陽泉五礦15號煤層不同孔徑的有效抽采半徑對比研究

高 明

(潞安化工集團 五礦，山西 陽泉 045000)

目前，抽采半徑測定方法主要有瓦斯含量降低法、鉆孔瓦斯流量法和瓦斯壓力降低法[1-3]。瓦斯壓力降低法由于封孔與鉆孔技術弊端，難以準確掌握瓦斯的真實壓力[4-6]。采用瓦斯含量法進行抽采半徑考察時，需要測不同間距處的瓦斯含量，一旦實測瓦斯含量未降至臨界值以下，含量取樣孔將破壞考察條件，致使考察孔無法繼續(xù)考察，該方法只需測含量數(shù)據(jù)，操作簡單，但需要根據(jù)測定過程的實際情況隨時調整布孔方案，同時含量測定數(shù)據(jù)間誤差大、不確定性因素多。而鉆孔瓦斯流量法操作相對簡單、測試成功率高，大量抽采數(shù)據(jù)統(tǒng)計能降低單個數(shù)據(jù)測試偏差，考察出的半徑更接近于現(xiàn)場抽采工程實際，因此，本次瓦斯抽采半徑考察以鉆孔瓦斯流量法確定15號煤層不同孔徑90 mm、113 mm和133 mm的有效抽采半徑。

鉆孔瓦斯流量法通過單孔抽采時間與流量關系計算出瓦斯抽采累計量，根據(jù)其他參數(shù)總抽采量、瓦斯含量、有效抽采率之間的相互關系得到不同時間條件下的有效抽采孔距，此方法簡單易操作，結果較為準確。

1 試驗工作面概況及鉆孔布置概況

1.1 試驗工作面概況

五礦該次15號煤層瓦斯抽采半徑考察的試驗巷道設在8408工作面回風巷。8408工作面東北部為礦界，東南部為8406工作面(已采)，西南部及西北部為采區(qū)大巷。在8408工作面回風巷選取一段長250 m的巷道作為現(xiàn)場試驗地點。8408回風巷為煤巷，該巷道設計長度為664 m，巷道為矩形斷面，巷道寬度為5.40 m，巷道高度為4.05 m，巷道斷面積為21.87 m2.該工作面15號煤層整體為一軸向北東的向斜形態(tài)，煤層傾角3～11°,平均約7°，煤層總厚度6.2 m.

1.2 試驗鉆孔的布置

在15號煤層8408工作面試驗施工3種孔徑(90 mm、113 mm和133 mm)考察鉆孔，每種考察鉆孔布置3組平行順層鉆孔，組間距為10 m，每組鉆孔數(shù)3個，鉆孔間距分別設計為5.5 m、6 m、6.5 m.試驗鉆孔長度在115～119 m，開孔高度為1.5 m，傾角為1～3°(沿煤層傾角)，保證上向孔，鉆孔抽采管采用PVC管，連接到抽采管路上，安裝孔板流量計(或其他瓦斯抽采多參數(shù)計量裝置)分別記錄單孔的瓦斯流量、瓦斯?jié)舛群拓搲?，測定結果見表1，抽采半徑考察鉆孔的布置如圖1所示。

表1 抽采半徑考察鉆孔竣工參數(shù)及瓦斯含量測定結果

圖1 抽采半徑考察布置鉆孔示意

從表1看出，試驗區(qū)域實測原煤瓦斯含量為6.10～9.11 m3/t，最大瓦斯含量為9.11 m3/t，平均瓦斯含量為7.45 m3/t.

抽采鉆孔施工完畢后，采用囊袋式“三堵兩注”水泥砂漿封孔方式，封孔長度不低于15 m。封孔管采用D63 mm封孔管，每個單孔加裝流量計，將鉆孔連接到抽放管路上，試驗期間確保抽采負壓大于13 kPa。利用瓦斯多參數(shù)管道測定儀測定并記錄單孔的瓦斯抽采參數(shù)，包括抽采負壓、濃度、流量等，試驗鉆孔接抽后，抽采前期(前20 d)一般每天記錄單孔抽采參數(shù)，中后期記錄按3 d一次(21 d以后)，中后期檢測時間間隔根據(jù)前期考察情況可適當延長，該次五礦抽采半徑考察孔的抽采計量統(tǒng)計時間均在1個月以上。

