綜采工作面順層瓦斯抽放鉆孔參數優化

郭四龍

（山西蘭花科技創業股份有限公司伯方煤礦分公司，山西 高平 048400）

瓦斯預抽可以降低煤體瓦斯含量和壓力，同時起到卸壓作用，增加煤體裂隙發育，有利于瓦斯解析，擴大抽放半徑。順層鉆孔預抽由于抽放效果好，施工相對簡單，被廣泛應用。

1 工程概況

伯方煤礦3207 工作面回采3#煤層，南部與3207 工作面相鄰，東側與二盤區運輸、軌道和回風巷相接，走向長度為1254 m，傾斜長度165 m。工作面布置如圖1 所示。3#煤層地質條件簡單，煤層平均厚度5.8m，傾角6～12°，原始瓦斯壓力0.18～0.39 MPa，工作面瓦斯含量5.87～7.87 m3/t，瓦斯最大涌出量為7.87 m3/min，煤體堅固性系數0.5，透氣性系數0.06 m2/（MPa2·d）。煤層偽頂為泥巖，直接頂為砂質泥巖，基本頂為中-細粒砂巖。本煤層抽放鉆孔直徑為113 mm，孔深100～120 m，利用聚氨酯、水泥、沙封孔，封孔長度不小于12 m，標準抽放負壓10 kPa，預抽期大于3 個月。

圖1 3307 工作面布置圖

2 順層瓦斯抽放鉆孔施工參數

2.1 順層鉆孔施工間距

（1）多鉆孔預抽效果分析

在瓦斯實際治理過程中，瓦斯往往是在一定的時間和一定的空間內進行抽放，因此，造成相鄰兩個鉆孔之間會存在一定抽放疊加情況。為探究瓦斯預抽疊加效果，分析多鉆孔預抽下的煤層瓦斯含量變化規律，見圖2。

從圖2 可以看出，在長達6 個月瓦斯預抽下，在相鄰鉆孔等距處，煤層瓦斯殘余含量為3.3 m3/t，比單孔抽放的殘余瓦斯含量低12%。說明順層鉆孔在多孔抽放情況下，由于瓦斯抽放的疊加作用，在距鉆孔不同的位置，瓦斯抽放效果要好于單孔瓦斯預抽。因此，當采用多孔瓦斯預抽時，瓦斯抽放鉆孔距離可適當大于有效瓦斯預抽半徑的2 倍。

圖2 多鉆孔預抽煤層瓦斯殘余含量曲線圖

（2）瓦斯抽放半徑與鉆孔施工間距之間的關系

通過大量研究和試驗，計算得出瓦斯抽放半徑與鉆孔施工間距之間的關系：

（3）試驗驗證

本次設計1 組抽放鉆孔來測量多鉆孔抽放下煤層殘余瓦斯壓力的變化情況，驗證瓦斯抽放半徑與鉆孔施工間距之間的關系。鉆孔施工參數見圖3。

圖3 鉆孔施工參數

利用瓦斯抽放鉆孔對煤層進行90d 瓦斯抽放，觀測煤層殘余瓦斯壓力的變化情況。2#和3#孔殘余瓦斯壓力變化如圖4。

從圖4 可知：隨著瓦斯抽放時間的延長，煤層瓦斯壓力逐漸下降。抽放60 d 時，煤層瓦斯壓力降至0.1 MPa，降幅超過50%；抽放90 d 時，煤層瓦斯壓力降到0.08 MPa，下降幅度65%。因此，通過式（1）得出設計抽放鉆孔間距3.3 m 時，通過90 d瓦斯抽放，抽放率可以達到30%。

圖4 2#、3#鉆孔殘余瓦斯壓力

2.2 瓦斯預抽鉆孔極限抽放時間

當煤層開始瓦斯預抽時，會導致煤層中瓦斯含量不均勻，形成瓦斯壓力梯度，且瓦斯壓力梯度會隨著抽放時間的延長向煤體的縱深發育。當瓦斯壓力梯度下降到瓦斯無法克服摩擦力流動時，時間稱為鉆孔極限抽放時間。其計算公式為：

采用瓦斯流量衰減系數測定法，計算衰減系數。瓦斯抽放鉆孔抽放量數據見表1。

表1 瓦斯抽放鉆孔抽放量

通過表1 計算工作面瓦斯流量衰減系數，其平均值為0.031/d，通過式（3）計算極限抽放時間為95d。

3 瓦斯抽放效果分析

為研究順層鉆孔的抽放效果，在工作面回風巷900～1300 m 范圍內布置瓦斯抽放鉆孔，孔深110 m，孔距3 m，封孔長度12 m，預抽期3 個月，抽放負壓16 kPa。

3.1 順層鉆孔瓦斯抽放效果檢驗

為了對順層鉆孔瓦斯抽放效果進行有效檢驗，每隔40 m 設置2 個監測點，分別記錄了鉆孔抽放前后的原始瓦斯含量和殘余瓦斯含量，并計算預抽率，見表2。

表2 預抽后瓦斯參數表

從表2 可以看出，通過瓦斯抽放后，工作面瓦斯含量由5.87～7.87 m3/t 降至3.17～4.56 m3/t，瓦斯含量顯著下降，瓦斯預抽率達到40%以上，抽放效果較好。

3.2 順層鉆孔瓦斯抽放效果分析

瓦斯抽放濃度與抽放量關系圖見圖5。從圖5可以看出：剛開始進行瓦斯抽放時，抽放量和抽放濃度均呈現出上升趨勢，但隨著時間的延長，鉆孔抽放濃度和抽放純量先后達到極大值。其中抽放濃度最大為83%，抽放純量最大為0.38 m3/min。隨著抽放的繼續，抽放量和抽放濃度不斷減小，并最終逐漸穩定。瓦斯抽放濃度平均值為34%，瓦斯抽放量平均值為0.25 m3/min。

圖5 瓦斯抽放濃度與抽放量關系圖

4 結論