關于順層鉆孔瓦斯抽采半徑及布孔間距分析

程鵬鵬

(晉城煤業集團長平公司安全監察部，山西 晉城 048400)

引 言

長平煤礦位于山西省東南部，經過歷次改擴建，現核定生產能力500萬t/a,批準開采3#煤層，煤層自燃等級為Ⅲ類，屬不易自燃煤層，煤塵無爆炸性。礦井瓦斯等級鑒定結果為高瓦斯礦井。長平礦瓦斯相對涌出量為13.44 m3/t、瓦斯絕對涌出量為126.44 m3/min。長平礦井井下斷層、陷落柱等地質構造多，煤體較為疏松，隨著最近幾年的不但深入開采，瓦斯抽采工作已經發展成為了煤礦安全生產工作當中非常重要的工作環節。對于一些單一煤層到綜采工作面來講，順層鉆孔的有效煤孔較長，并且抽采效果良好，在實際的工作過程當中相對比較簡單，因此被廣泛使用。鉆孔間距的選擇對瓦斯的抽采效果有著直接的影響，如果鉆孔的間距過大，會造成煤礦抽采過程中存在漏抽區域，從而嚴重影響抽抽采效果；如果鉆孔的間距設置過小，會導致鉆孔的施工量較大，從而造成大量的人力物力的浪費。

1 順層鉆孔瓦斯抽采半徑存在問題

通過對長平公司煤礦的地質特點和瓦斯分布狀況進行分析，對順層鉆孔瓦斯抽采的半徑及其鉆孔間距大小，進行了深入性的研究和計算，通過采取瓦斯壓力作為重要的參考指標，進行了鉆孔布置設計。該操作方法在一定程度上會提高檢測數據的準確度，但是在實際的應用過程中仍然存在一定的問題。首先，通過瓦斯壓力來作為參考系數來確定鉆孔的半徑大小，所測定的結果會受到場地環境因素的影響，比如鉆孔內部的多余水分、風口的整體質量等技術條件，都會對瓦斯的實際壓力大小的測定產生不良誤差。其次，在確定鉆孔半徑過程中需要判斷出鉆孔的實際流量變化，依照流量變化及時調整參數設置，方可以有效的掌握鉆孔的抽采時間[1-2]。除此之外，在鉆孔施工過程中，施工抽采鉆孔對原始煤層的破壞相對較大，在瓦斯抽采工作產生二次影響，導致產生的測量誤差值較大，嚴重影響設計參數的選取。在實際抽采工作確定鉆孔間距過程中，盲目將縮減有效抽取半徑來直接作為設計鉆孔的間距，并沒有充分考慮到鉆孔空間的疊加效應。

2 順層鉆孔瓦斯抽采有效半徑的優化

長平公司煤礦開采工作面抽采過程中，布置抽采鉆孔1號和2號抽采鉆孔，間距2 m～5 m。通過1號和2號抽采鉆孔以及測定鉆孔的煤礦瓦斯含量進行收集和分析，監測兩個鉆孔的抽采流量大小在鉆孔的抽采過程當中，每間隔8 h對鉆孔的瓦斯流量進行一次觀測，等待鉆孔的瓦斯流量有著明顯下降趨勢條件下，可以將所觀測的時間間隔延長到一天時間[2-3]。間距為3.5 m時，抽采鉆孔管內流量變化,如第91頁圖1所示。

