基于瓦斯涌出量衰减特征的钻孔抽采影响半径测定方法

张明杰，田加加，付 帅

(1.河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作454003; 2.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地，河南焦作454003)

顺层钻孔预抽开采煤层瓦斯是防治瓦斯事故的重要措施，在一定程度上缓解了我国煤层开采的瓦斯抽采问题［1］。钻孔间距是影响瓦斯抽采效率的一个重要因素，若钻孔间距过大，在抽采范围内容易留下抽采盲区;钻孔间距过小，则容易造成人力和物力的巨大浪费［2］。采用预抽煤层瓦斯区域防突措施的钻孔应当在整个预抽区域内均匀布置，钻孔间距应当根据实际考察的煤层抽采半径确定［3］。因此，准确测定钻孔抽采半径对矿井瓦斯抽采及瓦斯防治具有重要意义。

目前测定抽采影响半径的方法主要有:瓦斯压力指标法［4］、示踪气体法［5］、瓦斯涌出量法［6］、瓦斯含量指标法［7］、瓦斯涌出量衰减特征法等。瓦斯涌出量衰减特征法是以钻孔瓦斯涌出量作为考察指标，在抽放孔两侧不同距离打一排自然排放孔，用多级流量计测定钻孔瓦斯涌出量，通过比较衰减系数的突变情况和百米钻孔瓦斯极限排放量确定抽采影响半径，相比其他测定方法具有操作简单、测量准确的特点。采用这种方法，笔者先后在张矿集团宣东二矿、平煤五矿、鹤煤公司、焦煤公司等6对矿井进行现场试验研究，都取得了很好的效果。

1 钻孔瓦斯涌出量衰减特征法测定原理

1.1 抽放负压下钻孔瓦斯运移特征分析

一般情况下，钻孔瓦斯涌出量呈现随时间延长而衰减的变化规律，基本上符合负指数方程［8］:

式中，q0为钻孔的初始瓦斯涌出量，m3/min;qt为排放时间为t时的钻孔瓦斯涌出量，m3/min;α为钻孔瓦斯涌出量衰减系数，d－1;t为排放瓦斯时间，d。

随着抽放时间的延长，抽放影响半径会逐渐加大［9］，如图1所示，t1时刻，各钻孔瓦斯源半径为R1，此时2号孔和抽放孔互不影响;t2时刻，各钻孔瓦斯源半径为R2，此时两者出现重叠区域。比较不受抽放影响的观测孔 (1号孔)和受抽放影响的观测孔(2号孔)瓦斯涌出衰减系数。

图1 抽采影响半径随时间变化示意

用RFPA数值模拟软件对钻孔周围煤体中瓦斯运移规律进行模拟，采用平面应变方法，沿煤层竖直剖面建立模型，采用正方形结构模拟煤层。模型长宽取4m×4m，划分成200×200共40000个网格，煤层顶底板设置流量为零;开挖2个钻孔，设置钻孔渗流边界条件模拟抽放孔和排放孔;设置不同钻孔间距比较排放孔处于抽放影响圈外、内的瓦斯涌出量大小，分别对应图1中1号孔与抽放孔的位置关系和2号孔与抽放孔的位置关系。

考察两个钻孔中心连线上200个网格单元的瓦斯流量，获取数值模拟结果如图2所示。图2(a)中，两钻孔中间网格内流量为零，两者互不影响，表明排放孔处于抽放影响圈外，此时两钻孔瓦斯流量相近;图2(b)中，缩小钻孔间距后使排放孔处于抽放影响圈内，排放孔瓦斯流量较图2(a)中减小，可知其瓦斯涌出量衰减系数变大，即受抽放负压影响的排放孔，其瓦斯涌出量衰减率大于不受抽放孔影响的排放孔。

1.2 钻孔瓦斯涌出的分段性特征

当煤层中瓦斯压力分布不均时，在煤层中就会形成一定的瓦斯流动范围，这一范围通常被称为流场。根据径向稳定流场瓦斯运移规律，钻孔瓦斯涌出量为［10］:

