瓦斯抽采半徑測(cè)定與工程應(yīng)用*

池津維，王緒貴，郭江龍

(1.中煤科工能源科技發(fā)展有限公司， 北京 100013；2.貴州織金馬家田煤業(yè)有限公司， 貴州 畢節(jié)市 552108)

優(yōu)先治理開(kāi)采煤層瓦斯是煤礦安全生產(chǎn)的前提與保障，工作面鉆孔抽采瓦斯作為區(qū)域防突措施，是降低工作面瓦斯含量，防治煤與瓦斯突出的重要手段。施工鉆孔時(shí)既要保證鉆孔控制范圍覆蓋整個(gè)工作面，又要節(jié)約抽采成本使工作面盡快實(shí)現(xiàn)抽采達(dá)標(biāo)，因此需要確定該工作面鉆孔的合理布孔間距。采用現(xiàn)場(chǎng)鉆孔測(cè)試采集數(shù)據(jù)，壓力指標(biāo)法、流量法和示蹤氣體法測(cè)試鉆孔影響半徑，壓力指標(biāo)法和流量法計(jì)算鉆孔有效半徑。

1 瓦斯抽采半徑測(cè)試原理

鉆孔在預(yù)抽煤層瓦斯時(shí)，在煤層瓦斯壓力和孔底負(fù)壓的共同作用下，鉆孔周?chē)后w的瓦斯不斷進(jìn)入鉆孔被抽走，形成以鉆孔中線為軸心的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(shí)間的延長(zhǎng)，抽采影響半徑會(huì)逐漸加大，直到煤層瓦斯壓力與孔底負(fù)壓之差不足以克服深部煤體瓦斯運(yùn)移到鉆孔的阻力時(shí)為止[1]。在鉆孔抽采影響圈內(nèi)，煤體的瓦斯壓力和瓦斯含量會(huì)不斷降低，當(dāng)殘余瓦斯壓力（殘余瓦斯含量）和瓦斯預(yù)抽率同時(shí)達(dá)到有效值時(shí)，有效半徑圈的半徑稱為抽采有效半徑。

1.1 瓦斯抽采影響半徑測(cè)試原理

根據(jù)國(guó)內(nèi)常用的瓦斯抽采影響半徑考察的方法，本次瓦斯抽采影響半徑設(shè)計(jì)采用壓力指標(biāo)法，在無(wú)法測(cè)得鉆孔瓦斯壓力時(shí)采用流量法。

（1）壓力指標(biāo)法測(cè)試抽采影響半徑的基本原理為：隨著抽采時(shí)間的延長(zhǎng)，抽采鉆孔的影響逐漸變大，影響區(qū)域的瓦斯壓力均會(huì)逐漸降低，所以通過(guò)測(cè)試抽采鉆孔周邊鉆孔的瓦斯壓力變化即可測(cè)得抽采影響半徑。具體測(cè)試方法為：在抽采鉆孔周邊一定距離施工平行測(cè)壓鉆孔，測(cè)定煤層瓦斯壓力。當(dāng)觀測(cè)鉆孔壓力穩(wěn)定后，對(duì)抽采鉆孔聯(lián)抽，抽采過(guò)程中觀測(cè)側(cè)壓空壓力情況，隨著瓦斯抽采時(shí)間的延長(zhǎng)，抽采影響范圍逐漸變大，在影響范圍內(nèi)的測(cè)壓鉆孔瓦斯壓力降低。所以，根據(jù)瓦斯壓力變化情況即可確定抽采影響半徑，如果測(cè)得瓦斯壓力較高，實(shí)際工程應(yīng)用則以瓦斯壓力下降10%判斷影響半徑。

（2）流量法測(cè)試抽采影響半徑的基本原理為：順層排放鉆孔的自然瓦斯流量和排放時(shí)間的關(guān)系一般呈較好的負(fù)指數(shù)關(guān)系，在排放鉆孔周邊施工抽采鉆孔，隨著抽采時(shí)間的延長(zhǎng)，抽采鉆孔的影響范圍逐漸變大，當(dāng)影響范圍擴(kuò)大到排放鉆孔時(shí)，由于瓦斯來(lái)源減小，排放鉆孔的自然瓦斯流量會(huì)偏離原負(fù)指數(shù)曲線，所以可以通過(guò)排放鉆孔的流量變化曲線確定抽采半徑。