2 不同孔徑不同間距抽采鉆孔的瓦斯抽采規(guī)律

為了研究不同孔徑條件下不同間距鉆孔抽采效果，測定了瓦斯抽采量衰減系數(shù)(β)和鉆孔初始瓦斯抽采量(Qc0)。通過按鉆孔間距分組測定法，按照以下公式計算。

式中：Q標況為標準狀態(tài)條件下的瓦斯流量，m3/min；Q工況為工況狀態(tài)條件下的瓦斯流量，m3/min；P0為標準大氣壓力，取101 325 Pa；P1為抽采鉆孔孔口絕對壓力，井下大氣壓力為90 025 Pa；T為抽采鉆孔孔口瓦斯的絕對溫度(T=273.2+t)，K；T0為標準狀態(tài)條件下的絕對溫度，取273.2 K；t為抽采孔口瓦斯的溫度，℃.

大量實踐表明，鉆孔瓦斯抽采量Qct與鉆孔的抽采時間t符合如下負指數(shù)函數(shù)關系式：

Qct=Qc0e-βt

式中：Qc0為初始瓦斯抽采量(百米鉆孔)，m3/min·hm-1；Qct為百米鉆孔抽采時間t下平均瓦斯抽采量，m3/min·hm-1；β為量衰減系數(shù)，d-1；t為抽采時間，d。

對上式積分，得到任意t天內的鉆孔瓦斯抽采總量Qct：

式中：Qct為t天內的鉆孔瓦斯抽采總量，m3；Qci為t→∞時鉆孔極限瓦斯抽采量，m3.

2.1 孔徑90 mm鉆孔瓦斯抽采規(guī)律

間距為5.5 m時，百米單孔抽采純量與時間函數(shù)關系為：

Qct=0.270 9e-0.026t

間距為6 m時，百米單孔抽采純量與時間函數(shù)關系為：

Qct=0.35e-0.033t

間距為6.5 m時，百米單孔抽采純量與時間函數(shù)關系為：

Qct=0.31e-0.028t

根據(jù)以上公式，可得不同鉆孔間距下百米鉆孔瓦斯抽采總流量與抽采時間關系如下：

間距為5.5 m時，抽采鉆孔總流量與時間函數(shù)關系為：

Qct=15 003.69(1-e-0.026t)

間距為6 m時，抽采鉆孔總流量與時間函數(shù)關系為：

Qct=15 272.73(1-e-0.033t)

間距為6.5 m時，抽采鉆孔總流量與時間函數(shù)關系為：

Qct=15 942.86(1-e-0.028t)

2.2 孔徑113 mm鉆孔瓦斯抽采規(guī)律

間距為5.5 m時，百米單孔抽采純量與時間函數(shù)關系為：

Qct=0.290 8e-0.026t

間距為6 m時，百米單孔抽采純量與時間函數(shù)關系為：

Qct=0.419 2e-0.037t

間距為6.5 m時，百米單孔抽采純量與時間函數(shù)關系為：

Qct=0.382 9e-0.033t

根據(jù)以上公式，可得不同鉆孔間距下百米鉆孔瓦斯抽采總流量與抽采時間關系如下：

間距為5.5 m時，抽采鉆孔總流量與時間函數(shù)關系為：

Qct=16 105.85(1-e-0.026t)

間距為6 m時，抽采鉆孔總流量與時間函數(shù)關系為：

Qct=16 314.81(1-e-0.037t)

間距為6.5 m時，抽采鉆孔總流量與時間函數(shù)關系為：

Qct=16 708.36(1-e-0.033t)

2.3 孔徑133 mm鉆孔瓦斯抽采規(guī)律

間距為5.5 m時，百米單孔抽采純量與時間函數(shù)關系為：

Qct=0.396 9e-0.034t

間距為6 m時，百米單孔抽采純量與時間函數(shù)關系為：

Qct=0.312 8e-0.027t

間距為6.5 m時，百米單孔抽采純量與時間函數(shù)關系為：

Qct=0.346 1e-0.03t

根據(jù)以上公式，可得不同鉆孔間距下百米鉆孔瓦斯抽采總流量與抽采時間關系如下：

間距為5.5 m時，抽采鉆孔總流量與時間函數(shù)關系為：

Qct=16 809.88(1-e-0.034tt)

