瓦斯抽采半徑及合理布孔間距測定*

池津維 郭江龍 王緒貴

（1.北京源平企業管理有限公司；2.貴州織金馬家田煤業有限公司）

鉆孔在預抽煤層瓦斯時，在瓦斯壓力和孔底負壓的共同作用下，鉆孔周圍煤體的瓦斯不斷進入鉆孔被抽走，形成以鉆孔中線為軸心、類似圓形的抽采影響圈，其半徑稱為抽采影響半徑；隨著抽采時間的延長，抽采影響半徑會逐漸加大，直到煤層瓦斯壓力與孔底負壓之差不足以克服深部煤體瓦斯運移到鉆孔的阻力時為止［1］。在鉆孔抽采影響圈內，煤體的瓦斯壓力和含量會不斷降低，當殘余瓦斯壓力（殘余瓦斯含量）和預抽率同時達到有效值時，有效半徑圈的半徑稱之為抽采有效半徑。通過抽采有效半徑可以確定合理的布孔間距，防止出現串孔或抽采空白帶，同時對合理安排采掘接替、提高生產效率有重要意義。

馬家田煤礦21064 工作面采用順層鉆孔抽采瓦斯作為區域防突措施，通過測定有效抽采半徑可以為遞進式瓦斯抽采鉆孔提供布置依據，根據國內常用的瓦斯抽采影響半徑測試方法，本次設計采用壓降法和示蹤氣體法（在無法測得鉆孔瓦斯壓力時采用流量法）測試抽采影響半徑，在無法測得鉆孔瓦斯壓力時采用流量法作為補充；采用壓降法和流量法計算有效抽采半徑。

1 測試原理

1.1 瓦斯抽采影響半徑測試方法

1.1.1 壓降法

隨著抽采時間延長，抽采鉆孔的影響范圍逐漸變大，影響區域的瓦斯壓力均會逐漸降低［2］，所以通過測試抽采鉆孔周邊鉆孔的瓦斯壓力變化即可測得抽采影響半徑。具體測試方法：在抽采鉆孔周邊一定距離施工平行測壓鉆孔，作為瓦斯壓力觀測孔，當觀測鉆孔壓力穩定后，對抽采鉆孔聯抽，抽采過程中觀察觀測孔壓力情況，隨著瓦斯抽采時間的延長，抽采影響范圍逐漸變大，在影響范圍內的測壓鉆孔瓦斯壓力降低。如果測得瓦斯壓力較高，實際工程應用以瓦斯壓力下降10%判斷影響半徑。

1.1.2 流量法

順層排放鉆孔的自然瓦斯流量和排放時間的關系一般呈較好的負指數關系。在排放鉆孔周邊施工抽采鉆孔，隨著抽采時間的延長，抽采鉆孔的影響范圍逐漸擴大到排放鉆孔時，由于瓦斯來源減小，排放鉆孔的自然瓦斯流量會偏離原負指數曲線，所以，可以通過排放鉆孔的流量變化曲線確定抽采半徑。

1.1.3 示蹤氣體法

抽采鉆孔影響區域內的瓦斯會向抽采鉆孔流動，如果在鉆孔一定距離的煤體中注入性質穩定且易檢測的惰性氣體，抽采過程中惰性氣體會隨瓦斯一起流向鉆孔，通過惰性氣體的示蹤作用即可判斷測試點是否在抽采影響范圍內。具體測試方法：在抽采鉆孔周邊一定距離施工平行觀測鉆孔，觀測孔內注入惰性示蹤氣體，在抽采過程中，測試抽采鉆孔內是否有示蹤氣體，如果檢測到示蹤氣體，則說明觀測鉆孔在抽采影響半徑之內。

1.2 瓦斯抽采有效半徑測試原理

煤礦瓦斯預抽的主要目的是防治煤與瓦斯突出和減少采掘工作面瓦斯涌出，所以瓦斯抽采措施是否有效主要有2 個基本判據：一是消除突出危險性，實際工程中主要通過煤層殘余瓦斯壓力或殘余瓦斯含量指標判斷是否消突；二是減小瓦斯涌出，實際工程中主要通過瓦斯預抽率指標判斷是否抽采達標。當煤層具有突出危險性時，須同時滿足上述2 個判據，當煤層原始瓦斯壓力小于0.74 MPa 且含量小于8 m3/t時，則只需滿足第二個判據。基于上述瓦斯抽采有效判定的基本原則，瓦斯抽采有效半徑可以通過瓦斯抽采流量和壓力來考察，或者兩者同時采用，相互驗證。操作時需采集測試參數，在抽采孔周邊施工平行測壓鉆孔測定煤層瓦斯壓力，施工過程中測試煤層原始瓦斯含量，測壓鉆孔壓力穩定后，對抽采孔聯抽，抽采過程中每天觀測測壓鉆孔瓦斯壓力、流量和濃度等參數［3］。

