基于钻孔影响半径的保护层卸压效果考察

曹召丹 林柏泉 赵世伟 刘非非 郝志勇

（1.中国矿业大学安全工程学院，江苏省徐州市，221008；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221008；3.郑州广贤工贸有限公司，河南省郑州市，450000）

基于钻孔影响半径的保护层卸压效果考察

曹召丹1，2林柏泉1，2赵世伟3刘非非1，2郝志勇1，2

（1.中国矿业大学安全工程学院，江苏省徐州市，221008；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221008；3.郑州广贤工贸有限公司，河南省郑州市，450000）

我国95%以上的高瓦斯和突出矿井所开采的煤层属于低透气性煤层，煤层透气性系数只有10－3～10－4mD，未卸压瓦斯抽采难度非常大。保护层开采破坏了原岩应力平衡，地应力重新分布，煤层与岩体发生卸压、膨胀，并产生大小不同的裂缝，增大了透气性系数，可以提高抽采效率。采用压降法测定钻孔抽放影响半径，并对保护层开采的卸压增透效果进行评价，分析得出，在未卸压区域钻场抽放影响半径是单孔抽放影响半径的1.85倍，单纯的增加钻孔数量对抽放效率的提高有限；保护层开采将钻场有效影响半径由卸压前的3.7m提高到卸压后的5m，卸压增透效果明显。

钻孔影响半径 压降法 保护层开采 抽放瓦斯 卸压增透

近年来，随着煤矿开采深度的增大和开采强度的提高，地应力增大，煤层透气性降低，瓦斯含量、瓦斯压力和矿井瓦斯涌出量增大，高瓦斯低透气性煤层瓦斯高效抽放已成为煤炭科学研究中一个重要研究课题。

为了提高瓦斯的抽放效果，采取增加钻孔密度、保证钻孔有效长度、适当加大钻孔直径和提高抽放负压等措施可以取得一定的效果，但由于采取这些措施后仍是在煤层原始透气性不变的情况下进行瓦斯抽放，所以效果有限。

提高抽放效果的根本途径在于增大煤层透气性，即进行卸压抽放。煤层卸压抽放分为层外卸压法和层内卸压法，层外卸压法即保护层开采的卸压抽放，先开采一层煤造成大面积的岩层移动卸压。邻近层受采动影响，上覆岩层的压力得以卸除，使其变形、破坏，产生离层裂隙、垂向破断裂隙，透气性成若干个数量级地增加，给瓦斯解吸及流动创造良好的条件。目前对保护层开采后被保护层卸压效果的评价指标相对较多，通常采用瓦斯压力、瓦斯含量、煤层透气性系数及煤层顶底板相对变形等现场测定指标，也可以从煤体力学特性、煤层瓦斯特性和煤层开采动力特性3方面进行综合分析。钻孔有效影响半径反映了钻孔周围裂隙场的分布、瓦斯流动场的分布及煤层透气性大小，因此，钻孔有效影响半径能够作为保护层卸压效果的评价指标。本文采用压降法通过现场实测钻孔有效影响半径，对保护层开采的卸压增透效果进行评价。

1 矿井概况

本研究所讨论矿井属于华北板块嵩箕构造区，地层走向呈东西向，倾向北，倾角26～35°，为单斜构造，仅在井田西北部、东南边界发育一组北东向断裂构造，表现为高角度逆断层和正断层。矿井含煤地层总厚约650m，共含煤9组计31层，煤层总厚平均值14.64m，含煤系数为2.25%，主采二1煤层兼采一3煤层。

据《煤与瓦斯突出矿井鉴定规范》，采用突出危险性指标判定，二1煤层为突出煤层，一3煤层为无突出危险煤层，在开采过程中，一3煤层作为二1煤层的保护层开采。在±0抽放巷以上二1煤层瓦斯受一3煤层保护层开采的卸压影响，属于保护层开采的卸压范围。－70抽放巷以上二1煤层未受一3煤层开采卸压影响，打穿层钻孔预抽二1煤层瓦斯，为未卸压区进行瓦斯抽放。

