瓦斯抽采影響半徑分組考察研究

陳 戈，陳立偉

（河南理工大學安全科學與工程學院 ，河南 焦作 454000）

0 引言

瓦斯抽采是瓦斯治理的根本性措施，可有效降低煤層中的瓦斯含量和壓力，從而控制或減少瓦斯事故發(fā)生的可能性。抽采有效影響半徑是礦井在進行抽采鉆孔布孔設(shè)計時主要依據(jù)之一，它是指原始瓦斯壓力在某時間內(nèi)開始下降的觀測點距抽采鉆孔中心的間距[1]。工程應(yīng)用通常會認定將某個鉆孔在抽采后持續(xù)觀測的瓦斯壓力皆比之前下降10%以上時，則認為該考察孔位于抽采鉆孔影響半徑之內(nèi)。依據(jù)抽采有效影響半徑設(shè)計鉆孔布置時，可盡量避免因鉆孔間隔過大而產(chǎn)生的抽采空白帶，或者因鉆孔間隔過小而形成各鉆孔抽采區(qū)域重疊而產(chǎn)生人力和物力浪費問題。因此，準確測試出鉆孔的抽采影響半徑，對于完善礦井瓦斯抽采系統(tǒng)具有重要意義[2-4]。

1 常見測試方法簡介

當前，關(guān)于測量瓦斯抽采鉆孔影響半徑較為常見的方法有：壓降測試法、流量測試法、氣體示蹤法測定以及計算機數(shù)值模擬等[5-7]。前兩種方法測量抽采半徑是通過測定在距抽采孔一定間距的多個測試鉆孔的壓力和流量的衰減情況來確定，該方法測試設(shè)備簡單，施工方便，應(yīng)用最多；第三種方法是以抽采孔半徑測試的末端作為注氣孔，通過考察規(guī)定時間內(nèi)示蹤氣體在煤體中通過抽采作用運移距離，從而得到該時間內(nèi)的抽采鉆孔影響半徑。依據(jù)示蹤氣體擴散距離的長短確定有效抽采半徑，是一種較為準確、可靠的測定方法，缺點是需要特定的氣體和設(shè)備，施工復(fù)雜。第四種方法是基于計算機技術(shù)和計算科學發(fā)展起來的一種新方法，但其前提是要有一個反映實際情況的數(shù)學模型，該數(shù)學模型是根據(jù)一定的理論基礎(chǔ)構(gòu)建起來的，在考察期間需要對現(xiàn)場煤樣進行大量實驗室數(shù)據(jù)測定，然后鉆孔瓦斯抽采有效半徑借助數(shù)值計算軟件計算模擬得出。針對觀音山煤礦一井C5煤層有效抽采半徑參數(shù)不明確，根據(jù)該礦實際情況選擇采用壓降法來測定其有效抽采半徑。

2 現(xiàn)場工程概況及考察方案

2.1 現(xiàn)場概況

觀音山煤礦主要的可采煤層為C5煤層，透氣性系數(shù)介于0.607～2.67m2/MPa2·d之間，屬于可抽采煤層。對該礦進行瓦斯抽采有效影響半徑試驗研究，試驗地點選在W1101工作面運輸順槽，其最大瓦斯含量為6.9m3/t，最大瓦斯壓力為0.44MPa。

2.2 壓降法測試考察方案

當瓦斯抽采時，抽采孔周圍煤體瓦斯解析與流動的主要動力是煤層中瓦斯壓力和鉆孔內(nèi)氣體壓差。以抽采鉆孔為中心，周邊影響圈內(nèi)煤層瓦斯通過煤體內(nèi)部的裂隙和孔隙向抽采鉆孔流動而被抽走，該抽采鉆孔影響圈半徑稱為有效抽采半徑。根據(jù)流體運動規(guī)律，當距抽采鉆孔一定范圍煤層中的瓦斯因裂隙阻力的原因不足以運移到抽采鉆孔中時，該距離稱為最大抽采半徑。因此，在抽采鉆孔周邊布置一組距離依次增大的測試孔，鉆孔有效抽采半徑通過在規(guī)定時間內(nèi)測試孔內(nèi)的氣體壓力下降情況來確定。

在工程實踐中壓降法測試大多選用多個測壓鉆孔間隔布置在單個抽采鉆孔兩測，因該方式僅一個主要抽采孔，所以考察過程中容易受外在因素影響測定結(jié)果。為了更加精確測量出瓦斯有效抽采半徑，本次測試在之前基礎(chǔ)上對測試方式進行了改進，采取分組測壓確定瓦斯有效抽采半徑。