（3）示蹤氣體法測(cè)試抽采影響半徑的基本原理為：抽采鉆孔影響區(qū)域內(nèi)的瓦斯會(huì)再向抽采鉆孔流動(dòng)，如果在抽采鉆孔一定距離的煤體中注入性質(zhì)穩(wěn)定且易檢測(cè)的惰性氣體，抽采過(guò)程中惰性氣體會(huì)隨瓦斯一起流向抽采鉆孔，所以通過(guò)惰性氣體的示蹤作用即可判斷測(cè)試點(diǎn)是否在抽采影響范圍內(nèi)。具體測(cè)試方法為：在抽采鉆孔周邊一定距離施工平行觀測(cè)鉆孔。觀測(cè)孔內(nèi)注入惰性示蹤氣體，在抽采過(guò)程中，測(cè)試抽采鉆孔內(nèi)是否有示蹤氣體，如果在抽采鉆孔內(nèi)檢測(cè)到示蹤氣體，則說(shuō)明觀測(cè)鉆孔在抽采影響半徑內(nèi)。

1.2 瓦斯抽采有效半徑測(cè)試原理

煤礦瓦斯預(yù)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兩個(gè)基本判據(jù)：一是消除突出危險(xiǎn)性，實(shí)際工程應(yīng)用中，主要通過(guò)煤層殘余瓦斯壓力或殘余瓦斯含量指標(biāo)進(jìn)行判斷；二是減小瓦斯涌出，實(shí)際工程應(yīng)用中，主要通過(guò)瓦斯預(yù)抽率指標(biāo)判斷是否抽采達(dá)標(biāo)。當(dāng)煤層具有突出危險(xiǎn)性時(shí)，須同時(shí)滿足上述兩個(gè)判據(jù)，當(dāng)煤層原始瓦斯壓力小于0.74 MPa且原始瓦斯含量小于8 m3/t時(shí)，則只需滿足第二個(gè)判據(jù)即可。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(guò)瓦斯抽采流量和瓦斯壓力考察，或者兩者同時(shí)采用，相互驗(yàn)證。操作時(shí)需采集測(cè)試參數(shù)，在抽采孔周邊施工平行測(cè)壓鉆孔，測(cè)定煤層瓦斯壓力（測(cè)試壓力不必然等于煤層原始瓦斯壓力），施工過(guò)程中測(cè)試煤層原始瓦斯含量，測(cè)壓鉆孔壓力穩(wěn)定后，對(duì)抽采孔聯(lián)抽，抽采過(guò)程中每天觀測(cè)測(cè)壓鉆孔瓦斯壓力和抽采鉆孔的流量、濃度等抽采參數(shù)。

1.2.1 壓力指標(biāo)法計(jì)算有效抽采半徑

當(dāng)實(shí)測(cè)瓦斯壓力大于 0.74 MPa時(shí)，抽采過(guò)程中，若累計(jì)抽采時(shí)間t時(shí)，距離抽采鉆孔r的測(cè)壓鉆孔瓦斯壓力下降到0.74 MPa以下。則可直接得到“抽采時(shí)間t時(shí)瓦斯抽采有效半徑r”的結(jié)論。當(dāng)瓦期壓力小于0.74 MPa時(shí)，或?qū)崪y(cè)瓦斯壓力不準(zhǔn)確時(shí)，如順層鉆孔測(cè)試的原始瓦斯壓力普遍偏低，此時(shí)無(wú)法直接通過(guò)壓力降低絕對(duì)值判定是否抽采有效，需要根據(jù)預(yù)抽率計(jì)算瓦斯壓力降低相對(duì)值判斷抽采是否有效。根據(jù)《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》、《煤礦瓦斯抽放規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范對(duì)預(yù)抽率要求，采掘工作面的瓦斯預(yù)抽率η達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，瓦斯含量Q與瓦斯壓力P的關(guān)系服從朗格繆爾式，工程中可簡(jiǎn)化為：

式中，Q為瓦斯含量，m3/t；P為瓦斯壓力，MPa；α為煤層瓦斯含量系數(shù)，m3/(t·MPa0.5)。

則殘余瓦斯壓力達(dá)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)為P(1-η)2，如實(shí)現(xiàn)瓦斯預(yù)抽率30%的目標(biāo)，則瓦斯壓力降低51%以上即為抽采達(dá)標(biāo)。所以當(dāng)測(cè)試的瓦斯壓力值較低時(shí)，若累計(jì)抽采時(shí)間t時(shí)，距離抽采鉆孔r的測(cè)壓鉆孔瓦斯壓力下降(1-η)2以上時(shí)，則可得到抽采時(shí)間t時(shí)瓦斯抽采有效半徑為r的結(jié)論。