2 压降法测定钻场有效影响半径原理

2.1 钻孔周围瓦斯流动理论

钻孔在预抽煤层瓦斯时，在煤层瓦斯压力和孔底负压的共同作用下，钻孔周围煤体的瓦斯不断进入钻孔被抽走，形成以钻孔中线为轴心的类圆形抽放影响圈，抽放影响圈的半径称之为抽放影响半径。瓦斯在煤体中的运移是一个扩散渗透的过程，其中）在裂隙中的流动基本上服从达西（Darcy）定律，因此，钻孔周围煤体中瓦斯流动的数学模型应是以费克（Fick）扩散定律和达西（Darcy）定律为基础导出的联立方程。根据煤层流动理论及抽采瓦斯实践经验，穿层钻孔周围的瓦斯流动表达式为：

（1）当流场为径向稳定流动时：

（2）当流场为非稳定流动时，经验公式一般为：

式中：q——在t时的钻孔瓦斯涌出量，m3／min；

Q——在t时间内，钻孔瓦斯涌出总量，m3；

t——钻孔内瓦斯流动时间，min；

λ——煤层透气性系数，m2／（MPa·d）；

p0——煤层原始瓦斯压力，MPa；

pr0——钻孔内瓦斯压力，MPa；

pstd——标准状况下的大气压，取0.1 MPa；

R——钻孔瓦斯流动场的影响半径，m；r0——钻孔半径，m；

m——煤层厚度，或钻孔穿煤长度，m；

a——钻孔瓦斯流量衰减系数，与煤层透气性系数及瓦斯供给源范围有关，1／d。

绝大多数煤层的瓦斯流动性质都是非稳定流动，随着流动时间的增长，钻孔的瓦斯涌出强度、瓦斯流量迅速衰减；只有在煤层透气性系数很大时，瓦斯的补给来源丰富，其钻孔瓦斯流动在某一段时间内才可以近似认为是稳定流动的。钻孔瓦斯流动场影响半径反映了钻场周围裂隙场的分布范围大小，及钻孔周围煤层透气性系数大小，影响钻孔瓦斯流量衰减系数，因此，钻孔瓦斯流动场影响半径不仅是提高钻孔瓦斯抽放量的重要影响因素，也可作为保护层开采卸压效果的评价指标。

2.2 压降法原理

已有研究表明，在利用穿层钻孔预抽本煤层瓦斯时，钻孔布置的合理性及预抽时间长短主要取决于钻孔抽放瓦斯的有效影响范围，因此，确定钻孔有效抽放半径具有重要意义。在不同的煤层条件，抽放有效影响范围不同，但共有的规律是，随着钻孔抽放时间的延长，可逐渐扩大有效影响范围，但到一定距离后将不再扩大。本次测试在足够的抽放时间条件下，使钻孔有效影响范围达到最大，采用压降法测定最大钻孔影响半径作为保护层开采卸压效果评价指标。钻孔抽放影响圈内煤体瓦斯压力会不断降低，在抽放钻孔周边不同距离地点布置测压钻孔，测定煤体内不同距离点内抽放前后瓦斯压力的变化，确定钻孔影响半径。测试钻场有效影响半径示意图见图1。

图1 测试钻场有效影响半径示意图

（1）向煤层打一排测压孔，如图1所示，2、3、4……n均为测压孔，d2、d3……dn为相邻测压孔之间的距离。在每个测压孔装上压力表，封闭钻孔与外界的联系，利用煤层中瓦斯的自然渗透原理测定揭露煤层处每个测压孔达到平衡的瓦斯压力；

（2）在2号孔左侧布置抽放钻场，当抽放足够长时间后，观测测压孔瓦斯压力；

（3）如果第i号孔以及它之前的每个测压孔的瓦斯压力下降量都大于或等于51%，而第i号孔之后的测压孔瓦斯压力下降都小于51%，那么d＝d1＋d2＋d3＋……＋d（i－1），这里的d就是钻场的有效抽放影响半径。

为了准确测定煤层瓦斯压力，需要调高封孔质量，本次钻孔影响半径测试采用胶囊－膨胀水泥－聚氨酯封孔的综合测压法直接测压，为了防止水泥凝结慢而收缩，在实际应用中，在封孔的水泥砂浆中添加了少量膨胀剂、速凝剂等水泥添加剂，以改善封孔材料本身的致密性，提高密封效果。

3 现场实测

3.1 未卸压区抽放影响半径考察

3.1.1 钻孔布置及压力测定

在－70抽放巷中向未受保护层开采卸压影响的二1煤层施工穿层钻孔预抽二1煤层瓦斯，本次测试选取在25轨道巷以东约600m处布置抽放钻场，在抽放钻场内向二1煤层布置10个抽放孔，钻场布置如图2所示。，孔径为75mm的压力观测孔，并要求第一个观测孔距抽放钻场也是1.5m，钻孔布置平面图如图3所示。各钻孔布置参数及抽放前后测压结果如表1所示。

