基于鉆孔瓦斯流量和煤層瓦斯含量測定有效抽采半徑

高文貴 王賢田 武德堯

(1.山西汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司賀西煤礦，山西省柳林縣，033300；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

煤礦瓦斯抽采是降低礦井瓦斯涌出量、防止瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出災(zāi)害的重要措施。煤層瓦斯抽采的鉆孔間距是影響瓦斯抽采效果的重要因素，鉆孔間距過大，在抽采范圍內(nèi)容易形成抽采盲區(qū)，鉆孔間距過小，容易造成人力和物力的巨大浪費(fèi)。只有準(zhǔn)確測定鉆孔的有效抽采半徑才能合理地提高煤層瓦斯的抽采率，達(dá)到安全防突的目的。

目前應(yīng)用的煤層瓦斯半徑測定方法主要分為理論計算與現(xiàn)場測定。理論方面，周世寧、孫培德等依據(jù)達(dá)西定律和質(zhì)量守恒定律建立了預(yù)抽鉆孔周圍瓦斯流動規(guī)律方程，并給出有效抽采半徑計算的解析解；舒才、王兆豐等利用數(shù)值計算方法分析鉆孔周圍瓦斯流動，確定有效抽采半徑；理論計算方法可以快速地確定有效抽采半徑，但在抽采參數(shù) (抽采時間、半徑、負(fù)壓等) 的選取上還沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識，帶有一定的經(jīng)驗性。因此有效抽采半徑多采用現(xiàn)場測定的方法確定。

1 有效抽采半徑理論依據(jù)

鉆孔抽采瓦斯時，由于抽采負(fù)壓的作用，瓦斯開始向鉆孔流動，瓦斯由近而遠(yuǎn)逐漸被抽走，其影響范圍可看成一個圓形區(qū)域。影響范圍的大小主要由煤體透氣性決定，隨抽采時間的延長向外延伸，并存在一個極限影響范圍。影響范圍內(nèi)達(dá)到消除煤與瓦斯突出危險性的區(qū)域認(rèn)為有效，由此可確定有效抽采半徑。

1.1 瓦斯含量測定

(1)通過取芯鉆桿將煤芯從煤層深部取出，及時放入煤樣罐中密封，然后測量煤樣筒中煤樣的瓦斯解吸速度及解吸量，并以此計算煤樣罐密封之前的瓦斯損失量W1。

(2)把煤樣罐帶到實驗室測量煤樣罐中常壓自然釋放出的瓦斯量與井下測量的瓦斯解吸量一起計算煤芯常壓自然解吸瓦斯量W2。

(3)將煤樣罐中的部分煤樣裝入密封的粉碎儀中加以粉碎，測量粉碎一段時間后自然所解吸出的瓦斯量，并以此為基準(zhǔn)計算全部煤樣在粉碎后所解吸出的粉碎自然解吸瓦斯量W3。

(4)瓦斯損失量、常壓自然解吸量和粉碎自然解吸量之和就是可解吸瓦斯含量。常壓不可解吸瓦斯含量Wt采用MT/T 752方法利用真空脫氣裝置測定，直接測定(鉆屑法)煤層瓦斯含量。

1.2 瓦斯流量測定

煤礦現(xiàn)場大量實踐證明，鉆孔抽采瓦斯流量衰減規(guī)律符合負(fù)指數(shù)關(guān)系。對單孔抽采瓦斯量進(jìn)行實測，為避免不同鉆孔的見煤長度和半徑影響，將計量結(jié)果統(tǒng)一換算為百米鉆孔抽采量，并進(jìn)行回歸分析?；貧w分析采用如下公式：

qt=q0e-βt

(1)

式中：qt——百米鉆孔抽采時間t時鉆孔瓦斯抽采量，m3/(hm·min)；

q0——百米鉆孔瓦斯初始抽采量，m3/(hm·min)；

β——抽采鉆孔瓦斯涌出衰減系數(shù)，d-1。

一般是民營資本通過租賃、出讓、置換等方式將有一定規(guī)模、比較成片的閑置農(nóng)宅轉(zhuǎn)換成旅游企業(yè)的經(jīng)營資產(chǎn)，旅游企業(yè)擁有閑置宅的使用權(quán)和經(jīng)營權(quán)。

對式(1)在抽采時間t內(nèi)積分，依據(jù)瓦斯預(yù)抽率計算公式。測定瓦斯抽采半徑的判據(jù)為：

(2)

式中：r——有效抽采半徑，m；

ρ——煤的密度，t/m3；

η——瓦斯預(yù)抽率，%；

Wc——殘余瓦斯含量，m3/t；

W——原始瓦斯含量，m3/t。

根據(jù)式(2)，即可求出不同預(yù)抽時間下的瓦斯抽采半徑。同時在鉆孔未進(jìn)行抽采時，采取DGC瓦斯含量測定裝置，測得原始瓦斯含量W，待抽采60 d后，在距離抽采孔不同距離處，測得殘余瓦斯含量Wc，得到具體抽采孔不同距離下的預(yù)抽率，從而驗證有效抽采半徑內(nèi)，抽采效果是否達(dá)標(biāo)。

2 測試方案

(1)在賀西煤礦3316材料巷，選擇煤層瓦斯賦存穩(wěn)定、無地質(zhì)構(gòu)造、且頂?shù)装逋笟庑暂^差區(qū)域各施工2個抽采鉆孔(1#和2#)，鉆孔參數(shù)見表1，為保證預(yù)抽時間內(nèi)兩抽采鉆孔互不影響，抽采鉆孔間距應(yīng)大于10 m。