間距為6 m時，抽采鉆孔總流量與時間函數(shù)關系為：

Qct=16 682.67(1-e-0.027t)

間距為6.5 m時，抽采鉆孔總流量與時間函數(shù)關系為：

Qct=16 612.8(1-e-0.03t)

從圖2～圖10可知，瓦斯流量隨著抽采時間增加而減小，呈負指數(shù)關系衰減，而孔距越小，瓦斯抽采流量越大，表明在抽采時間、體積煤體和瓦斯含量同等條件下，鉆孔間距越大，瓦斯抽采速度越慢，煤層瓦斯含量下降越慢。

圖2 孔徑90 mm孔距5.5 m的百米瓦斯流量衰減趨勢圖

圖3 孔徑90 mm孔距6 m的百米瓦斯流量衰減趨勢圖

圖4 孔徑90 mm孔距6.5 m的百米瓦斯流量衰減趨勢圖

圖5 孔徑113 mm孔距5.5 m的百米瓦斯流量衰減趨勢圖

圖6 孔徑113 mm孔距6 m的百米瓦斯流量衰減趨勢圖

圖7 孔徑113 mm孔距6.5 m的百米瓦斯流量衰減趨勢圖

圖8 孔徑133 mm孔距5.5 m的百米瓦斯流量衰減趨勢圖

圖9 孔徑133 mm孔距6 m的百米瓦斯流量衰減趨勢圖

圖10 孔徑133 mm孔距6.5 m的百米瓦斯流量衰減趨勢圖

3 不同孔徑條件下不同間距的鉆孔瓦斯預抽率與時間關系

鉆孔預抽煤層瓦斯效果的主要指標是瓦斯預抽率，它是指在一定抽采時間某一范圍內瓦斯抽出量與鉆孔瓦斯儲量的比值關系：

η=100Q/(LlM0rW0)

式中：η為鉆孔瓦斯預抽率，%；Q抽為t抽采時間內百米鉆孔抽出的純瓦斯量，m3，取Qct；L為鉆孔區(qū)域，m(孔間距5.5 m、6 m、6.5 m)；l為抽采鉆孔長度，取100 m；M0為煤厚，8408工作面煤厚取6.6 m；r為煤密度，取1.35 t/m3；W0為煤層原始條件下瓦斯含量，試驗區(qū)域最大實測瓦斯含量,取9.11 m3/t.

其余以上符號意義同前。

根據(jù)公式，瓦斯預抽率與時間關系如下：

1) 90 mm孔徑。間距為5.5 m時，百米瓦斯抽采鉆孔瓦斯預抽率與時間函數(shù)關系為：

η=28.72(1-e-0.026t)

間距為6 m時，百米瓦斯抽采鉆孔瓦斯預抽率與時間函數(shù)關系為：

η=26.58(1-e-0.033t)

間距為6.5 m時，百米瓦斯抽采鉆孔瓦斯預抽率與時間函數(shù)關系為：

η=26.51(1-e-0.028t)

2) 113 mm孔徑。間距為5.5 m時，百米瓦斯抽采鉆孔瓦斯預抽率與時間函數(shù)關系為：

η=30.83(1-e-0.026t)

間距為6 m時，百米瓦斯抽采鉆孔瓦斯預抽率與時間函數(shù)關系為：

η=28.39(1-e-0.037t)

間距為6.5 m時，百米瓦斯抽采鉆孔瓦斯預抽率與時間函數(shù)關系為：

η=26.84(1-e-0.033t)

3) 133 mm孔徑。間距為5.5 m時，百米瓦斯抽采鉆孔瓦斯預抽率與時間函數(shù)關系為：

η=31.91(1-e-0.034t)

間距為6 m時，百米瓦斯抽采鉆孔瓦斯預抽率與時間函數(shù)關系為：

η=29.02(1-e-0.027t)

間距為6.5 m時，百米瓦斯抽采鉆孔瓦斯預抽率與時間函數(shù)關系為：

η=26.91(1-e-0.03t)