1.2.1 壓降法

當實測瓦斯壓力大于0.74 MPa，若累計抽采時間t，距離抽采鉆孔r的測壓鉆孔瓦斯壓力下降到0.74 MPa 以下．則可直接得到“抽采時間t時瓦斯抽采有效半往為r”的結論。當瓦期壓力小于0.74 MPa，或實測瓦斯壓力不準確時，如順層鉆孔測試的原始瓦斯壓力普遍偏低，此時無法直接通過壓力降低絕對值判定是否抽采有效，需要根據預抽率計算瓦斯壓力降低相對值判斷抽采是否有效。根據《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》、《煤礦瓦斯抽放規范》等標準對預抽率的要求，采掘工作面的瓦斯預抽率η達到標準要求，瓦斯含量與壓力的關系服從朗格繆爾式［4］，工程中可簡化為

式中，Q0為瓦斯含量，m3/t；P為瓦斯壓力，MPa；α為煤層瓦斯含量系數，m3/（t·MPa1/2）。

殘余瓦斯壓力達標標準為P（1-η）2，如實現瓦斯預抽率30%的目標，則瓦斯壓力降低51%以上即為抽采達標［5］。所以當測試的瓦斯壓力值較低時，若距離抽采鉆孔r的測壓鉆孔瓦斯壓力下降（1-η）2以上時，則可得到抽采時間t時瓦斯抽采有效半徑為r的結論。

1.2.2 流量法

流量法計算有效抽采半徑的基本原理是通過累計瓦斯抽采量和抽采范圍的瓦斯儲量來計算抽采率和殘余瓦斯含量，通過達標抽采率和瓦斯含量臨界值判斷抽采是否有效［6］。抽采鉆孔聯抽后，每天測試鉆孔抽采參數，對測試的瓦斯抽采純量與累計抽采時間做回歸分析得到負指數函數關系式［7］

式中，qct為抽采時間t下平均瓦斯抽采純量，m3/t；qc0為有效鉆孔長度條件下鉆孔初始瓦斯抽采量，m3/t；β為鉆孔瓦斯抽采量衰減系數，d-1；t為鉆孔的瓦斯抽采時間，d。對式（2）積分，可以得到任意時間t內鉆孔瓦斯抽采總量Qct

式中，Qct為任意時間t內鉆孔瓦斯抽采總量，m3。

瓦斯預抽率是衡量鉆孔預抽煤層瓦斯效果的主要指標，根據測定煤層原始瓦斯含量W，在抽采時間t內鉆孔影響半徑為r時，可計算鉆孔控制范圍內的瓦斯儲量Q，進而計算時間t內瓦斯預抽率η，η為瓦斯抽采量Qct與Q之比［8］

式中，Q為鉆孔控制范圍內的瓦斯儲量，m3；η為時間t內瓦斯預抽率，%；r為抽采半徑，m；h為煤層厚度，m；L為抽采鉆孔長度，m；γ為原煤密度，t/m3；W為煤層原始瓦斯含量，m3/t。

當計算的預抽率η大于或等于達標預抽率ηd，預抽時間t時的抽采有效半徑計算公式為

式中，ηd為達標預抽率，%。

2 參數測試及分析

2.1 方案制定和參數測試

2.1.1 方案制定

馬家田煤礦位于貴州省織金縣，井田范圍內有5層可采煤層，分別為M2、M6、M14、M16、M30，其中M6煤層有突出危險性。計劃在21064 掘進期間選擇合適地點，施工3 組下向順層測試鉆孔，每組測試孔包括1 個抽采孔和2 個觀察孔，觀測孔分別距抽采鉆孔1、2、3、4、5、7 m。實施方案為觀測孔測定鉆孔瓦斯壓力，并在測壓之前注入SF6示蹤氣體，通過壓降法和示蹤氣體法測定瓦斯抽采影響半徑；若測壓失敗，瓦斯抽采影響半徑通過流量法測定。通過抽采鉆孔瓦斯抽采量和原始瓦斯含量研究抽采有效半徑和合理布孔間距。

