青龍煤礦穿層鉆孔瓦斯有效抽采半徑研究*

胡華，汪圣偉 ，李希建 ，王文利，徐啟飛

(1.貴州黔西能源開發有限公司，貴州 畢節市 551507；2.貴州大學 礦業學院，貴州 貴陽 550025；3.復雜地質礦山開采安全技術工程中心，貴州 貴陽 550025；4.貴州大學 瓦斯災害防治與煤層氣開發研究所，貴州 貴陽 550025)

0 引言

近年來，我國煤礦開采已逐步轉向深井開采，生產面積和開采強度逐漸擴大，導致采區瓦斯涌出量增大[1-2]。預抽瓦斯是降低井下瓦斯含量的有效手段。目前，我國瓦斯抽采效率普遍較低，而有效抽采半徑是影響瓦斯抽采效率的關鍵因素，根據有效抽采半徑，合理地安排孔距。鉆距太小，易造成費用浪費，鉆距過大，會產生抽采盲區，達不到抽采效果[3-4]。因此，對井下瓦斯有效抽采半徑研究具有十分重要的意義。

關于瓦斯有效抽采半徑的研究，國內外許多學者做了很多研究。BING 等[5]利用FLAC3D 軟件，對瓦斯抽采進行模擬，模擬得到有效抽采半徑，并結合現場試驗，采用壓降法驗證模擬結果。曹新奇等[6]經過現場測定，采用了相對瓦斯壓力指標法，對瓦斯有效抽采半徑進行了研究，為瓦斯抽采鉆孔的布置提供科學依據，提高了防突措施的有效性。樊建明[7]基于廣義偏微分方程，利用COMSOL Multiphysics 模擬軟件，通過試驗研究，分析了抽采時間、鉆徑、負壓等因素對瓦斯有效抽采半徑的影響規律。但模擬條件過于簡單，與井下實際條件相差甚大，模擬結果有待考究。曹佐勇等[8]基于滲流理論和Klinkenberg 效應，考慮了孔隙率和滲透率演化，采用COMSOL Multiphysics 數值模擬軟件模擬分析了近距離突出煤層群水力沖孔鉆孔有效抽采半徑。劉海等[9]以達西定律和瓦斯流動理論為基礎，在考慮Klinkenberg 效應條件下，采用理論計算與COMSOL Multiphysics 模擬相結合，研究不同抽采時長下擴煤量對有效影響半徑的影響。桑乃文等[10]運用COMSOL Multiphysics 模擬軟件，對平行鉆孔間抽采疊加效應影響下瓦斯壓力、有效抽采半徑的變化規律進行研究，以此設計合理的鉆孔間距，并通過現場應用進行驗證。

因此，為了研究青龍煤礦21605 工作面18 號煤層的瓦斯抽采有效抽采半徑，本文采用了瓦斯壓力降低法，在青龍煤礦21605 底抽巷d13 控制點展開試驗，通過分析18 號煤層的瓦斯壓力變化，得到該煤層的瓦斯抽采有效半徑，提高煤層瓦斯抽采效率，以期對青龍煤礦的安全生產提供指導依據。

1 工程概況

青龍煤礦位于貴州省黔西市谷里鎮，距縣城直線距離10.1 km，礦區面積20.6503 km2，設計生產能力為120 萬t/a，礦井采用的通風方式為中央并列抽出式。礦井采區內共含穩定可采煤層2 層（16號、18 號煤層），局部可采煤層1 層（17 號煤層），本次測定的為21605 工作面18 號煤層，該區域煤層埋深為200～324 m，煤層平均厚度3.25 m，煤層比較穩定，結構比較簡單，亮-半亮型，粉狀-塊狀構造。瓦斯含量值為12.20～13.94 m3/t，具有煤與瓦斯突出風險。

2 試驗方案

目前，用于測定礦井煤層瓦斯有效抽采半徑的方法主要有：氣體示蹤法、瓦斯壓力降低法、瓦斯流量法、瓦斯含量法、計算機數值模擬法等[11-16]。為有效檢驗瓦斯降壓法確定有效抽采半徑的效果，本次試驗在青龍煤礦21605 底抽巷垂直向上對18號煤層施工穿層鉆孔測試點，設計鉆孔直徑為94 mm，抽采負壓不小于15 kPa，抽采參數接近于煤礦現場應用。

2.1 試驗步驟

本次試驗測定步驟如下。

（1）施工測定鉆孔。測試點位置布置在21605底抽巷d13 至d12 之間，在距抽采鉆孔位置間距為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m 處分別布置測定鉆孔并完成封孔，并安裝壓力表，鉆孔布置如圖1所示。

