采煤工作面瓦斯抽采有效半徑現場測定方法

王興華

（山東萬祥礦業有限公司，山東 濟南 271107）

1 工作面概況

潘西煤礦19 層煤瓦斯壓力0.06～0.36 MPa，瓦 斯 含 量2.268 1～4.536 2 m3/t， 防 突 參 數K1=0.04～0.13，△h2=4～8，煤樣堅固性系數f值0.506～0.513，煤樣瓦斯放散初速度△P值6 ～7 mmHg， 吸 附 常 數a值9.598 2 m3/t、b值2.332 1 MPa-1，真密度1.33 t/m3，視密度1.25 t/m3，孔隙率6.04%，水分4.16%，灰分7.83%，揮發分33.58%。

6199 采煤工作面位于19 層煤瓦斯異常區內，走向長度1950 m，傾斜長度210 m，煤層傾角27°，煤厚2.6 m。采煤工作面受地質條件和采掘動態變化的雙重影響，瓦斯涌出量大。為解決6199采煤工作面瓦斯問題，采用本煤層預抽的方式進行瓦斯治理[1-2]。為科學布置瓦斯抽采鉆孔間距，獲得較好的抽采效果，潘西煤礦與北京科技大學合作開展瓦斯抽采有效半徑的測定工作。

2 瓦斯抽采有效半徑的測定方法

2.1 建立數值模擬模型

根據6199 采煤工作面瓦斯賦存特點及現場實際情況，采用RFPA-Flow 軟件的氣固耦合模塊建立瓦斯抽采數值模型，模型大小參數為15 m×3 m，模型四周邊界固定水平位移，底端邊界固定垂直位移，頂端邊界施加均勻載荷。模型采用Mohr-Coulomb破壞準則，初始位移和速度按零計算。通過數值模擬模型測定，分析抽采1 d、10 d、20 d、30 d、40 d、50 d、60 d 煤層瓦斯分布情況可知，抽采鉆孔附近煤層瓦斯分布是不均勻的，瓦斯壓力以抽采鉆孔為中心呈輻射狀分布，越靠近抽采鉆孔，瓦斯壓力越低；隨著抽采天數增加，瓦斯壓力變化區逐漸增加，抽采半徑逐漸增大；抽采前期煤層瓦斯增加明顯，后期增加緩慢。

2.2 SF6 示蹤氣體測定

2.2.1 檢測鉆孔的布置

在6199 采煤工作面上巷順層施工四組檢測鉆孔，孔深30 m，孔徑94 mm，封孔深度12 m（避開圍巖破碎帶）。第一組檢測鉆孔5 個，第二組檢測鉆孔5 個，第三組檢測鉆孔3 個，第四組檢測鉆孔3 個。鉆孔的布置方式如圖1 ～圖4。

圖1 第一組瓦斯抽采半徑測試鉆孔示意圖（m）

圖2 第二組瓦斯抽采半徑測試鉆孔示意圖（m）

圖3 第三組瓦斯抽采半徑測試鉆孔示意圖（m）

圖4 第四組瓦斯抽采半徑測試鉆孔示意圖（m）

2.2.2 檢測鉆孔測定方法

（1）向第一至第四組1#注氣孔內注入質量3 kg 的SF6氣體，關閉注氣孔閥門。

（2）打開2#檢測孔閥門，與瓦斯抽采系統連通（抽采負壓14 kPa）進行抽采。

（3）每隔一天利用手持式檢測儀進行測定檢測孔是否有示蹤氣體出現。

（4）當在2#檢測孔內測得示蹤氣體后，關閉2#檢測孔閥門，打開3#檢測孔閥門，開始對3#檢測孔進行抽采、測定。

（5）對3#～5#檢測孔重復上面的測定步驟，以此類推，直到檢測孔中都檢測到SF6氣體或者20 d內還沒檢測到SF6氣體為止。

2.2.3 檢測鉆孔的測定數據

手持式檢測儀檢測記錄，如表1 ～表4。

表1 第一組瓦斯抽采半徑檢測鉆孔現場測試記錄

（1）由表1 知，第一組檢測孔中，2#檢測孔在第2 天檢測到了SF6示蹤氣體，3#鉆孔在第4 天檢測到了示蹤氣體，4#檢測孔、5#檢測孔未檢測到SF6氣體。

（2）由表2 知，第二組檢測孔中，2#檢測孔在第4 天檢測到了SF6示蹤氣體，3#檢測孔、4#檢測孔在第6 天檢測到了SF6示蹤氣體，5#檢測孔在第10 天檢測到了SF6示蹤氣體。

表2 第二組瓦斯抽采半徑檢測鉆孔現場測試記錄

（3）由表3 知，第三組檢測孔中，2#檢測孔在第4 天檢測到了SF6示蹤氣體，3#檢測孔在第8天檢測到了SF6示蹤氣體。

表3 第三組瓦斯抽采半徑檢測鉆孔現場測試記錄

（4）由表4 知，第四組檢測孔中，2#檢測孔在注氣的第8 天檢測到了SF6示蹤氣體，3#檢測孔未檢測到SF6示蹤氣體。

表4 第四組瓦斯抽采半徑檢測鉆孔現場測試記錄

3 測定數據分析

在煤層賦存條件一定的情況下，瓦斯鉆孔抽采半徑r（m）與抽采時間t（d）之間符合冪函數關系，即：r=AtB

式中：r為抽采半徑，m；t為抽采時間，d；A、B為常數。

將現場測試記錄數據進行擬合，得出瓦斯抽采時間與抽采有效半徑的關系式：r= 0.867 t0.4054。

根據r= 0.867 t0.4054關系式并結合瓦斯壓力分布曲線（圖5）分析得到：瓦斯抽采鉆孔孔徑94 mm，孔口負壓在不低于14 kPa 的條件下，抽采時間1 d 時，抽采有效半徑約0.6 m；抽采10 d 時，抽采有效半徑約2.1 m；抽采30 d 時，抽采有效半徑約2.8 m；抽采60 d 時，抽采有效半徑仍是2.8 m。因此，確定瓦斯抽采鉆孔的抽采有效半徑為2.8 m。抽采30 d 和60 d 煤層瓦斯壓力基本不變，可以認為達到抽采邊界。

圖5 瓦斯壓力分布曲線

4 結論

6199 采煤工作面經采取數值模擬與SF6示蹤氣體實測相結合的測定方法，得到了孔徑94 mm 的本煤層瓦斯抽采鉆孔抽采有效半徑是2.8 m。根據抽采有效半徑進行科學布置本煤層鉆孔間距，抽放流量、抽放濃度相應得到提高，抽采效果顯著。