由圖11～圖13可知，不同孔徑條件下不同孔間距的抽采率都存在一個上限值，當達到預抽率后，再增加時間，抽采率不再增加，孔間距增加，抽采率降低，當孔間距增加后瓦斯抽采極限預抽率仍低于抽采達標標準值時，增加抽采時間也不可能使煤層抽采達標。

圖11 孔徑90 mm不同間距鉆孔瓦斯預抽率圖

圖12 孔徑113 mm不同間距鉆孔瓦斯預抽率圖

圖13 孔徑133 mm不同間距鉆孔瓦斯預抽率圖

4 瓦斯抽采達標下預抽率確定

根據(jù)《煤礦瓦斯抽采基本指標》(AQ1026-2006)相關規(guī)定[7]：瓦斯抽采達標時的預抽率可以根據(jù)原始瓦斯含量和殘余瓦斯含量計算得出：

η=(W0-W殘余)/W0

式中：η為鉆孔瓦斯的預抽率，%；W0為煤層原始條件下最大瓦斯含量，試驗地點最大瓦斯含量取9.11 m3/t；W殘余為抽采達標后的煤層平均殘余瓦斯含量，m3/t.

達標殘余瓦斯含量和可解吸瓦斯量參照表2[7]判定采煤工作面評價范圍瓦斯抽采效果是否達標。

表2 采煤工作面回采前煤層可解吸瓦斯量應達到的指標值

根據(jù)五礦工作面生產情況，考慮回采期間工作面瓦斯治理工作，該次抽采半徑考察預抽率計算以煤層可解吸瓦斯含量小于4 m3/t為依據(jù)，同時根據(jù)華北科技學院對五礦15號煤層測定的瓦斯基礎參數(shù)測定結果可知，五礦15號煤殘存瓦斯含量為2.68～3.97 m3/t，平均3.51 m3/t，該次計算殘存瓦斯含量取2.68 m3/t.

綜上所述，煤層殘余瓦斯含量的最大值為煤層殘存瓦斯含量2.68 m3/t加上前述依據(jù)工作面日產量取值的最大值可解吸瓦斯含量4 m3/t之和，即6.68 m3/t，小于8 m3/t，將其與試驗地點最大瓦斯含量9.11 m3/t代入到上述公式中，計算得到煤層抽采達標預抽率η為26.67%.

5 有效抽采半徑確定

根據(jù)在不同抽采時間條件下對應的煤層瓦斯預抽率，其結果見表3～表5.

1) 目標預抽率的確定。工作面瓦斯目標抽采率為26.67%.

2) 抽采鉆孔布置方式的確定。如上所述，工作面瓦斯預抽率必須能夠達到目標值26.67%時才能抽采達標。①孔徑90 mm。根據(jù)表3可知：孔徑90 mm鉆孔，預抽期120 d，鉆孔間距為5.5 m時，預抽率達到26.67%，其他鉆孔間距均還未抽采達標，因此確定工作面合理預抽時間為120 d、鉆孔間距為5.5 m、抽采半徑為2.75 m.

鉆孔孔徑90 mm，孔距為6 m和6.5 m時，即抽采率分別為26.58%和26.5%，抽采多久都無法抽采達標。

表3 孔徑90 mm不同鉆孔間距瓦斯預抽率與時間關系

根據(jù)表4可知：孔徑113 mm鉆孔，預抽期90 d，鉆孔間距為5.5 m和6 m時，預抽率達到26.67%，其他鉆孔間距均還未抽采達標。

表4 孔徑113 mm不同鉆孔間距瓦斯預抽率與時間關系

預抽期180 d，鉆孔間距為5.5 m時預抽率達到30.54%；鉆孔間距為6 m時預抽率達到28.35%；鉆孔間距為6.5 m時預抽率達到26.77%。預抽期180 d后，5.5 m、6 m、6.5 m鉆孔間距均抽采達標，即均達到目標預抽率要求，從預抽時間和工程量綜合比較，合理工作面預抽時間為180 d、鉆孔間距6.5 m、抽采半徑為3.25 m.預抽期180 d后，5.5 m、6 m和6.5 m鉆孔間距均可抽采達標。

綜上所述，鉆孔孔徑113 mm時，確定工作面合理預抽時間為180 d、鉆孔間距為6.5 m、抽采半徑為3.25 m.

