基于瓦斯流量法的穿層鉆孔抽采影響半徑研究*

劉亞飛 ，趙琪，江成玉，劉愿

(1.貴州省煤礦設(shè)計(jì)研究院有限公司， 貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州省礦山安全科學(xué)研究院有限公司， 貴州 貴陽(yáng) 550025；3.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院， 貴州 貴陽(yáng) 550025)

0 引言

貴州省煤層瓦斯賦存條件、地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，而鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯是防止煤與瓦斯突出的主要預(yù)防措施。對(duì)于特殊的煤層瓦斯賦存條件，瓦斯抽采半徑的確定是消除煤與瓦斯突出的重要因素之一。抽采鉆孔的間距會(huì)直接影響瓦斯抽采效果，過(guò)小的鉆孔間距，會(huì)造成資源上的浪費(fèi)，增大瓦斯的抽采成本；過(guò)大的鉆孔間距，誤差大，則會(huì)存在抽采盲區(qū)，不能達(dá)到消除突出危險(xiǎn)性的效果[1-2]。抽采鉆孔間距確定取決于抽采半徑的大小，所以確定抽采半徑對(duì)于防治煤與瓦斯突出至關(guān)重要。因此，本文基于瓦斯流量法，對(duì)煤層穿層鉆孔抽采影響半徑進(jìn)行考察，以獲得不同抽采時(shí)間情況下，抽采有效半徑的大小[2]，其對(duì)萬(wàn)順煤礦12501運(yùn)輸巷的瓦斯抽采工作具有借鑒意義。

1 工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)考察

貴州萬(wàn)順煤礦主要開(kāi)采二采區(qū)C5和C1煤層，其中，C5煤層為突出煤層，賦存于二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M。礦區(qū)內(nèi)地表巖層倒轉(zhuǎn)至直立，斷層不甚發(fā)育，煤層平均厚度為 1.97 m，平均傾角為 80°。12501運(yùn)輸巷（二段）掘進(jìn)工作面的防突措施采取穿層鉆孔的方式預(yù)抽C5煤層條帶瓦斯，在同一標(biāo)高頂板位置的+550 m長(zhǎng)興灰?guī)r運(yùn)輸巷布置鉆場(chǎng)，在鉆場(chǎng)內(nèi)向12501運(yùn)輸巷施工水力壓裂鉆孔的同時(shí)，也向其施工穿層預(yù)抽鉆孔，抽采鉆孔為扇形布置；由于施工穿層鉆孔較長(zhǎng)、分布為扇形，且施工的鉆孔方位角分散角度較小、誤差大，存在抽采盲區(qū)，同時(shí)在高壓水壓裂煤體后形成應(yīng)力集中帶，導(dǎo)致2021年4月19日在掘進(jìn)至135 m時(shí)發(fā)生突出事故。

1.1 瓦斯流量法測(cè)定有效抽采半徑原理

流量法主要是通過(guò)計(jì)算出所測(cè)量范圍內(nèi)的殘余瓦斯量及瓦斯抽采率是否達(dá)標(biāo)來(lái)判定抽采是否有效[3]。因此，通過(guò)考察范圍內(nèi)的瓦斯儲(chǔ)量和瓦斯抽采總量計(jì)算得出的有效抽采半徑，從而得到殘余瓦斯量和瓦斯抽采率。現(xiàn)場(chǎng)瓦斯鉆孔進(jìn)行聯(lián)合抽采后，按期測(cè)量所需的鉆孔抽采數(shù)據(jù)。試驗(yàn)瓦斯抽放凈量qt隨時(shí)間t回歸，得到負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系[4]：

式中，q0為鉆孔有效長(zhǎng)度下的初始瓦斯抽采量，m3/min；qt為瓦斯平均抽采純量，m3/min；β為衰減系數(shù)；t為抽采時(shí)間，d。

對(duì)式（1）積分，可以得出瓦斯抽采總量：

考察范圍內(nèi)的瓦斯儲(chǔ)量Q可通過(guò)鉆孔所抽采煤層的瓦斯含量和影響半徑r等參數(shù)得到，進(jìn)而計(jì)算在時(shí)間t內(nèi)瓦斯的預(yù)抽率函數(shù)，見(jiàn)式（3）。

式中，γ為煤的容重，t/m3；W為瓦斯含量，m3/t；r為鉆孔的抽采半徑，m；h為煤層厚度，m；L為鉆孔有效長(zhǎng)度，m3。

當(dāng)計(jì)算所得的瓦斯抽采率滿足標(biāo)準(zhǔn)抽采率要求時(shí)，可計(jì)算得到所測(cè)煤層的瓦斯抽采有效半徑r，其計(jì)算公式為[5]：

1.2 方案制定

12501 運(yùn)輸巷（二段）未進(jìn)行水力壓裂區(qū)域瓦斯抽采半徑考察：設(shè)計(jì)10個(gè)抽采鉆孔分成參數(shù)相同的兩組布置在+550 m運(yùn)輸巷，如圖1所示，在兩個(gè)考察地點(diǎn)的測(cè)試鉆孔施工過(guò)程中，每個(gè)考察點(diǎn)取2組煤樣測(cè)試煤層瓦斯含量，通過(guò)直接法測(cè)定C5煤層瓦斯含量；鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)詳見(jiàn)表1，第1組和第2組試驗(yàn)鉆孔分別于2021年6月14日和6月15日聯(lián)抽。