1.2.2 流量法計(jì)算有效抽采半徑

流量法計(jì)算有效抽采半徑的基本原理是通過(guò)計(jì)算累計(jì)瓦斯抽采量和抽采范圍的瓦斯儲(chǔ)量，進(jìn)而計(jì)算瓦斯抽采率和殘余瓦斯含量，通過(guò)達(dá)標(biāo)抽采率和瓦斯含量臨界值判斷抽采是否有效。抽采鉆孔聯(lián)抽后，每天測(cè)試鉆孔抽采參數(shù)，對(duì)測(cè)試的瓦斯抽采純量與累計(jì)抽采時(shí)間做回歸分析得到負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系式[2]：

式中，qct為抽采時(shí)間t下平均瓦斯抽采純量，m3/min；qc0為有效鉆孔長(zhǎng)度條件下鉆孔初始瓦斯抽采量，m3/min；β為鉆孔瓦斯抽采量衰減系數(shù)，d-1，t為鉆孔的瓦斯抽采時(shí)間，d。

對(duì)式（2）積分，可以得到任意時(shí)間t內(nèi)鉆孔瓦斯抽采總量Qct：

式中，Qct為任意時(shí)間t內(nèi)鉆孔瓦斯抽采總量，m3。

測(cè)定煤層原始瓦斯含量，根據(jù)測(cè)定抽采時(shí)間t時(shí)的抽采鉆孔影響半徑r和煤層厚度等基本信息，可計(jì)算鉆孔控制范圍內(nèi)的瓦斯儲(chǔ)量，進(jìn)而計(jì)算時(shí)間t內(nèi)瓦斯預(yù)抽率函數(shù)。當(dāng)計(jì)算的預(yù)抽率大于或等于達(dá)標(biāo)預(yù)抽率，即可計(jì)算預(yù)抽時(shí)間t時(shí)的瓦斯抽采有效半徑，見(jiàn)式（4）。

式中，r為抽采半徑，m；η達(dá)標(biāo)為達(dá)標(biāo)預(yù)抽率，%；h為煤層厚度，m；L為抽采鉆孔長(zhǎng)度，m；γ為原煤容重，t/m3；W為煤層原始瓦斯含量，m3/t。

2 抽采半徑與合理抽采時(shí)間測(cè)定

2.1 測(cè)試方案設(shè)計(jì)

根據(jù)礦井開(kāi)拓情況，選擇在 M16煤層 11161工作面回風(fēng)巷的一段巷道測(cè)試，測(cè)試前保證在施工段前后20 m范圍內(nèi)無(wú)鉆孔影響。試驗(yàn)時(shí)將在此區(qū)域施工1個(gè)抽采孔和5個(gè)測(cè)壓孔，其布置如圖1所示。在每個(gè)測(cè)壓孔裝上壓力表，記錄每個(gè)測(cè)壓孔的原始?jí)毫Γ鱾€(gè)測(cè)壓孔的壓力穩(wěn)定后施工抽采孔，抽采孔施工完成后進(jìn)行抽采，同時(shí)記錄每個(gè)測(cè)壓孔壓力值的變化情況，將瓦斯壓力下降到穩(wěn)定壓力，10%以上的鉆孔是為抽采影響范圍內(nèi)的狀況，將距抽采鉆孔最遠(yuǎn)的抽采影響范圍內(nèi)的鉆孔到抽采鉆孔的距離，視為抽采影響半徑。

圖1 測(cè)試鉆孔布置方案

同時(shí)測(cè)定每個(gè)測(cè)壓鉆孔的瓦斯壓力，根據(jù)每個(gè)測(cè)壓孔的原始瓦斯壓力和抽采后的壓力，可以得到每個(gè)測(cè)壓孔的預(yù)抽率，如果n（n=1，2，…，5）號(hào)鉆孔以及n號(hào)鉆孔之前的每個(gè)測(cè)壓孔的瓦斯壓力下降量都大于或等于51%，而n號(hào)孔之后的測(cè)孔壓都小于51%，則n號(hào)孔距抽采孔的距離就是抽采鉆孔的有效半徑[3]。因此，確定鉆孔瓦斯抽采影響半徑的指標(biāo)為瓦斯壓力下降10%以上，確定抽采鉆孔有效抽采半徑的指標(biāo)為瓦斯壓力下降51%以上[4]。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)施工及采集數(shù)據(jù)

