穿层钻孔有效抽采半径的确定

张永红

摘 要：随着采掘深度的增加，具有开采保护层条件的突出矿井越来越少，这就使得矿井突出危险日益严重。而煤矿瓦斯抽采是防治煤与瓦斯突出、降低矿井瓦斯涌出量和防止瓦斯爆炸的重要措施。衡量瓦斯抽采工作优劣的两个主要指标是瓦斯抽采率和瓦斯抽采量。为了确定穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯的合理参数，利用钻孔瓦斯流量、残余瓦斯含量等考察指标，以山西保安煤矿为试验地点，经过现场考察以及对测定数据的分析，最终确定了该矿井15#煤层直径为φ94 mm穿层抽采钻孔的有效抽采半径。

关键词：穿层钻孔 瓦斯含量 有效抽采半径

中图分类号：TD712 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）10（a）-0065-02

突出矿井目前在我国满足开采保护层条件的只有1/3，而伴随着不断增加的采掘深度，具备这种开采保护层条件的突出矿井也随之减少，这势必加重矿井突出危险。而煤矿瓦斯抽采是防止瓦斯爆炸、降低矿井瓦斯涌出量、防治煤与瓦斯突出的重要措施，瓦斯抽采量和瓦斯抽采率是针对瓦斯抽采工作优劣的主要衡量标准，尽可能的在抽采矿井中设法都抽瓦斯是提升瓦斯抽采效果的主要途径，于此同时，在提高煤层透气性上加强研究，不断改进和提高抽采工艺、系统和设备。还有一个影响瓦斯抽采效果好坏的重要因素：预抽钻孔的合理参数，过大的钻孔间距会造成抽采范围内的抽采盲区；过小的钻孔间距会导致物力和人力的浪费。所以，瓦斯抽采钻孔的布置应以钻孔的有效抽采半径为依据，比较准确地确定该参数，对防治瓦斯突出具有十分重要的意义。

1 试验条件及原理

1.1 试验条件

为了保证穿层钻孔瓦斯有效抽采半径测定结果的科学性、可靠性，试验区域的选择应满足以下条件。

（1）必须选择未进行过瓦斯抽采的原始煤层；

（2）必须保证在整个测试过程中试验区域不受采动影响；

（3）方便接入抽采系统，并可独立测定抽采量等参数。

1.2 试验原理

对突出煤层来说，有效抽采半径是指钻孔抽采一定时间后能消除突出的范围，这个范围用以钻孔为中心的半径来表示。因此，在一定抽采条件下，有效抽采半径由预抽瓦斯有效性指标和预抽时间决定。利用穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯就是在岩巷内向煤层打穿透全煤厚的钻孔，利用瓦斯抽采泵的抽采压力，使游离瓦斯抽出、被吸附瓦斯解析，从而使煤体中的瓦斯含量降到有效性指标以下，达到煤层消除突出危险的目的。

2 现场试验考察

2.1 钻孔布置、封孔及试验参数

穿层钻孔预抽煤层瓦斯的效果受很多因素的影响，主要影响因素有：抽采负压、煤孔长度、封孔质量、钻孔间距、抽采时间、钻孔直径等。

2.1.1钻孔直径

随着钻孔直径的增加，煤孔壁暴露面积增大，煤体内卸压范围增大，有利于煤层中瓦斯的解吸，提高单孔瓦斯的抽采量。但随着钻孔直径的增大，容易发生卡钻、塌孔、喷孔、排渣困难，严重影响钻进效率，降低了成孔率。根据生产经验及试验矿区条件，本次试验选择抽采钻孔直径为φ94 mm。

2.1.2 抽采负压

当煤体受到抽采，瓦斯释放后，煤体发生收缩变形，如果煤的物理机械性质各向不同，则在收缩过程中，会导致煤体裂隙网络的扩展，这样可以增加煤的透气性，从而可以提高煤层瓦斯的抽采效果。但一味的提高抽采负压对增加瓦斯抽出量的作用却不是非常明显，虽然在短时间内会呈现随着负压的增高，抽出量增加的趋势，但随着时间的延长，其作用逐渐减弱或消失。同时，钻孔瓦斯抽采過程中，由于受到管路和钻孔密封性的影响，如果负压提高得过大会增加空气的漏入，造成抽采的瓦斯浓度减少，而且矿井的瓦斯抽采泵提高抽采负压也有一定的限度。因此，本次试验抽采负压选定为13～18 Kpa。

