪費[1-4]。為了弄清松藻煤礦K2b突出薄煤層工作面順層瓦斯預抽鉆孔布置參數與抽采達標時間關系，以根據采掘接替要求合理布置順層瓦斯預抽鉆孔，避免鉆孔工程量浪費，開展突出薄煤層順層瓦斯預抽鉆孔合理布置研究，對于實現煤層抽采達標，保障礦井抽、掘、采的有序銜接具有重要意義。

1 鉆孔布置參數對抽采達標時間的影響

1.1 抽采過程煤層瓦斯流動特征

根據煤層瓦斯流動理論[5]，瓦斯在煤層中的流動主要集中在孔徑＞1 μm的孔隙和裂隙中，并以符合達西定律的層流滲透為主，其瓦斯流動過程符合以下公式：

從式（1）可以得出：瓦斯流動速度與煤層和鉆孔間的瓦斯壓力梯度、煤層孔隙和裂隙大小及其連通性（以滲透率表征）成正比。在滲透率與抽采負壓變化不大時，鉆孔徑向較近處煤體內瓦斯首先被抽出，瓦斯壓力降低，進而促進較遠處煤體內的高壓瓦斯向鉆孔方向流動并產生吸附瓦斯降壓解吸。但鉆孔徑向較遠處煤體至鉆孔的瓦斯運移路徑長、瓦斯流動阻力大，為了抽采鉆孔徑向較遠處煤體瓦斯，需要增大運移路徑兩端氣體壓力差。然而，抽采負壓極限為0.1 MPa，這就意味著，在運移路徑兩端氣體壓差存在極限值，鉆孔徑向也必然存在極限抽采影響半徑，無論怎樣延長抽采時間，極限抽采影響半徑以外的煤層瓦斯不會受到影響。

同時，隨著抽采進行，鉆孔瓦斯流量呈負指數衰減規律[6]，即：

式中：qt為百米抽采鉆孔t時排放的瓦斯流量，m3/（min·hm）；q0為百米鉆孔初始排放的瓦斯流量，m3/（min·hm）；t為鉆孔瓦斯涌出時間，d；β為鉆孔瓦斯流量衰減系數，d-1。

因此，抽采鉆孔布置既要考慮極限抽采影響半徑大小，又要考慮瓦斯流量隨時間衰減規律，避免過分延長抽采時間造成經濟上的浪費。

1.2 鉆孔間距對抽采達標時間的影響

順層抽采鉆孔布孔間距存在3種形式[7]，具體鉆孔布置形式如圖1。

圖1 順層抽采鉆孔布置形式

根據鉆孔瓦斯抽采影響范圍隨時間增大并趨于定值的特點可知，增大鉆孔間距會延長抽采時間。現場工程實踐中為實現抽、采有序銜接，要求抽采期內將煤層殘余瓦斯含量值降至允許程度。若孔間距超過有效抽采半徑R的2倍（圖1（a）），則抽采期內煤層抽采率低甚至存在抽采空白帶，影響抽、采銜接；若間距過小（圖1（b））則鉆孔工程量加大，鉆孔過于密集甚至串孔降低抽采效果；圖1（c）最為合理，抽采期后鉆孔間煤體全部卸壓，殘余瓦斯含量滿足達標要求。因此，鉆孔間距過大會造成煤層瓦斯抽采達標時間延長，鉆孔間距過小會造成鉆孔工程量的浪費，需要根據采掘銜接合理布置鉆孔間距。

1.3 鉆孔直徑對抽采達標時間的影響

鉆孔進入煤體后打破了煤體應力場平衡狀態，在孔壁徑向周圍煤體內形成破碎區、塑性區和彈性區[8]。由于鉆孔長度遠大于直徑，將孔壁周圍煤體的受力看做平面應變問題，建立的孔壁受力三區分布模型如圖2。

圖2 孔壁受力分布模型

塑性區的產生是由于孔壁周圍煤體應力超過了其屈服應力，在雙向等壓條件下，認為切向應力為最大主應力，徑向應力為最小主應力，則孔壁煤體塑性區半徑Rp計算公式[9]為：

式中：Ra為鉆孔半徑，m；p0為圍巖初始應力，Pa；pi為鉆孔內壓力，為內摩擦角，（°）；kp為鉆孔內壓力c為黏聚力，N。

從式（3）可以得出，在其它參數不變條件下，鉆孔周圍煤體塑性區半徑隨著鉆孔半徑的增大而增大。鉆孔直徑對煤層瓦斯抽采的影響主要表現在鉆孔內壁暴露表面積與卸壓圈（塑性區）大小。孔徑越大，抽采初期煤層卸壓范圍越大，單位時間內解吸的瓦斯量就越多，但抽采后期瓦斯流量基本上受鉆孔直徑影響程度很小，不同孔徑鉆孔抽采的瓦斯總量基本相同[10]。