測試點應具備的巖體條件為試驗段內無構造且巷幫平整無破碎；封孔應保證有足夠的封孔深度，應至少達到采動、瓦斯抽采及其他工藝、工程施工造成的卸壓影響范圍之外。

本次瓦斯抽采半徑測試按照實施方案，于2017年8 月18—24 日共施工6 個觀測孔，鉆孔編號分別為B1-1、B1-2、B2-1、B2-2、B3-1、B3-2，共施工了3個瓦斯抽采孔，鉆孔編號分別為C1、C2、C3，在21064 回風巷距開口433 m 處開始按設計依次向迎頭方向施工鉆孔，鉆孔布置如圖1 所示。在C1 抽采孔、C2 抽采孔和B3-2 觀測孔施工過程中，對M6 煤層原始瓦斯含量進行了測試，結果分別為9.86，8.22，12.79 m3/t。

2.1.2 觀測孔參數測試

觀測孔均為下向孔，施工完畢后采用水泥砂漿注漿封孔，封孔24 h之后安裝球閥并注SF6，然后安裝壓力表，觀測鉆孔瓦斯壓力。現場操作時，B1-1觀測孔因操作有誤，無法安裝壓力表，測試了鉆孔的自然瓦斯流量。其余B1-2、B2-1、B2-2、B3-1、B3-2 觀測孔均按照實施方案進行了注SF6 和測壓工作。當鉆孔的瓦斯壓力用壓力表無法測量時，采用U型壓差計測試。壓力觀測孔壓力穩定后，于8月28日對3個抽采鉆孔聯抽，抽采過程中記錄觀測孔瓦斯壓力或自然瓦斯流量，測試結果見表1。

2.1.3 抽采孔參數測試

在所有觀測鉆孔壓力穩定后，2017 年8 月28 日對C1、C2、C3 抽采鉆孔進行聯抽，每個鉆孔空口安裝孔板流量計測定單孔抽采量，利用U型壓差計測定空口負壓，利用量程100%的光干涉式甲烷測定器測試單孔瓦斯抽采濃度。本次測試，對抽采參數持續觀測了50 d，其結果繪制成C1～C3抽采鉆孔的瓦斯抽采純量與抽采時間曲線，如圖2所示。

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2.2 瓦斯抽采影響半徑

本次瓦斯抽采影響半徑測試采用壓降法和SF6示蹤氣體2 種方法相互驗證開展。抽采第16 日，在C2 抽采孔內檢測到SF6，其他時間均為檢測到。其原因是SF6檢測是非連續性的，觀測孔注入的SF6氣量又有限，一旦抽采影響到觀測孔，SF6氣體很快就被抽走，所以實際取得的氣樣大部分情況都無法檢測到SF6。基于這一情況，本次測試主要通過觀測孔瓦斯壓力變化情況確定抽采影響半徑。

本次測試抽采影響半徑的6個觀測孔中，B1-1觀測孔測試了自然瓦斯流量，其他5個觀測孔均測試了瓦斯壓力，根據表1繪制各觀測孔鉆孔瓦斯壓力（或自然瓦斯流量）隨抽采時間的變化規律，如圖3所示。

B1-1 觀測孔距C1 抽采孔1 m，抽采前其瓦斯自然涌出量明顯呈負指數形式衰減，在聯抽后的第2天，瓦斯涌出量明顯下降，之后在抽采過程中再次呈負指數形式衰減，即抽采2 d 前后的鉆孔自然瓦斯流量曲線是明顯偏離的。由此可見，C1 抽采孔在聯抽的第2 天即對B1-1 觀測孔的自然瓦斯流量產生了明顯影響。

B2-1 觀測孔距C2 抽采孔2 m，其瓦斯壓力在封孔后很快就穩定在16 kPa左右，在C2抽采孔聯抽后，鉆孔壓力變化不大，在抽采6 天后，瓦斯壓力明顯下降，之后隨著抽采時間的延長鉆孔壓力繼續下降。由此可見，C2 抽采孔在聯抽的第6 天對B2-1 觀測孔瓦斯壓力產生了明顯影響。

B3-1 觀測孔距C3 抽采孔3 m，其瓦斯壓力在C3抽采孔聯抽前穩定在5 kPa 左右，抽采過程中瓦斯壓力變化不大，在抽采第11 天瓦斯壓力由4.2 kPa 快速下降到1 kPa 下。由此可見C3 抽采孔在聯抽的第11天對B3-1觀測孔瓦斯壓力產生了明顯影響。