图2 抽放影响圈内、外瓦斯流量的数值模拟结果

式中，Q为钻孔的瓦斯涌出量，m3/d;m为钻孔长度，m;λ为煤层透气性系数，m2/(MPa2·d);p0为煤层中原始瓦斯压力，MPa;p1为钻孔中的瓦斯压力;R0为钻孔瓦斯源半径，m;R1为钻孔半径，m。

煤体中施工钻孔后，在钻孔周围沿径向形成塑性区、弹性区。由于煤体力学强度低，在塑性区内常形成已经破坏的破碎圈［11］。由式 (2)可知，钻孔瓦斯涌出量与透气性系数成正比。塑性区内、外力作用形成的宏观裂隙发育，煤层透气性系数很大，在钻孔施工完成后的短时间内瓦斯涌出量较大，尤其是初始值更大。但这种由外力引起的宏观裂隙范围很小，持续时间较短，衰减速度快。在弹性区和原始煤体区，瓦斯流动遵循扩散和渗透原理，煤体吸附态瓦斯持续解吸转变成游离态，衰减速度慢。因此，钻孔瓦斯涌出的整个过程，表现出前期瓦斯涌出量衰减系数较大，后期较小的分段性特征。把每次观测的数据展布在坐标纸上，可明显观察到一个斜率的转折点，一般为观测的前5～7d，据此可以划分前期和后期。

分析钻孔瓦斯涌出的分段性特征主要有以下2方面原因:

(1)抽采影响半径随时间延长而变大，在前期抽采半径较小，一般不受抽放负压影响，受抽放负压影响的衰减率突变主要表现在后期。

(2)若直接对整个测试过程进行负指数规律回归分析，由于前期后期数值差别较大，没有分段拟合相关性高，且衰减系数的突变情况表现不明显。所以在考察钻孔的衰减系数时要比较后期的数据。

2 现场应用及结果分析

2.1 试验工作面概况

平煤五矿目前主采的己16－17煤层瓦斯压力为2.0MPa，煤层瓦斯含量为18m3/t;己15煤层是其上保护层，瓦斯压力为0.6MPa，瓦斯含量为5.8m3/ t，距下部的己16－17煤层间距为3～11m。在开采己15－23230工作面时，采取邻近层瓦斯抽采、顺层瓦斯抽采和采空区卸压瓦斯抽放方法来防止工作面瓦斯超限。其中本煤层顺层钻孔预抽煤层瓦斯目前没有实测抽采资料。

己15－23230工作面位于己三下延采区东翼己15煤层第12个区段，工作面煤层标高 －550～－645m，地面标高+231～+317m，最大埋深876m，倾向NE35～45°，走向125～135°，倾角7～9°，煤层厚度1.2～1.9m，平均煤厚为1.4m。

2.2 测试过程

测试地点选取在平煤五矿己15－23230机巷距巷口400m处下帮。为便于对比分析，共施工7个观测孔。观测孔编号为1号、2号、3号、4号、5号、6号、7号孔，在抽采孔两侧分布，布置如图3所示。先施工观测孔，垂直于23230机巷下帮，开孔高度1.0m，孔径113mm，孔深30m，倾角5°。为方便使用多级流量计观测瓦斯涌出量，用φ50mm的PVC封孔管封孔，达到缩小孔，准确测定钻孔瓦斯涌出量的目的。随后施工抽采孔，开孔高度1.0m，孔径113mm，孔深40m，倾角5°。采用聚氨酯封孔，封孔深度9m，抽采负压13kPa。开始抽采后，定期观测1至7号孔的瓦斯自然涌出量。初期，钻孔瓦斯涌出量衰减速度快，需每天观测。之后，随着抽采时间延长，钻孔瓦斯涌出量衰减速度变慢，观测间隔时间可逐渐延长，后期可每周观测1次。