圖1 青龍煤礦21605 底抽巷鉆孔布置（單位：m）

（2）施工抽采鉆孔。待測壓孔壓力穩定后，施工抽采鉆孔，及時封孔，并連接抽采管網。

（3）觀測數據。每天觀測壓力表的變化以及抽采孔參數（濃度、流量、負壓）變化，連續觀測90 d。

（4）數據處理。通過對抽采時間變化曲線的分析，得到有效抽采半徑。

2.2 判定依據

根據周世寧院士提出的用拋物線方程取代瓦斯含量曲線，以及《煤礦安全規程》相關規定[17-18]，礦井進行瓦斯抽采時，瓦斯預抽率要大于30%，才能達到消突的目的。也就是說，當預抽率為30%時，煤層殘余瓦斯含量只有原始瓦斯含量的70%。在這一前提條件下，根據瓦斯含量與壓力間的數學關系計算得出，預抽后瓦斯壓力僅為原始瓦斯壓力的49%，下降量為51%。因此，得出有效抽采半徑的評判依據為：測壓鉆孔到抽采鉆孔煤層瓦斯壓力下降量大于或等于51%的距離即為煤層瓦斯有效抽采半徑[19]。

3 試驗結果與分析

施工結束，待測壓孔瓦斯壓力穩定后開始連接抽采系統進行抽采，18 號煤層從2021 年6 月16 日開始連抽，至2021 年9 月20 日結束，抽采過程中18 號煤的瓦斯壓力和抽采參數隨抽采時間變化趨勢如圖2、圖3 所示。

圖2 M18 煤瓦斯壓力隨抽采時間變化曲線

圖3 M18 煤抽采參數隨抽采時間變化曲線

由圖2 可以看出抽采期間各鉆孔瓦斯壓力變化情況。

（1）18-3#鉆孔在抽采的前9 d，瓦斯壓力基本上呈線性下降，從0.31 MPa 驟降至0.16 MPa，此后13 d 瓦斯壓力僅下降了0.05 MPa，抽采至90 d時瓦斯壓力穩定在0.1 MPa。

（2）18-5#鉆孔瓦斯壓力變化情況與3#孔情況相近，在抽采的前21 d，瓦斯壓力從0.70 MPa 降低到0.40 MPa，抽采至40 d 時瓦斯壓力降至0.33 MPa，此后壓力穩定在0.32 MPa。

（3）18-2#鉆孔瓦斯壓力下降平穩，抽采至60 d時瓦斯壓力從0.72 MPa 降低到0.60 MPa，至94 d時瓦斯壓力降至0.3 MPa，至100 d 后瓦斯壓力穩定在0.1 MPa。

（4）18-6#鉆孔瓦斯壓力變化情況與5#孔情況相近，抽采至30 d 時瓦斯壓力從0.90 MPa 降低到0.75 MPa，至90 d 時瓦斯壓力降至0.5 MPa，此后瓦斯壓力穩定不變。

（5）18-1#鉆孔在抽采至85 d 時，瓦斯壓力從1.00 MPa 降低到0.55 MPa，此后瓦斯壓力穩定不變。

（6）18-7#鉆孔在抽采至87 d 時，瓦斯壓力從1.30 MPa 降低到0.60 MPa，此后瓦斯壓力穩定不變。

由圖3 可知，M18 煤抽采孔抽采濃度穩定在60%左右，抽采效果較好。在抽采到94 d 后，瓦斯壓力變化不明顯，說明煤層瓦斯抽采存在一個極限抽采時間問題[20]，與文獻[8]的研究結論基本一致。

由以上結果分析可得：

（1）在孔徑為94 mm，抽采負壓不小于15 kPa時，青龍煤礦18 號煤層的有效抽采半徑為：抽采22 d 時為1 m，抽采40 d 時為2 m，抽采94 d 時為3 m；

（2）在抽采94 d 內，瓦斯抽采對3 m 以外的范圍影響不大，在此范圍內依然存在煤與瓦斯突出風險；

（3）在一定條件下，當抽采時間越長，有效抽采半徑就越大，但當抽采達到一定時間后就不再增加，說明瓦斯抽采存在極限抽采時間。

4 結論

（1）基于瓦斯壓力降低法，在青龍煤礦21605底抽巷垂直向上施工穿層鉆孔，可操作性強，有效地解決在瓦斯抽采鉆孔設計中的間距布置問題，提高了煤層瓦斯抽采率。

（2）在孔徑直徑為94 mm，抽采負壓不小于15 kPa 時，青龍煤礦18 號煤層的有效抽采半徑為：抽采22 d 時為1 m，抽采40 d 時為2 m，抽采94 d時為3 m。

（3）極限抽采時間存在于煤層瓦斯抽采中，即抽采時間越長，有效抽采半徑越大，但當抽采達到一定時間后就不再增加。