2.1.3封孔质量

封孔质量的好坏直接关系到瓦斯的抽采浓度、抽采量，是影响抽采效果的重要因素之一。提高封孔质量关键在于封孔方法的选择和适当增加封孔深度。封孔材料可以采用黄泥、水泥砂浆、聚氨酯等，可以采用机械注浆封孔，也可采用人工封孔，同时为了保证封孔效果，封孔长度应大于巷道卸压带宽度。本次试验选择聚氨酯加水泥砂浆封孔，封孔长度大于12 m。

2.2 试验钻孔施工

根据试验条件并结合矿井实际生产接替情况，试验地点选在本矿井新布置的15107底板抽采巷。在底板抽采巷的三个钻场（10～12号钻场）分别布置三组穿层钻孔，三组穿层钻孔的孔底间距分别为7 m、6 m、5 m。按照《防治煤与瓦斯突出规定》，三组钻孔的控制范围均为巷道两侧轮廓线外15 m。钻孔布置图见图1。

钻孔施工完毕后记录终孔时间，封孔完毕，立即接入管路进行条带预抽，通过安装在抽采支管路上的孔板流量计，对瓦斯抽采流量进行测定，以便对该区域的瓦斯抽采量进行考察，从而对抽采效果进行评价。

3 抽采量考察及数据分析

考察钻孔于2014年2月开始施工，于2014年5月施工完毕。三组考察钻孔的阶段预抽量见表1。经过为期2～4个月的预抽，对三组试验区域的残余瓦斯含量进行了测定，三组试验区域残余瓦斯含量情况见图2。

3.1 预抽期间抽采流量变化规律的分析

合理预抽时间，是合理安排生产计划，正确预计钻孔预抽瓦斯有效程度，经济有效地进行预抽的重要参数。只有掌握预抽期间钻场钻孔抽采流量的变化规律，才能确定合理的抽采时间。

从区域单孔平均流量随时间变化来看，其回归关系基本符合负指数衰减规律，即关系式：

式中：为抽采时间，d；

为衰减系数，d-1；

为抽采时间为时的流量，m3/min；

为初始瓦斯涌出强度，m3/min。

因此可知：1号钻场单孔平均初始流量为0.0329 m3/min，衰减系数为0.0112 d-1，其区域单孔回归关系式为

；2号钻场单孔平均初始流量为0.0344 m3/min，衰减系数为0.0199d-1，其区域单孔回归关系式为；3号钻场单孔平均初始流量为0.0386 m3/min，衰减系数为0.0209d-1，其区域单孔回归关系式为。

3.2 预抽期间各钻场抽采效果考察

试验区域经过2～4个月的底板穿层钻孔预抽，是否消除了该区域的突出危险性需要经过检验。检验指标主要采用煤层残余瓦斯含量及在施工检验孔时所发生的喷孔、顶钻及其他突出明显突出预兆等。各钻场残余瓦斯含量随时间变化曲线如图2。

从表2可以看出，试验区域经过3～4个月的底板穿层钻孔的预抽，各试验钻场所控制范围内的残余瓦斯含量在掘进之前均低于8 m3/t。均达到《防治煤与瓦斯突出规定》第五十三条：“煤层残余瓦斯压力小于0.74MPa或残余瓦斯含量小于8 m3/t的预抽区域为无突出危险区”的要求。

4 结语

根据《防治煤与瓦斯突出规定》的要求以及穿层钻孔合理参数考察的目的，按照煤层残余瓦斯含量降到8 m3/t以下作为消突指标，根据监测数据以及煤层残余瓦斯含量与时间的关系可以得出：钻孔直径为Φ94 mm，孔口平均负压为13～16 KPa，抽放时间不小于140 d时，底板穿层钻孔孔底间距布置为7×7 m；钻孔直径为Φ94 mm，孔口平均负压为13～16 KPa，抽放时间不小于100d时，底板穿层钻孔孔底间距布置为6×6 m；钻孔直径为Φ94 mm，孔口平均负压为13～16 KPa，抽放时间不小于80 d时，底板穿层钻孔孔底间距布置为5×5 m。