因此，在鉆孔間距不大時，可以采取增大鉆孔直徑的辦法擴大卸壓圈，以提高抽采初期瓦斯流量，進而實現縮短抽采達標時間的目的，但鉆孔直徑越大對鉆進工藝要求高且施工時間也會延長。

1.4 不同鉆孔布置參數抽采達標時間考察方案

鉆孔間距與鉆孔直徑均對抽采達標時間有影響，增大鉆孔直徑可提高抽采初期瓦斯流量，而縮小鉆孔間距可顯著縮短抽采達標時間，但鉆孔工程量會顯著增加。為了考察不同鉆孔布置參數條件下煤層瓦斯抽采達標時間，以便指導不同預抽期條件下抽采鉆孔合理布置，減少鉆孔工程量，設計了2種鉆孔布置參數考察方法：鉆孔直徑不變的條件下縮小鉆孔間距，以及同時增大鉆孔直徑與鉆孔間距，以考察不同鉆孔布置參數條件下煤層瓦斯抽采達標時間變化特征，得出不同鉆孔布置參數條件下煤層殘余瓦斯含量與抽采時間的理論關系式，用以指導現場抽采工程實踐。

2 不同鉆孔參數條件抽采達標時間現場考察

2.1 試驗工作面概況

試驗地點選在松藻煤礦K2b煤層的2215-2采煤工作面。該工作面煤層埋深429.3～457.6 m，傾角20°～21°，平均厚度0.45 m，原始瓦斯含量為12.45 m3/t，瓦斯壓力0.96 MPa。該面走向長度646 m，傾斜長度124～130 m，走向長壁法采煤，全部垮落法管理頂板。為消除工作面突出危險，在進風巷、回風巷分別施工上向、下向順層鉆孔抽采區域煤層瓦斯，消除煤層突出危險，保障工作面安全回采。

2.2 抽采鉆孔設計與施工

為考察不同鉆孔布置參數條件下工作面抽采達標時間，根據不同鉆孔布置參數瓦斯抽采達標時間考察方案，在2215-2工作面運輸巷按照3、5 m間距設計了孔徑φ65 mm的鉆孔各15個，考察相同鉆孔直徑、不同鉆孔間距條件下抽采達標時間變化特征；同時設計了8 m間距、孔徑φ87 mm的鉆孔15個，與5 m間距、孔徑φ65 mm的鉆孔進行對比，分析同時增大鉆孔直徑與間距對抽采達標時間的影響。所有鉆孔設計深度70 m。抽采考察鉆孔布置示意圖如圖3。

圖3 抽采考察鉆孔布置示意圖

鉆進機具為MYZ150鉆機，φ65 mm的鉆孔采用φ50 mm的光鉆桿施工，壓風排粉；φ87 mm的鉆孔采用φ87 mm的螺旋鉆桿施工，螺旋加壓風排粉。由于煤層厚度僅0.45 m，所有鉆孔都未達到設計深度，鉆孔施工參數見表1。

表1 鉆孔施工參數表

鉆孔利用“兩堵一注”封孔方式，為確保鉆孔不漏氣，封孔深度定為8 m。

2.3 測試結果與分析

鉆孔施工完成后同時掛網抽采，相同孔徑和間距的鉆孔設為1組評價單元，定期測試抽采濃度、流量和負壓，共跟蹤測試85 d的抽采數據。不同鉆孔間距的鉆孔長度基本相同，分析結果忽略鉆孔長度影響。

2.3.1 不同鉆孔布置參數抽采濃度及純量對比

不同孔徑和間距的鉆孔抽采濃度、純量隨時間變化情況如圖4、圖5。

圖4 抽采濃度隨時間變化

圖5 抽采純量隨時間變化

從圖4、圖5中可以得出：

1）相同孔徑時，抽采濃度、純量隨著鉆孔間距的縮小而增大。孔徑為φ65 mm，鉆孔間距由5 m縮小至3 m時，鉆孔初始抽采濃度由17%提高至21%，提高了23.53%，平均提高26.13%；鉆孔初始抽采純量由 0.13 m3/min提高至 0.17 m3/min，提高了30.77%，平均提高40.18%。