图3 观测孔和抽采孔布置

3 数据处理

对将近2个月的观测数据进行负指数规律回归分析，分别绘制前、后期钻孔瓦斯涌出量衰减拟合曲线，如图4所示，拟合方程见表1。

1号孔在测试的5d内瓦斯涌出量即衰减至零，在图上不作显示。表1中方程符合式 (1)负指数规律，相关性系数R2都在0.8以上。

图4 各观测孔瓦斯涌出量变化

表1 各观测孔瓦斯涌出量的指数拟合方程

根据图中瓦斯涌出量回归方程，对式 (1)积分，可以求出在累计时间t内钻孔瓦斯涌出总量:，当t→+∞时，钻孔极限排放瓦斯量以4号孔数据为例，在坐标纸上展布可看出，钻孔前期5.2d内瓦斯涌出量衰减较快，可视为受钻孔塑性区影响，以此时间点为分界，分别计算2个阶段累计排放瓦斯量。煤孔长度20m(孔深30m，减去预排瓦斯等值宽度为10m)，钻孔初始瓦斯自然涌出量为:

则百米钻孔瓦斯极限排放量为:Q4前= 67.08m3;Q4后=194.01m3;Q4=(Q4前+Q4后)× 100/20=1305.45m3。

同理可以计算其他钻孔的百米钻孔瓦斯极限排放量，如表2所示。

表2 各观测孔百米钻孔瓦斯极限排放量

4 结果分析

(1)对观测数据分析可知，1号观测孔瓦斯涌出量受抽采孔影响，在带抽5d内急剧衰减至零，衰减系数较大;2号、3号观测孔衰减系数依次减小，分别在测试18d，42d内下降至0.1×10－3m3/ min;4号、5号、6号、7号观测孔衰减系数较小，大约在50d内下降至1.1×10－3m3/min。

(2)考察钻孔瓦斯涌出量衰减系数:2号、3号观测孔后期瓦斯涌出量衰减系数分别为0.0655、0.0667，而4号、5号、6号、7号观测孔后期瓦斯涌出量衰减系数分别为 0.0202，0.0182，0.0219，0.0217，是2号和3号观测孔的1/3，说明2号、3号观测孔处于抽采影响半径内，钻孔周围的瓦斯在抽采负压的作用下被抽走，钻孔瓦斯涌出量衰减系数出现突变。由此可知，抽采影响半径应大于或等于3号观测孔可控距离而小于4号观测孔可控距离，即抽采影响半径处于2～2.5m之间。

(3)又由表2可知，2号、3号观测孔百米钻孔瓦斯极限排放量显著小于4号、5号、6号、7号观测孔，表明这2个观测孔在抽采钻孔控制范围内，解吸和预排的瓦斯大都经抽采孔排出。同时可以看到，3号观测孔极限排放瓦斯量是2号观测孔的2.61倍，4号、5号、6号、7号观测孔处于同一水平，为3号观测孔的4.97倍，说明3号观测孔已处于抽采影响圈边缘，安全起见，平煤五矿己15煤层23230采面经过2个月时间抽采，钻孔抽采影响半径为2m。矿方可参考本试验结果，优化本煤层顺层钻孔抽采方案，提高抽采效率。

［1］张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术［M］.北京:煤炭工业出版社，2001.

［2］杜泽生.平宝公司首山一矿己16－17煤层瓦斯抽采半径测定［J］.煤矿安全，2010，41(2):40－42.

［3］国家煤矿安全监察局.防治煤与瓦斯突出规定［M］.北京:煤炭工业出版社，2009.

［4］刘三钧，马 耕，卢 杰.基于瓦斯含量的相对压力测定有效半径技术［J］.煤炭学报，2011，36(10):1715－1719.

［5］陈金玉，马丕梁，孔一凡.SF6气体示踪法测定钻孔瓦斯抽采有效半径［J］.煤矿安全，2008，39(9):23－25.

［6］杨宏民，夏会辉，陈立伟.本煤层顺层钻孔抽采影响半径的测定研究［J］.煤，2011，20(3):1－8.

［7］曹新奇，辛海会，徐立华.瓦斯抽采半径有效抽采半径的测定［J］.煤炭工程，2009，41(9):88－90.

［8］于不凡，王佑安.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册［M］.北京:煤炭工业出版社，2000.

［9］徐东方，王兆丰.压降法测定钻孔的抽采影响半径试验研究［J］.煤矿安全，2009，40(5):l－3.

［10］周世宁，林柏泉.煤层瓦斯赋存与流动理论［M］.北京:煤炭工业出版社，1998.

［11］蔡成功，周革忠.自动变径大直径钻孔抽采煤层瓦斯试验［J］.煤炭科学技术，2004，32(12):39－41.