B1-2 觀測孔距C1 抽采孔4 m，在C1 抽采孔聯抽前其瓦斯壓力穩定在0.13 MPa，聯抽后第7 天小幅下降到0.12 MPa，在抽采17 天后，瓦斯壓力快速下降，抽采22 d后壓力表讀數為0。由此可見，C1抽采孔在抽采的第17 天對B1-2 觀測孔的瓦斯壓力產生了明顯影響。

B2-2 觀測孔距C2 抽采孔5 m，其瓦斯壓力在抽采前3 d 即穩定在0.12 MPa，在C3 抽采孔抽采過程中，觀測孔的瓦斯壓力長時間保持穩定，直到抽采82 d 才降低到0.05 MPa，92 d 之后壓力降低到0。由此可見，C2抽采孔在抽采的第82天對B1-2觀測孔的瓦斯壓力產生了明顯影響。

B3-2 觀測孔距C3 抽采孔7 m，其瓦斯壓力在抽采前3 d 即穩定在0.15 MPa，在C3 抽采孔抽采過程中，觀測孔的瓦斯壓力均未發生變化。由此可見，在整個測試過程中，B3-2 觀測孔都未明顯受到抽采影響。

顯而易見，本次實測M6 煤層抽采2 d 時瓦斯抽采影響半徑為1 m，抽采6 d 時影響半徑為2 m，抽采11 d 時影響半徑為3 m，抽采17 d 時影響半徑為4 m，抽采82 d影響半徑為5 m。

受測試周期限制，本次實測未能測到更大影響范圍。研究表明，瓦斯抽采過程中，瓦斯在煤層瓦斯壓力和抽采負壓壓差的作用下向抽采鉆孔流動，同時煤層對瓦斯流動存在著阻力，當鉆孔周圍煤體的瓦斯壓力梯度不足以克服瓦斯滲透阻力時，瓦斯將不再向抽采孔流動，所以瓦斯抽采鉆孔的影響范圍存在極限。利用本次實測得到的影響半徑和抽采時間進行回歸分析，得到煤層瓦斯抽采影響半徑與抽采時間的關系式。本次實測，抽采2、6、11、17 和82 d時，測得的瓦斯抽采影響半徑分別為1、2、3、4和5 m。對抽采時間和抽采影響半徑進行擬合分析，函數關系為（7）式，極限影響半徑為5.4 m。

式中，ry為抽采影響半徑，m。

根據式（7）可得M6 煤層順層平行鉆孔在不同預抽時間條件下的瓦斯抽采影響半徑，見表2。

2.3 瓦斯抽采有效半徑研究

2.3.1 瓦斯抽采有效半徑合理判據

瓦斯抽采有效半徑的判據與瓦斯抽采的目的直接有關，M6煤層瓦斯預抽的目的有兩方面：一是防止煤與瓦斯突出；二是滿足抽采達標要求，減小掘進和回采期間瓦斯涌出。本次瓦斯抽采影響半徑的判據有以下要求。

（1）按照《防止煤與瓦斯突出規定》，預抽達標瓦斯壓力或瓦斯含量按煤層始突深度處的壓力或含量取值，沒有考察出煤層始突深度處的煤層瓦斯壓力或含量時，分別按照0.74 MPa、8 m3/t 取值［9］。由于瓦斯預抽后，殘余瓦斯壓力難以準確測定，因此一般采用達標殘余瓦斯含量指標作為消突依據，最大值應小于8 m3/t。

（2）礦井殘余瓦斯含量包括可解吸瓦斯含量和不可解吸瓦斯含量2 部分，當礦井設計產量為60 萬t/a，工作面設計日產量為1 818.2 t，M6 煤層可解吸瓦斯含量應不大于7 m3/t。不可解析瓦斯含量可根據修正的朗格繆爾方程計算［10］，M6 煤在0.1 MPa 大氣壓下的殘存瓦斯含量即為不可解吸的瓦斯含量，計算得出M6 號煤不可解吸瓦斯含量為1.30 m3/t，所以最大殘余瓦斯含量應不大8.30 m3/t。此結果沒有“殘余瓦斯含量最大值應小于8 m3/t”嚴格，所以最大殘余瓦斯含量應按8 m3/t 控制。本次測試中M6 煤層按照實測最大原始瓦斯含量為12.79 m3/t，預抽率應不小于37.5%。

（3）根據礦井最近年度瓦斯等級鑒定報告，絕對瓦斯涌出量為33.74 m3/min，按照《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》規定，當礦井絕對瓦斯涌出量20 m3/min≤Q＜40 m3/min，礦井瓦斯抽采率應不小于35%。按照《煤礦瓦斯抽放規范》規定，預抽煤層瓦斯回采工作面瓦斯抽出率應不小于25%。