現(xiàn)場(chǎng)施工于2017年11月18日至21日進(jìn)行，共施工5個(gè)孔徑為75 mm、孔傾角19°、方位角343°、終孔深度50 m的順層測(cè)壓孔，鉆孔封孔后接壓力表觀察瓦斯壓力變化?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)得最大瓦斯壓力為0.43 MPa，最大瓦斯含量為7.10 m3/t。至12月7日，連續(xù)7日各測(cè)壓鉆孔壓力值穩(wěn)定不變，抽采鉆孔于12月8日開(kāi)始施工并與抽采系統(tǒng)連接。抽采孔開(kāi)始接管抽采后，觀察測(cè)壓孔瓦斯壓力值變化并進(jìn)行記錄。至2018年1月19日試驗(yàn)結(jié)束共觀測(cè)42 d。依照觀測(cè)數(shù)據(jù)繪制了觀察孔瓦斯壓力隨時(shí)間的變化曲線[5]，如圖2所示。

2.3 抽采半徑隨抽采時(shí)間變化規(guī)律分析

由圖2可知，在抽采鉆孔開(kāi)始接管抽采后，各觀察鉆孔瓦斯壓力隨時(shí)間呈現(xiàn)跳躍式且總體下降的趨勢(shì)，且距離抽采孔越遠(yuǎn)，隨時(shí)間變化越緩，即距離抽采孔越遠(yuǎn)的煤體，瓦斯壓力下降到抽采合格標(biāo)準(zhǔn)所需的時(shí)間越長(zhǎng)[6]。

在假設(shè)賦存條件不變的情況下，鉆孔周?chē)簩油笟庑宰兓c煤層瓦斯預(yù)抽量成正比[7]，通過(guò)對(duì)瓦斯流動(dòng)的相關(guān)分析，結(jié)果表示有效抽采半徑與抽采時(shí)間符合乘冪函數(shù)關(guān)系[8]。將各鉆孔瓦斯壓力值進(jìn)行線性回歸，將各個(gè)鉆孔瓦斯壓力值達(dá)到抽采有效線所需時(shí)間與該鉆孔到抽采孔的距離進(jìn)行線性擬合，可得出如下公式：

圖2 觀察孔瓦斯壓力隨時(shí)間變化曲線

抽采影響半徑：

有效抽采半徑：

式中，Ry為抽采影響半徑，m；Rc為抽采有效半徑，m；t為抽采時(shí)間，d。

將假設(shè)抽采時(shí)間分別代入公式（5）、（6），得到本煤層理想狀態(tài)下抽采時(shí)間與抽采影響半徑、抽采有效半徑的關(guān)系，見(jiàn)表1。

從表1中可知，在理想狀態(tài)下，本煤層的抽采影響半徑和抽采有效半徑隨著時(shí)間延長(zhǎng)而增加。理論上順層預(yù)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(yīng)在此基礎(chǔ)上適當(dāng)減小，同時(shí)為了方便現(xiàn)場(chǎng)施工放線，對(duì)理論孔間距進(jìn)行縮小取整作為合理鉆孔孔間距。結(jié)合煤礦采掘接替等因素考慮，將抽采時(shí)間 80 d所能達(dá)到的抽采效果作為本煤層抽采半徑考察經(jīng)濟(jì)點(diǎn)，確定在目前抽采條件下，采用Φ75 mm的鉆頭施工鉆孔，抽采時(shí)間80 d時(shí)，本煤層抽采有效半徑為2.5 m，抽采影響半徑為3.7 m。

表1 M16煤層抽采時(shí)間與抽采半徑關(guān)系

2.4 瓦斯抽放實(shí)踐

井田內(nèi)全區(qū)及大部可采煤層有5層（M2、M6、M14、M16、M30煤層），M16煤層為較穩(wěn)定的大部可采煤層，煤層厚度0.14 m～2.20 m，平均1.54 m，其瓦斯含量大小受煤層埋深影響較大。礦井分兩個(gè)采區(qū)開(kāi)采，一采區(qū)M16煤層瓦斯壓力為0.05～0.15 MPa，瓦斯含量為4.84 m3/t～14.81 m3/t，瓦斯放散初速度為22.1 mmHg～22.4 mmHg，煤的堅(jiān)固性系數(shù)為 0.78～0.93，煤的破壞類型為Ⅱ類，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)α=0.018 d-1～0.024 d-1，透氣性系數(shù)λ=1.720 m2/(MPa2·d)～244.675 m2/(MPa2·d)，屬于可以抽采～容易抽采煤層。M16煤層屬Ⅲ類不易自燃，無(wú)爆炸危險(xiǎn)性。