隨著瓦斯抽采時間的不斷延長，鉆孔當中的瓦斯流量大小不斷下降，通過相關檢測數據分析可以得出，1號鉆孔當中的初期瓦斯流量大小保證在0.017 m3/min以上，最大可以達到0.019 m3/min。當抽采時間達到60 d，鉆孔的流量大小趨于穩定狀態，并且保持在0.003 m3/min～0.005 m3/min。2號鉆孔在抽采初期瓦斯流量大小基本保持在0.022 m3/min以上，最大可以達到0.025 m3/min。當抽采時間達到60 d之后，通過相關參數數據分析可以看出鉆孔的長度，對鉆孔瓦斯流量的篩選速度并沒有產生明顯的影響，兩個抽采鉆孔在抽采60 d之后，整體的瓦斯監測量出于穩定。依照鉆孔流量的變化規律來進行分析，抽采60 d時間之后，鉆孔的流量衰減到平穩組織狀態，此時鉆孔的流量相對較小，并且速度較為緩慢，接近于0。由此可以得出：在鉆孔抽采的60 d范圍之內抽采鉆孔，對周圍煤礦所產生的抽采范圍影響相對比較明顯，此時在距離抽采鉆孔2 m～5 m區域范圍內來進行煤礦取樣，有效的測定出煤礦內部瓦斯的具體含量。通過反復試驗，不斷調整兩個鉆孔的間距，依照上面的方法進行取樣分析，確定抽采鉆孔的最佳間距為3.5 m，此時的瓦斯含量下井速度較快，抽采60 d后整體的瓦斯監測量趨于穩定，且抽采半徑不會受到鉆孔長度大小的影響。由此確定了，最佳有效的抽采半徑大小為3.5 m[6]。

圖1 抽采鉆孔管內流量變化

3 順層鉆孔瓦斯鉆孔間距的確定

隨著瓦斯抽采時間的不斷延長，實際的抽采工作范圍也會不斷擴散，直到煤層瓦斯壓力和鉆孔底部的負壓差值，無法滿足瓦斯移動所產生的阻力為止。在此過程中主要表現為鉆口的流量和鉆孔周圍的煤礦瓦斯含量會不斷降低，直到二者之間處于一個穩定的狀態。相關研究人員設計出了兩套實驗方案，通過測試巷道煤壁內部同一水平高度設置出了間距大小為30 m的兩個相同的瓦斯抽采孔，并且將監測抽采鉆孔的瓦斯流量變化來進行有效的控制。依照開采工作計劃和鉆孔的實際施工狀況，在預算工作面的鉆孔當中，最短的抽采時間和平均的抽采時間進行有效的對比，當抽采的流量慢慢衰減到穩定值，最后達到鉆孔的最短出差時間條件下，煤礦內部的瓦斯含量以及鉆孔的有效半徑大小可以得到確定[7]。

在同一個煤礦巷道的同一個高度條件下，每間隔15 m距離設置出一個鉆孔，總共設置出了6組鉆孔，每一組鉆孔通過兩個抽采孔所構成。1組、3組、5組的兩個出水孔之間的間距為4 m、2 m和6 m。通過測定出兩個鉆孔的中心點位置和另外一個鉆孔之間的距離形成對應，通過對比兩個鉆孔在同一個疊加效果條件下，鉆孔之間的間距和二倍的有效抽采半徑之間來進行相應的參數分析[8-9]。

在針對單孔的有效半徑大小進行分析過程中，從中可以得出3個時刻的單孔的有效抽取半徑分別為3.5 m、4 m和4.5 m。但是在實際的井下瓦斯抽采工作中，瓦斯抽采鉆孔半徑大小都是連續性設置，因此在確定合理的布孔間距過程中，必須要充分考慮到兩個鉆孔再抽采疊加效應的影響下，讓孔間距和單孔有效抽采半徑之間的關聯。通過測試出6組實驗之后，當抽采流量衰減值達到穩定的條件下，鉆孔的抽采這段時間和平均出差時間不會受到鉆孔疊加效應的影響。通過測定3個時刻兩個鉆孔中心點的位置和另外一側等距離位置的煤礦瓦斯含量大小有效對比分析，在3個時刻和兩個鉆孔疊加效果的影響下，鉆孔間距和兩倍抽采半徑之間的關系，從中可以得到相應的布孔間距。

4 結語

綜上所述，順層鉆孔瓦斯抽采半徑的大小確定和布孔間距的設定非常重要，對煤礦開采工作的整體質量和效率都產生了一定的影響。晉城煤業集團長平煤礦通過實驗和檢測數據確定當抽采半徑大小為3.5 m時，能夠實現抽采半徑不會受到鉆孔長度大小的影響，抽采鉆孔瓦斯濃度能夠衰減到穩定值范圍之內。