一種煤礦瓦斯抽采半徑確定的方法

張 帥

（大同煤礦集團有限責任公司四臺礦，山西 大同 037000）

0 引言

瓦斯抽采半徑受煤層賦存、瓦斯地質(zhì)及抽采系統(tǒng)等多方面因素影響，其考察過程較為復雜，國內(nèi)外研究人員為此提出了多種考察方法［1-5］。不同的瓦斯抽采半徑考察方法均具有各自的優(yōu)缺點，適用于不同煤層、不同測試條件，只有采用合適的考察方法才能準確、高效地獲得煤層瓦斯抽采半徑。因此，在具體的考察工作中需要針對礦井的實際條件選擇合理的瓦斯抽采半徑考察方法。

1 煤礦瓦斯抽采半徑的方法

目前瓦斯抽采半徑的測試方法眾多，尚沒有一個規(guī)范的標準，不同方法的優(yōu)缺點各不相同，適用于不同條件的礦井。傳統(tǒng)的瓦斯壓力方法，在透氣性較好、煤層測壓條件較佳時可能得到考察結(jié)果，但其測試效率低；當煤層透氣性差時測定成功率極低，實用性差［6-9］。瓦斯流量法和工作面點預測預報法最初都是設(shè)計用于測試瓦斯排放鉆孔的影響半徑，在抽采鉆孔條件下精度差、效率低、可靠性不足。近年來提出的瓦斯抽采流量法，忽略了不同抽采間距條件下瓦斯抽采流量衰減規(guī)律的差異性，僅用某一特定間距下抽采鉆孔流量與時間的關(guān)系來推算不同的抽采半徑，與實際抽采條件相比具有一定的誤差［10-12］。各測試方法的優(yōu)缺點具體見表1。

表1 測定方法優(yōu)缺點分析

一般情況下，煤層的透氣性及鉆孔瓦斯補給量是有限的，煤層的瓦斯流動性質(zhì)是非穩(wěn)定流動，即隨著流動時間的增長，鉆孔的瓦斯涌出強度、瓦斯流量會衰減，根據(jù)煤層瓦斯流動理論，抽采鉆孔的瓦斯涌出強度隨時間變化為

式中：q—t時刻的鉆孔瓦斯涌出強度，m3/（min·m2）；α—鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)，d-1；t—鉆孔內(nèi)瓦斯流動時間，min。

t時刻鉆孔瓦斯涌出量為

式中：qt—t時刻的鉆孔瓦斯涌出量，m3/（min·m2）；L—鉆孔長度，m。

對式（2）積分，并令2πrLq0=β，則可以得到t時間內(nèi)抽采鉆孔的抽采總量

式中：Q—在t時間內(nèi)，鉆孔瓦斯抽采總量，m3。

因此，在煤層瓦斯含量測定基礎(chǔ)上，根據(jù)抽采目的，測定出鉆孔瓦斯抽采能力，通過三者之間的關(guān)系計算分析，就可確定出鉆孔的抽采半徑。通過對不同間距抽采鉆孔的抽采數(shù)據(jù)擬合，可求出對應不同抽采半徑鉆孔在某一時間段內(nèi)的全部抽采瓦斯量。一般情況下，在特定的區(qū)域，鉆孔直徑、抽采負壓、鉆孔長度等確定后，煤層厚度、透氣性系數(shù)可認為是一定值，因此鉆孔抽采瓦斯的能力與抽采時間呈負指數(shù)，從而根據(jù)鉆孔抽采能力與抽采半徑的關(guān)系就可分析得出鉆孔不同抽采時間所對應的抽采半徑。

2 儲量法確定抽采半徑

2.1 工程背景

同煤集團某礦井，生產(chǎn)能力為8.0 Mt/a。3#煤層回采工作面最大絕對瓦斯涌出量138.18 m3/min，3#煤層掘進工作面最大絕對瓦斯涌出量20.48 m3/min；礦井最大相對瓦斯涌出量31.07 m3/t，礦井最大絕對瓦斯涌出量523.02 m3/min。隨著開采深度的延伸，瓦斯災害的威脅日趨嚴重，為解決瓦斯問題，保障煤炭安全、高效生產(chǎn)，需要大力推動瓦斯抽采工作。井下瓦斯抽采工作受到多種因素影響，與瓦斯抽采半徑、煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)密切相關(guān)。合理的礦井抽采半徑和準確的煤層瓦斯賦存情況，是瓦斯抽采工藝技術(shù)選擇的基礎(chǔ)，能夠為瓦斯抽采系統(tǒng)的準確、安全、高效運轉(zhuǎn)和礦井“抽掘采”平衡提供保障。

2.2 試驗過程

測定位置在N1306工作面回風順槽500～600 m范圍內(nèi)，施工2種6組抽采試驗鉆孔，即抽采流量監(jiān)測鉆孔和抽采邊界條件鉆孔各3組，抽采流量監(jiān)測鉆孔用于直接測試煤層瓦斯抽采半徑，而抽采邊界條件鉆孔用于保證每組抽采流量監(jiān)測鉆孔中的各鉆孔均具有相同的邊界條件。經(jīng)過計算，抽采區(qū)域內(nèi)不同抽采鉆孔間距（3 m、2 m、1.5 m）對應的抽采鉆孔布置數(shù)量分別為54個、80個及107個。圖1為測點鉆孔的布置示意圖。