綜上所述，M6 煤層回采工作面抽采達標時應同時滿足以上要求，瓦斯預抽率應不小于37.5%。

2.3.2 瓦斯抽采流量規律分析

根據本次測試的C1～C3 抽采鉆孔的瓦斯抽采參數，由圖2 可以看出，瓦斯抽采純量和抽采時間具有較好的負指數關系［11］，抽采純量與抽采時間的函數關系如下。

C1抽采孔抽采純量與時間函數關系為

C2抽采孔抽采純量與時間函數關系為

C3抽采孔抽采純量與時間函數關系為：

式中，qc1t為抽采時間t下C1 抽采孔平均瓦斯抽采純量，m3/t；qc2t為抽采時間t下C2 抽采孔平均瓦斯抽采純量，m3/t；qc3t為抽采時間t下C3 抽采孔平均瓦斯抽采純量，m3/t。

2.3.3 瓦斯抽采有效半徑確定

本次瓦斯抽采半徑測試點的M6 煤層瓦斯含量按本次實測最大值12.79 m3/t 計算，根據C1、C2 和C3抽采孔瓦斯抽采純量與抽采時間關系式（式（8）～式（10））與式（7）各值的對應關系，可知各抽采孔的瓦斯初始含量。結合煤層合鉆孔有效長度等基本信息，帶入式（6）可得本次抽采鉆孔的瓦斯抽采有效半徑計算公式，詳見表3。

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根據得到的抽采有效半徑公式，分別計算3個抽采鉆孔在不同預抽時間的瓦斯抽采有效半徑，見表4。C1 抽采孔計算的有效半徑最小，C3 抽采孔的有效半徑最大。為確保施工安全，取C1 抽采孔的瓦斯抽采有效半徑為本次測試結果。綜上所述，M6 煤層瓦斯抽采有效半徑公式為

?

為了方便工程應用，瓦斯抽采有效半徑舍掉第2位小數，取1 位小數，因此當預抽時間分別為30，60，90，150 d 以上時，M6 煤層瓦斯抽采有效半徑分別為0.5，0.7，0.9，1.0 m。

2.3.4 M6煤層順層鉆孔合理布孔間距

預抽鉆孔的布孔間距應根據采掘計劃的預抽期和對應瓦斯抽采有效半徑確定。隨著預抽期的延長，順層鉆孔的孔間距可以逐步加大，但由于瓦斯抽采有效半徑存在極限值，所以順層預抽鉆孔的孔間距也存在極限值，其本質是由于隨著抽采時間的延長，鉆孔的瓦斯抽采純量也呈負指數下降，其抽采效率越來越低造成的。理論上順層預抽鉆孔的最大孔間距可以取2倍的瓦斯抽采有效半徑，但瓦斯抽采具有一定的不均衡性，所以鉆孔間距應此基礎上適當減小，同時為了方便現場施工放線，對理論孔間距進行縮小取整作為合理鉆孔間距。根據式（11），在預抽期分別為30，60，90，120，150 d 時，M6 煤層順層預抽鉆孔的理論最大孔間距對應為1.06，1.56，1.82，1.94，2.00 m，合理布孔間距分別取1.0，1.5，1.8，1.9，2.0 m。

3 結 論

（1）現場施工3 組抽采—觀測孔，連續采集了50 d 的鉆孔瓦斯抽采參數，期間對M6 煤層原始瓦斯含量進行了測試，結果分別為9.86，8.22，12.79 m3/t。

（2）通過瓦斯抽采參數隨時間變化曲線，分析得出了瓦斯抽采影響半徑與預抽時間的關系公式，確定極限影響半徑為5.4 m。

（3）通過對M6 煤層回采工作面抽采達標時應滿足的條件分析，確定瓦斯預抽率應不小于37.5%，結合測定的瓦斯抽采參數，分析瓦斯抽采流量規律，得出M6 煤層瓦斯抽采有效半徑公式，確定了在預抽期分別為30，60，90，120，150 d 時，M6 煤層順層預抽鉆孔的理論最大孔間距分別對應為1.06，1.56，1.82，1.94，2.00 m。

（4）理論上順層預抽鉆孔的最大孔間距取2倍的瓦斯抽采有效半徑，但瓦斯抽采具有一定的不均衡性，鉆孔間距應此基礎上適當減小，同時為了方便現場施工放線，對理論孔間距進行縮小取整作為合理鉆孔間距，在預抽期分別為30，60，90，120，150 d 時，合理布孔間距分別取1.0，1.5，1.8，1.9，2.0 m。