表1 1#、2#抽采孔具體參數(shù)

(2)抽采鉆孔施工完后，立即封孔(封孔長度大于8 m)，封孔采用兩堵一注的方式，并連接抽采系統(tǒng)，如圖1所示。

由圖1可以看出，瓦斯依次經(jīng)過負(fù)壓表、孔板流量計、瓦斯抽采管路。負(fù)壓通過負(fù)壓表直接讀取，瓦斯流量通過讀出U形壓差計的△H，換算成瓦斯流量，而瓦斯?jié)舛韧ㄟ^光學(xué)瓦斯?jié)舛葍x測得。

(3)預(yù)抽60 d后施工驗證鉆孔，在1#鉆孔左側(cè)7 m、5 m和3 m處分別施工3個含量驗證孔，在2#鉆孔左側(cè)6 m，右側(cè)4 m、6 m和8 m處分別施工4個含量驗證孔，測定抽采后煤層瓦斯含量，具體如圖2所示。

1—鉆孔；2—負(fù)壓表；3—瓦斯抽采管路；4—放水器；5—U型壓差計；6—孔板流量計；7—封孔管路

圖2 瓦斯含量驗證鉆孔布置示意圖

3 結(jié)果及分析

依據(jù)賀西煤礦3316材料巷布置的1#和2#抽采鉆孔監(jiān)測的瓦斯抽采數(shù)據(jù)，兩個鉆孔的瓦斯?jié)舛?、瓦斯純量隨時間變化分別如圖3、圖4所示。

(1)1#測試鉆孔分析。1#孔見煤長度為23 m，圖4(a)中擬合曲線按式(1)換算成百米鉆孔抽采量：qt=0.282e-0.0052t。因此，瓦斯初始抽采量q0為0.282 m3/(hm·min)，β為0.0052 d-1?！睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定，預(yù)抽率大于30%為抽采達(dá)標(biāo)，考慮一定的安全系數(shù)，將預(yù)抽率大于40%作為抽采達(dá)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)計算抽采半徑R。預(yù)抽率取40%，密度ρ為1.37 t/m3，原始瓦斯含量W為6.22 m3/t，根據(jù)式(2)得出預(yù)抽30 d、60 d、90 d、120 d、150 d、180 d、240 d時的有效抽采半徑分別為2.27 m、4.46 m、5.27 m、5.87 m、6.34 m、6.72 m和7.27 m。

圖3 瓦斯?jié)舛入S時間變化趨勢

圖4 瓦斯抽采純量衰減曲線

按照圖2所示，抽采60 d后，在距1#鉆孔左側(cè)7 m、5 m和3 m處分別施工3個含量驗證孔，采用井下DGC瓦斯含量測定裝置測定抽采后煤層瓦斯含量，測得7 m處預(yù)抽后瓦斯含量為4.87 m3/t，預(yù)抽率為21.7%；5 m處預(yù)抽后瓦斯含量為3.54 m3/t，預(yù)抽率為43.1%；3 m處預(yù)抽后瓦斯含量為3.02 m3/t，預(yù)抽率為48.6%。從瓦斯含量來判斷，抽采半徑R≥7 m時，抽采效果不達(dá)標(biāo)；R≤5 m時，抽采效果達(dá)標(biāo)。

(2)2#測試鉆孔分析。2#鉆孔見煤長度為16 m，圖4(b)中擬合曲線按式(1)換算成百米鉆孔抽采量：qt=0.279e-0.0054t。因此，瓦斯初始抽采量q0為0.279 m3/(hm·min)，β為0.0054 d-1，預(yù)抽率為40%，密度ρ為1.37 t/m3，原始瓦斯含量為W為6.22 m3/t， 根據(jù)式(2)得出預(yù)抽30 d、60 d、90 d、120 d、150 d、180 d、240 d時的有效抽采半徑分別為3.25 m、4.42 m、5.21 m、5.80 m、6.25 m、6.62 m和7.15 m。

按照圖2所示，抽采60 d后，在距2#鉆孔左側(cè)6 m，右側(cè)4 m、6 m和8 m處分別施工4個含量驗證孔，采用DGC瓦斯含量測定裝置測定抽采后煤層瓦斯含量，測得8 m處預(yù)抽后瓦斯含量為6.02 m3/t，8 m處瓦斯含量基本未降，說明抽采范圍未達(dá)到8 m處；6 m處預(yù)抽后瓦斯含量為3.7 m3/t，預(yù)抽率為40.5%；4 m處預(yù)抽后瓦斯含量為3.42 m3/t，預(yù)抽率為45%。從瓦斯含量來判斷，抽采半徑R≥8 m時，抽采效果不達(dá)標(biāo)；R≤6 m時，抽采效果達(dá)標(biāo)。

4 結(jié)論

(1)通過檢測獲得了瓦斯抽采純量、瓦斯?jié)舛扰c時間的函數(shù)變化關(guān)系，分析表明瓦斯流量及濃度隨時間呈衰減趨勢。

(2)提出采用抽采鉆孔瓦斯流量和驗證鉆孔預(yù)抽率相結(jié)合的方法來確定有效抽采半徑?，F(xiàn)場的瓦斯流量數(shù)據(jù)可用于定性預(yù)測鉆孔有效抽采半徑范圍，再結(jié)合驗證孔的瓦斯含量變化，能準(zhǔn)確計算出有效抽采半徑。

(3)選取賀西煤礦3316材料巷進(jìn)行了現(xiàn)場測試，結(jié)果表明，預(yù)抽時間為60 d時3#煤層有效抽采半徑為5 m。