表1 12501運(yùn)輸巷C5煤層瓦斯抽采半徑考察測(cè)試鉆孔參數(shù)

圖1 測(cè)試鉆孔布置方案

2 測(cè)試鉆孔分析

2.1 測(cè)試鉆孔參數(shù)

根據(jù)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，第1組1-1和1-3抽采鉆孔分別在抽采2 d和1 d后瓦斯抽采濃度急劇下降，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，1-1和1-3抽采鉆孔和原施工的抽采鉆孔發(fā)生串孔現(xiàn)象，這兩個(gè)鉆孔測(cè)定的抽采參數(shù)對(duì)測(cè)定結(jié)果有影響，故舍去；第2組試驗(yàn)鉆孔2-1，2-2抽采鉆孔分別在抽采2 d和3 d后瓦斯?jié)舛燃眲∠陆担F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，2-1、2-2抽采鉆孔和原施工的抽采鉆孔發(fā)生串孔現(xiàn)象，故這兩個(gè)鉆孔測(cè)定的抽采參數(shù)對(duì)測(cè)定結(jié)果有影響，也舍去；第2組2-5鉆孔抽采濃度時(shí)有時(shí)無(wú)，檢查后發(fā)現(xiàn)由于此孔是下行鉆孔，積水嚴(yán)重，抽采效果較差。故本次僅采用1-2，1-4，1-5，2-3，2-4鉆孔測(cè)定數(shù)據(jù)。

2.2 抽采影響半徑分析

根據(jù)有效鉆孔瓦斯混合流量、濃度，計(jì)算得到鉆孔的瓦斯純流量，繪制瓦斯抽采純流量與抽采時(shí)間關(guān)系如圖2至圖6所示。

圖2 1-2鉆孔瓦斯抽采流量與預(yù)抽時(shí)間關(guān)系

圖3 1-4鉆孔瓦斯抽采流量與預(yù)抽時(shí)間關(guān)系

圖4 1-5鉆孔瓦斯抽采流量與預(yù)抽時(shí)間關(guān)系

圖5 2-3鉆孔瓦斯抽采流量與預(yù)抽時(shí)間關(guān)系

由圖2至圖6可看出，瓦斯抽采純量隨著累計(jì)抽采時(shí)間的增長(zhǎng)而降低，呈負(fù)指數(shù)關(guān)系[5]。根據(jù)測(cè)得的有效瓦斯抽采數(shù)據(jù)，1-2，1-4，1-5抽采鉆孔瓦斯含量按實(shí)測(cè)1-2鉆孔最大值7.63 m3/t計(jì)算，2-3，2-4抽采鉆孔瓦斯含量按本次2-3鉆孔實(shí)測(cè)最大值8.09 m3/t計(jì)算；通過(guò)抽采時(shí)間與抽采純量的負(fù)指數(shù)關(guān)系式，結(jié)合鉆孔長(zhǎng)度、厚度等基本信息，可得瓦斯抽采有效半徑計(jì)算公式[5-8]，見(jiàn)表2。

表2 12501運(yùn)輸巷（二段，未壓裂區(qū)域）C5煤層瓦斯抽采有效半徑公式計(jì)算

圖6 2-4鉆孔瓦斯抽采流量與預(yù)抽時(shí)間關(guān)系

計(jì)算在不同抽采時(shí)間條件下5個(gè)瓦斯預(yù)抽鉆孔的抽采有效半徑，見(jiàn)表3。由表3可知，所有的考察鉆孔在抽采90 d后有效抽采半徑接近極限值，其中瓦斯抽采極限有效半徑最大的是1-2考察鉆孔，為3.16 m；2-3考察鉆孔的極限有效半徑最小，為2.91 m。為安全起見(jiàn)，故選取2-3抽采孔的數(shù)值作為本次的測(cè)試結(jié)果。

表3 12501運(yùn)輸巷（二段，未壓裂區(qū)域）各考察鉆孔瓦斯抽采有效半徑

萬(wàn)順煤礦12501運(yùn)輸巷（二段，未壓裂區(qū)域）C5煤層的瓦斯抽采有效半徑公式為r≤2.91（1-e-0.0832t)0.5，為方便工程上的施工應(yīng)用，其抽采有效半徑精確到2位小數(shù)，當(dāng)預(yù)抽時(shí)間為10，20，30，60 d時(shí)，所得瓦斯抽采有效半徑分別為1.64，2.36，2.67，2.89 m，極限有效半徑為 2.91 m。

3 結(jié)論

通過(guò)選用瓦斯抽采半徑測(cè)定常用的瓦斯流量法對(duì)萬(wàn)順煤礦12501運(yùn)輸巷（二段，未壓裂區(qū)域）C5煤層進(jìn)行了抽采有效半徑的分析，C5煤層瓦斯抽采有效半徑公式為r≤2.91（1-e-0.0832t)0.5，預(yù)抽時(shí)間分別為10，20，30，60 d時(shí)，瓦斯抽采有效半徑分別為1.64，2.36，2.67，2.89 m，極限有效半徑為2.91 m。

12501 運(yùn)輸巷（二段，未壓裂區(qū)域）C5煤層抽采半徑，只針對(duì) 12501運(yùn)輸巷（二段，未壓裂區(qū)域）已施工穿層鉆孔區(qū)域，對(duì)指導(dǎo)12501運(yùn)輸巷C5煤層抽采鉆孔布置具有重要的工程參考價(jià)值。