2）同步增大鉆孔直徑和鉆孔間距也會提高抽采濃度和純量，但效果不如縮小鉆孔間距明顯。孔徑由φ65 mm提高至φ87 mm、鉆孔間距由5 m提高至8 m時，鉆孔初始抽采濃度由17%提高至20%，提高了17.65%，平均提高21.13%；鉆孔初始抽采純量由 0.13 m3/min提高至 0.15 m3/min，提高了15.38%，平均提高26.79%。同步增大孔徑和孔間距與縮小孔間距相比，抽采濃度和抽采純量的提高程度較低。

2.3.2 不同鉆孔布置參數抽采達標時間對比

根據《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》（安監總煤裝〔2011〕163號）相關要求，將鉆孔布置參數分別為3 m、φ65 mm，5 m、φ65 mm，8 m、φ87 mm 的抽采區域劃分為3個評價單元，評價單元內預抽防突效果達標評判指標為煤層殘余瓦斯含量小于8 m3/t。跟蹤測定了不同評價單元內累計瓦斯抽采純量Q隨抽采時間變化數據（表2）。計算并繪制了評價單元內煤層殘余瓦斯含量隨抽采時間變化曲線（圖6）。

從圖6可得，鉆孔直徑相同時，縮小鉆孔間距可以實現快速降低評價單元內煤層殘余瓦斯含量，有效的縮短抽采達標時間。利用最小二乘法，通過抽采數據擬合得出布孔方式為3 m、φ65 mm，5 m、φ65 mm的評價單元內煤層殘余瓦斯含量與抽采時間的理論關系式分別為：

表2 瓦斯抽采純量隨抽采時間變化數據表

圖6 煤層殘余瓦斯含量隨抽采時間變化

式中：WCY為煤層殘余瓦斯含量，m3/t；t為抽采時間，d；R2為相關性系數。

抽采85 d后，3 m、φ65 mm布孔方式評價單元內煤層殘余瓦斯含量為0.91 m3/t，5 m、φ65 mm布孔方式評價單元內煤層殘余瓦斯含量為7.19 m3/t。根據表1可知，3 m、φ65 mm布孔方式噸煤鉆孔量為0.51 m/t，5 m、φ65 mm布孔方式噸煤鉆孔量為0.30 m/t。根據式（4）計算得出 3 m、φ65 mm 布孔方式評價單元抽采達標時間為32 d，根據式（5）計算得出5 m、φ65 mm布孔方式評價單元抽采達標時間為71 d。鉆孔直徑為φ65 mm、鉆孔間距由5 m縮小至3 m時，鉆孔間距縮小40%，噸煤鉆孔量增加70%，抽采達標時間縮短39 d，降幅55%。

同步增大鉆孔直徑和鉆孔間距可以使監測期內累計抽采純量有所增加，但鉆孔控制范圍煤層儲量與瓦斯儲量也增加，抽采達標時間也相應增加。抽采85 d后，8 m、φ87 mm鉆孔評價單元內煤層殘余瓦斯含量為8.39 m3/t，未達標。利用最小二乘法得出煤層殘余瓦斯含量與抽采時間的理論關系式：

根據式（6）計算得出8 m、φ87 mm鉆孔評價單元內抽采達標時間為93 d，與5 m、φ65 mm鉆孔評價單元相比，鉆孔直徑增大34%，鉆孔間距增大60%，噸煤鉆孔量減小40%，抽采達標時間增加了22 d，增幅 31%。

3 結論

1）鉆孔直徑影響孔壁暴露表面積與徑向卸壓圈大小，僅在抽采初期對瓦斯抽采量影響較大；鉆孔間距是影響抽采達標時間的主要因素，縮小鉆孔間距可以有效縮短抽采達標時間；同步增大鉆孔直徑和鉆孔間距的方法將增加抽采達標時間。

2）在松藻煤礦2215-2保護層工作面實際考察試驗發現，鉆孔直徑φ65 mm保持不變，鉆孔間距由5 m縮小至3 m時，抽采濃度和純量均會增大，工作面抽采達標時間由71 d降至32 d，縮短了39 d，降幅55%，但噸煤鉆孔量增加70%；鉆孔直徑增大至φ87 mm、鉆孔間距增大至8 m時，抽采濃度和純量也會增加，但鉆孔控制煤層范圍增大，抽采達標時間由71 d延長至93 d，增加了 22 d，增幅31%，但噸煤鉆孔量減小40%。

3）試驗得出了不同鉆孔布置參數條件下煤層殘余瓦斯含量隨抽采時間變化特征，可用于指導松藻煤礦其它類似2215-2保護層工作面的抽采鉆孔布置，在采掘接替允許的前提下可采用同時增加鉆孔直徑與間距的布孔方式，以減少鉆孔工程量。