施工好的抽采鉆孔需要及時連入抽采支管中，抽采孔口管路部分包括從支管下來至鉆孔口的連接管路及其附屬設(shè)備，每組試驗鉆孔連接在一個多孔器上，再由匯流管接到放水器和孔板流量計（抽采邊界條件鉆孔不需要安裝孔板流量計），之后連到支管上。

根據(jù)鉆孔布置方案本次共施工試驗鉆孔39個，在施工2 m間距和1.5 m間距的試驗鉆孔期間，由于鉆孔之間距離較近加上煤層軟硬分布不均，串孔現(xiàn)象十分嚴重，特別是1.5 m間距的抽采鉆孔幾乎80%都出現(xiàn)了不同程度的串孔現(xiàn)象，對鉆孔抽采效果具有一定影響。

圖1 測點鉆孔的布置示意圖

3 測定結(jié)果

3.1 測定數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過初步測定，該區(qū)煤層可解析瓦斯含量為7.078 m3/t，根據(jù)《煤礦瓦斯抽采達標暫行規(guī)定》及《煤礦瓦斯抽采規(guī)范》確定該回采工作面目標瓦斯預抽率應為43.5%。對各個測試孔進行觀測，統(tǒng)計數(shù)據(jù)并進行衰減規(guī)律的分析，擬合結(jié)果如圖2所示。

圖2 抽采鉆孔單孔日抽采瓦斯純量統(tǒng)計圖

從圖2可以看出，在相同抽采負壓和時間下，不同間距鉆孔的單孔日抽采純量存在較大差異，其中3 m間距抽采鉆孔明顯高于2 m間距抽采鉆孔和1.5 m間距抽采鉆孔，而2 m間距抽采鉆孔又明顯高于1.5 m間距抽采鉆孔。

通過擬合分析，得出各間距下的衰減函數(shù)：

鉆孔間距為3 m時：q=131.05e-0.01t

鉆孔間距2 m時：q=90.557e-0.01t

鉆孔間距1.5 m時：q=61.794e-0.01t

但是，在鉆孔施工過程中，2 m間距鉆孔（S6～S12鉆孔）和1.5 m間距鉆孔（S13～S21鉆孔）中存在串孔現(xiàn)象，這屬于施工工藝的影響。因此，主要分析3 m鉆孔。

時間的計算公式如下式所示

式中：Qz—抽采區(qū)域需抽采瓦斯總量，m3；N—抽采區(qū)域內(nèi)布置鉆孔數(shù)量，個；t—按某一抽采間距下抽采達標時的累積抽采時間，d；α、β—表明鉆孔流量衰減情況的系數(shù)。

對式（4）進行求解，得到3 m間距抽采鉆孔達到抽采達標時的時間為430 d，即抽采半徑為1.5 m時，對應的抽采時間為430 d，抽采率達到43.49%。

當采用1.5 m抽采半徑時，抽采達標時間為430 d，時間較長，如果采用直接監(jiān)測瓦斯抽采量的方法來驗證抽采半徑可靠性的話，將會耗費大量的人力、物力和時間，效率過低。因此，利用實測單孔累積抽采量與公式積分計算抽采量相比較的方法來間接驗證抽采半徑的可靠性。

3.2 數(shù)據(jù)驗證

通過統(tǒng)計可知，抽采120 d時抽采鉆孔單孔的累積抽采瓦斯量為8 627.11 m3，此時抽采區(qū)域的抽采率為29.03%，在監(jiān)測過程中受安全檢查、巷道施工等因素影響漏測了8 d的數(shù)據(jù)。

通過式（4）計算抽采120 d時的單孔累計抽采瓦斯量如下。

由于現(xiàn)場監(jiān)測過程中漏測了8 d的數(shù)據(jù)，也需要扣除相應的單日抽采量，經(jīng)計算扣除后的單孔累積抽采瓦斯量為8 312.63 m3，此時抽采區(qū)域的抽采率為27.97%。經(jīng)對比，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計的120 d鉆孔累計抽采瓦斯量、抽采率與計算的瓦斯抽采量、抽采率基本相同，驗證間接說明抽采半徑的準確性。

4 結(jié)語

通過對傳統(tǒng)的瓦斯抽采半徑的分析，提出了改進的方法，并進行了研究和試驗性測定。根據(jù)測定結(jié)果可以看出，該方法具有較好的適應性，測定結(jié)果比較可靠。同時測定結(jié)果顯示，在3 m間距（即抽采半徑1.5 m）時，抽采時間太長，效率太低。因此，為提高抽采效率，減少抽采時間，需要對鉆孔施工設(shè)備、技術(shù)及工藝進行優(yōu)化研究，提高鉆孔鉆進精度，減少小間距鉆孔施工中的串孔、孔間擾動等現(xiàn)象，從而實現(xiàn)通過減小抽采鉆孔間距，增加抽采鉆孔數(shù)量，提高抽采效率，減少抽采達標時間的目的。