11161工作面是一采區(qū) M16煤層的首采工作面，其回風(fēng)巷及巷道兩側(cè)內(nèi)的瓦斯含量為 3.95 m3/t～4.86 m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量為0.385 m3/min～3 m3/min。預(yù)測(cè)工作面正?；夭蓵r(shí)的絕對(duì)瓦斯涌出量為 11.99 m3/min，最大絕對(duì)瓦斯涌出量 16.79 m3/min。區(qū)域防突措施為本煤層順層鉆孔抽采瓦斯，結(jié)合有效抽采半徑測(cè)定結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際確定的抽采方案為在11161運(yùn)輸巷上幫施工一組預(yù)抽鉆孔，鉆孔開(kāi)口高度為1.4 m，間隔2.5 m，終孔距離為2.5 m，傾角21°，孔徑75 mm，孔深90 m?，F(xiàn)場(chǎng)施工從2017年12月24日開(kāi)始至2018年2月10日施工結(jié)束，共計(jì)施工163個(gè)鉆孔。鉆孔控制整個(gè)采煤工作面改造的部分（包括11161改造運(yùn)輸巷巷下幫15 m）范圍。鉆孔采用邊施工邊接管抽采形式進(jìn)行，鉆孔從2018年1月20日開(kāi)始接管抽放，到2018年2月10日接管結(jié)束，截止2018年4月10日共計(jì)抽量87 901.77 m3。瓦斯抽放量曲線如圖3所示。

圖3 瓦斯抽采量隨時(shí)間變化曲線

2.5 抽采達(dá)標(biāo)判定

本次預(yù)抽鉆孔設(shè)計(jì)間距為 2.5 m，預(yù)抽鉆孔竣工后經(jīng)驗(yàn)收，相鄰鉆孔最大間距均小于設(shè)計(jì)間距，鉆孔布孔均勻程度滿足設(shè)計(jì)要求，預(yù)抽煤層瓦斯鉆孔可以控制整個(gè)評(píng)價(jià)區(qū)域煤層。防突鉆孔控制區(qū)域煤層儲(chǔ)量為40 072.4 t，瓦斯儲(chǔ)量為284 514 m3。根據(jù)瓦斯抽采后煤的殘余瓦斯含量計(jì)算公式求得抽采后煤的殘余瓦斯含量為4.92 m3/t?，F(xiàn)場(chǎng)防突人員根據(jù)效果檢驗(yàn)鉆孔布置圖，在檢驗(yàn)測(cè)試鉆孔施工過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)取樣，井下解析，又密封帶回地面瓦斯實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行深度解析，采用 DGC瓦斯含量計(jì)算系統(tǒng)計(jì)算得最大殘余瓦斯含量為4.742 m3/t，殘余瓦斯壓力為0.323 MPa。瓦斯抽采率按抽采瓦斯量計(jì)算為30.9 %。

綜上所述，11161采煤工作面改造區(qū)域本次評(píng)價(jià)范圍最大殘余瓦斯含量為4.84 m3/t，殘余瓦斯壓力為0.322 MPa，瓦斯抽采率為31.5%，滿足《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》要求。

3 結(jié)論

（1）采用壓力指標(biāo)法測(cè)定鉆孔有效半徑，分別得到了鉆孔有效半徑、鉆孔影響半徑與時(shí)間關(guān)系公式。

（2）通過(guò)公式計(jì)算得到抽采80 d后鉆孔有效半徑和影響半徑不再擴(kuò)大，確定鉆孔的有效半徑為2.5 m，影響半徑為3.7 m。

（3）根據(jù)測(cè)定結(jié)果設(shè)計(jì)了11161工作面改造區(qū)域抽采方案，經(jīng)80 d抽采后，對(duì)此區(qū)域進(jìn)行效果檢驗(yàn)，測(cè)得最大殘余瓦斯含量為4.742 m3/t，殘余瓦斯壓力為0.323 MPa，瓦斯抽采率為30.9 %，滿足《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》的要求。