根據(jù)表5可知：孔徑133 mm鉆孔，預抽期60 d，鉆孔間距為5.5 m，預抽率達到26.67%，其他鉆孔間距均還未抽采達標；預抽期120 d，鉆孔間距為6 m，預抽率達到26.67%，其他鉆孔間距均還未抽采達標。

預抽期180 d，鉆孔間距為5.5 m時，達到31.84%預抽率；鉆孔間距為6 m時達到28.8%預抽率；鉆孔間距為6.5 m時達到26.79%預抽率。預抽期180 d后，5.5 m、6 m、6.5 m鉆孔間距均抽采達標，即均達到目標預抽率要求，從工程量、預抽時間綜合比較，確定工作面合理預抽時間為180 d、鉆孔間距為6.5 m、抽采半徑為3.25 m。預抽期180 d后，5.5 m、6 m和6.5 m鉆孔間距均可抽采達標。

表5 孔徑133 mm不同鉆孔間距瓦斯預抽率與時間關系

綜上所述，鉆孔孔徑133 mm時，確定工作面合理預抽時間為180 d、鉆孔間距為6.5 m、抽采半徑為3.25 m.

根據(jù)鉆孔抽采規(guī)律特性和通過理論計算，得出不同孔徑鉆孔有效抽采半徑與時間關系(表6).

表6 不同孔徑鉆孔有效抽采半徑與時間關系

根據(jù)表6可知，初步確定孔徑90 mm鉆孔，工作面預抽20 d的合理有效抽采半徑為1.28 m，工作面預抽60 d的合理有效抽采半徑為2.4 m；確定孔徑113 mm鉆孔，工作面預抽20 d的合理有效抽采半徑為1.49 m，工作面預抽60 d的合理有效抽采半徑為2.72 m；確定孔徑133 mm鉆孔，工作面預抽20 d的合理有效抽采半徑為1.51 m，工作面預抽60 d的合理有效抽采半徑為2.75 m.

3) 抽采時間的確定。按照上述分析，在同樣煤層瓦斯賦存條件下，孔徑90 mm鉆孔，工作面預抽20 d的合理有效抽采半徑為1.28 m，工作面預抽60 d的合理有效抽采半徑為2.4 m，工作面預抽90 d的合理有效抽采半徑為2.75 m；孔徑113 mm鉆孔，工作面預抽20 d的合理有效抽采半徑為1.49 m，工作面預抽60 d的合理有效抽采半徑為2.72 m，工作面預抽90 d的合理有效抽采半徑為3 m，工作面預抽180 d的合理有效抽采半徑為3.25 m；孔徑133 mm鉆孔，工作面預抽20 d的合理有效抽采半徑為1.51 m，工作面預抽60 d的合理有效抽采半徑為2.75 m，工作面預抽120 d的合理有效抽采半徑為3 m，工作面預抽180 d的合理有效抽采半徑為3.25 m.

6 結 語

1) 獲得了不同孔徑不同孔間距下瓦斯抽采規(guī)律，瓦斯流量隨著抽采時間的增加而減小，呈負指數(shù)關系衰減，而孔距越小，瓦斯抽采流量越大，表明在抽采時間、體積煤體和瓦斯含量同等條件下，鉆孔間距越大，瓦斯抽采速度越慢，煤層瓦斯含量下降越慢。

2) 測定了不同孔徑下不同鉆孔間距的抽采鉆孔極限預抽率，間距5.5 m時鉆孔極限預抽率分別為28.72%、30.83%、31.91%；間距6 m時鉆孔極限預抽率分別為26.58%、28.39%、29.02%；間距6.5 m時鉆孔極限預抽率為26.51%、26.84%、26.91%.

3) 根據(jù)不同孔徑鉆不同孔間距下瓦斯抽采規(guī)律和抽采鉆孔的極限預抽率，確定了不同孔徑鉆孔有效抽采半徑與時間關系，對于類似條件下的礦井瓦斯抽采工作具有參考與借鑒意義。