根據(jù)觀音山一井現(xiàn)場情況，在W1101工作面運輸順槽施工6個測試孔和3個抽采孔，分為三組，每組3個孔，中間孔為抽采孔，兩邊孔作為測試孔（測試孔和抽采孔在同一平面上）。第1組測壓孔與抽采孔分別相距1m和1.5m，第2組測壓孔與抽采孔分別相距2m和2.5m，第3組測壓孔與抽采孔分別相距3m和3.5m，每組間隔5m，鉆孔布置剖面如圖1和2所示。測試孔孔深為30m，直徑為94mm，封孔20m；抽采孔孔深為30m，直徑為94mm，封孔20m（封孔長度大于卸壓影響區(qū)），鉆孔參數(shù)如表1所示。

圖1 沿鉆孔剖面示意圖

圖2 垂直鉆孔方向剖面示意圖

表1 鉆孔參數(shù)

封孔完畢1d后連接壓力表，觀測其變化情況。當各考察孔連續(xù)3天壓力值基本不變后，抽采孔開始接抽，在開始前3天內(nèi)每隔2個小時記錄一次壓力值，從抽采第4天開始每班記錄一次壓力值。觀測壓力值變化情況，當某個鉆孔測定的瓦斯壓力下降幅度超過10%，則說明該觀測孔在這個時間段內(nèi)位于抽采鉆孔的影響半徑之內(nèi)。

2.3 測試結(jié)果與分析

根據(jù)現(xiàn)場試驗測試的數(shù)據(jù)，觀測孔孔壓力初始值為0.11～0.41MPa。其中2號孔因封孔原因造成抽采管堵塞沒有瓦斯壓力，所以對其它5個孔進行對比。通過分析圖3中5個測試孔的壓力變化情況可知：隨著抽采時間的延長1號、3號和4號、5號、6號考察孔在預(yù)抽孔聯(lián)網(wǎng)抽采后壓力均有所下降，只是下降程度不同。以壓力降低10%作為標準，1號考察孔接抽13天后孔內(nèi)氣體壓力由0.41MPa降到0.37MPa，3號考察孔接抽19天后孔內(nèi)氣體由0.11MPa降到0.09MPa，4號考察孔接抽 26天后孔內(nèi)氣體由0.15MPa降到0.13MPa，5號考察孔接抽31天后孔內(nèi)氣體由0.40MPa降到0.35MPa，6號考察孔接抽33天后瓦斯壓力由0.26MPa降到0.21MPa。

圖3 考察孔抽采前后壓力變化曲線

由以上測試分析，鉆孔瓦斯抽采13d時影響半徑為1m，抽采19d后影響半徑為2m，抽采26d時影響半徑為2.5m，抽采31d后影響半徑達到3m，抽采33d以上時影響半徑達到3.5m。如圖4所示。

根據(jù)抽采半徑隨時間變化情況進行回歸分析，由漸變規(guī)律得到回歸方程，如圖5所示。

圖4 抽采半徑隨時間變化曲線

圖5 抽采半徑漸變規(guī)律回歸分析圖

抽采有效影響半徑與時間呈對數(shù)相關(guān)，擬合度為0.9708：

式中：t為瓦斯抽采時間，d；R為抽采有效影響半徑，m。

通過回歸方程可以推算出在之后某時間內(nèi)鉆孔的有效抽采半徑，為礦上抽采鉆孔布置提供參考。

3 結(jié) 語

通過對常見的瓦斯抽采影響半徑測試方法分析，結(jié)合觀音山一井現(xiàn)場生產(chǎn)條件選用壓降法通過分組測定各組鉆孔瓦斯壓力變化情況確定瓦斯抽采有效影響半徑。抽采有效影響半徑隨著抽采時間的增加也隨之增大，有效影響半徑與時間呈對數(shù)相關(guān)。當鉆孔抽采13d時影響半徑為1m；抽采19d時影響半徑為2m；抽采26d時影響半徑為2.5m；抽采31d后影響半徑為3m；抽采33d以上時影響半徑為3.5m，通過分析得到抽采半徑漸變規(guī)律回歸方程。該測試結(jié)果有利于該礦合理的抽采鉆孔施工布置，提高瓦斯抽采效率。