3.1.2 结果分析

在抽放钻场抽放瓦斯之前，各观测孔在封孔完毕、压力稳定后，最大值达到了0.90MPa，出现在第10＃孔，此外，1＃～9＃各个孔瓦斯压力也均达到一稳定值，为抽放影响半径测试提供了支撑。据表1数据绘制抽放前后各观测孔瓦斯压力变化曲线，见图4。对测试结果分析如下：

图4 瓦斯压力变化曲线图

（1）在－70抽放巷，选择10＃测试孔兼作单孔抽放孔。待抽放钻场抽放后，由于10＃孔受抽放钻场抽放影响较小，把10＃孔卸除了压力表，释放了孔里面的瓦斯，使其完全卸压，使10＃孔成为单孔抽放，此时9＃孔压力从0.88MPa降到了0.18 MPa，下降了79.5%，而8＃孔压力从0.85MPa变化到0.8MPa，仅下降了5.8%，因此8＃孔在已经处于10＃孔单孔抽放影响范围以外，因此确定单孔抽放影响半径为2m。

表1 －70抽放巷测压钻孔参数表

（2）经过4个月的抽放后，抽放钻场中1＃孔瓦斯压力从0.74MPa降到了0.36MPa，下降了51.3%；2＃孔瓦斯压力从0.65MPa下降到了0.31MPa，下降了52.3%；距离更远的3＃、4＃孔瓦斯压力下降不大，分别从0.32MPa下降到0.30MPa，0.36MPa下降到0.32MPa，远小于51%的下降率，受抽放影响效果不明显。因此确定－70抽放巷的钻场抽放影响半径为3.7m。

经以上分析可知，钻孔单孔抽放影响半径为2m，而抽放钻场抽放影响半径为3.7m，因此增加同一钻场内的抽放钻孔数目能提高抽放半径1.85倍，相对提高了抽放半径延伸范围。说明在难抽放的原始煤层中如果单纯实施穿层预抽，抽放影响范围有限，必须大量实施密集钻场，工程量较大，因此对原始低透气性煤层采取卸压增透措施非常有必要。

3.2 卸压区抽放影响半径考察

3.2.1 钻孔布置及压力测定

在±0抽放巷向受保护层开采卸压影响范围内的二1煤层施工穿层钻孔预抽二1煤层瓦斯，本次测试选取在±0抽放巷25轨道巷以西300m处布置抽放钻场，抽放钻场内向二1煤层布置10个抽放孔，钻场布置如图5所示。

在抽放钻场西部连续布置5个间隔为2m，孔径为75mm的压力观测孔，并要求第一个观测孔距抽放钻场也是2m，钻孔布置平面图如图6所示。各钻孔布置参数及抽放前后测压结果见表2。

表2 ±0抽放巷测压钻孔参数及测压结果表

3.2.2 结果分析

由表2数据分析可知，由于±0抽放巷处于一3煤层采动影响保护区域，顶板破碎比较明显，卸压比较充分，因此，测试的压力数据大多比较小，最大值为0.43MPa，出现在4号孔，各测试孔均有压力，读数明显，为抽放影响半径的考察提供了支撑。根据表2测压数据绘制抽放前后各观测孔瓦斯压力变化曲线图，如图7所示，测试结果分析如下：

（1）±0抽放巷仅布置了5个压力观测孔，并将观测孔之间距离增大到2m，主要是由于±0抽放巷已经处于一3煤层采动影响范围内；从各个测压孔观测数据可知，瓦斯压力已经远低于二1煤层±0m标高未受保护层卸压影响区的最大瓦斯压力值2.0 MPa，卸压明显。

（2）根据表2数据分析，抽放钻场抽放瓦斯后，1＃孔瓦斯压力从0.42MPa下降到0.12MPa，下降率达71.4%；2＃孔瓦斯压力从0.4MPa下降到0.19 MPa，下降率为52.5%，抽放影响效果明显；3＃孔瓦斯压力从0.12MPa下降到0.1MPa；4＃孔瓦斯压力从0.43MPa下降到0.4MPa，远小于51%的下降率，受钻场抽放影响效果不明显，已经处于抽放影响半径以外。因此确定±0抽放巷的钻场抽放影响半径为5m。

图7 瓦斯压力变化曲线图

4 结论

根据《防治煤与瓦斯突出规定》第四十六条规定：“在突出矿井开采煤层群时，如在有效保护垂距内存在厚度0.5m及以上的无突出危险煤层，首先开采保护层”。根据新丰煤矿煤层赋存条件确定一3煤层作为二1煤层的保护层开采，本文通过压降法现场布置抽放钻场及压力观测孔测定钻场有效影响半径，评价保护层开采卸压效果，结论如下：

（1）钻孔单孔抽放影响半径为2m，抽放钻场抽放影响半径为3.7m，因此，增加同一钻场内的抽放钻孔数目能提高抽放影响半径达１.８５倍，相对来说提高了抽放半径延伸范围，说明在难抽放原始煤层中单纯增加抽放钻孔数量，对提高预抽钻场抽放效果作用有限，而且大量实施密集钻场，工程量较大，因此对原始低透气性煤层采取卸压增透措施非常有必要。

（2）±0抽放巷抽放钻场影响半径为5m，远高于－70m抽放巷钻场抽放影响半径3.7m，说明保护层开采提高了预抽钻场抽放有效影响半径，提高了煤层透气性系数并卸除煤层原始瓦斯压力，因此，对于难抽放煤层实施开采保护层的卸压增透措施卸压效果明显。

（3）保护层开采作为层外卸压措施，能够提高预抽钻场瓦斯抽放量，并降低钻场的工程量，但是，对于高瓦斯低透气性煤层往往仍达不到要求的抽放效果，需要采取各种手段（如煤层水力压裂、水力割缝、控制预裂爆破等），人为强迫沟通煤层内的原有裂隙网络或产生新的裂隙网络，使煤体透气性增加，提高瓦斯抽放量，达到要求的抽放效果。

［1］ 胡殿明，林柏泉.煤层瓦斯赋存规律及防治技术［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2006

［2］ 王志亮等.保护层开采效果测评指标及应用研究［J］.中国安全科学学报，2011（10）

［3］ 俞启香.煤矿瓦斯防治［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1992

［4］ 宁俊，林柏泉，张志雨等.近距离煤层煤巷掘进底板防突岩柱厚度数值分析［J］.中国煤炭，2011（5）

［5］ 林柏泉，张仁贵.钻孔周围煤体中瓦斯流动的理论分析［J］.煤炭工程师，1996（3）

［6］ 王强.煤矿瓦斯抽放规范、瓦斯利用及瓦斯灾害防治综合治理技术手册［M］.北京：煤炭工业出版社，2007

［7］ 林柏泉，张建国.矿井瓦斯抽放理论与技术（第2版）［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2007

［8］ 曹新奇等.瓦斯抽放钻孔有效抽放半径的测定［J］.煤炭工程，2009（9）

Analysis on pressure relief by protective layer mining based on borehole＇s influencing radius

Cao Zhaodan1，2，Lin Boquan1，2，Zhao Shiwei3，Liu Feifei1，2，Hao Zhiyong1，2
（1.Faculty of Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；3.Zhengzhou Guangxian Industrial and Trading Company Ltd.，Zhengzhou，Henan 450000，China）

The coal seams in more than 95%of coal mines with high－gas and gas outburst in our country are of low permeability.Low permeability coefficient in the range of 10－3mD to 10－4mD makes gas drainage difficult without pressure relief.The balance of original rock stress broken by protective layer mining leads to terra stress redistribution，pressure relief and expansion of coal seams and rock mass，so the formed cracks in different sizes increase the permeability coefficient so as to improve the gas drainage efficiency.The influencing radius of boreholes was measured by pressure dropping method.Moreover，in the region without pressure relief，the drainage radius is 1.85times of that for solo borehole，indicating limited enhancement of gas drainage efficiency by increasing borehole numbers.The effective gas drainage radius was increased from 3.7 m to 5mbefore and after pressure relief via protective layer mining，with obvious enhancement of gas permeability.

influencing radius around borehole，pressure dropping method，protective layer mining，gas drainage，pressure relief to enhance permeability

TD712.6

A

曹召丹（1989－），男，山东巨野人，中国矿业大学安全工程学院安全技术及工程硕士研究生，现主要从事矿井瓦斯防治等方面的研究工作。

（责任编辑 梁子荣）