卸压瓦斯抽采对比试验研究

侯宗斌，李思光

(贵州省煤矿设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550025)

0 引言

我国众多学者对卸压增透措施进行了很多研究，探索出开采保护层、深孔预裂爆破、水力压裂、水力冲孔和水力割缝等卸压增透措施。石必明等[1]通过数值模拟分析，提出了卸压区煤层水平变形呈现拉抻和挤压状态，使得保护层开采后煤体的裂隙发育更为充分；戴广龙等[2]研究指出，由于产生“O～X”型破坏，使得处于保护层保护范围的邻近层瓦斯涌入工作面；赵新涛等[3]研究了深孔预裂爆破中，爆破产生的压力对封孔物质的作用，根据裂纹发育所需的时间，得到了最佳封孔长度的理论模型。李志宏[4]针对爆破作用下裂隙之间的相互作用难以分析这一问题，采用数值模拟方法分析研究爆破产生的气体对裂隙发育的作用。吴飞鹏等[5]研究了预制裂隙对水力压裂裂缝开裂应力的影响，发现增加预制裂缝会使得新裂缝的开裂压力降低；多裂缝之间的相互作用，会使得裂缝网络更为发育。李耀谦等[6]对水力压裂和水力割缝共同作用下煤体的裂隙发育进行研究，通过水力割缝使得裂隙的发育更具有方向性，解决了钻孔周围的应力集中问题。刘志伟等[7]现场采用水力割缝技术，对煤体的透气性进行提升，确定了水力割缝时的割缝压力以及割缝半径等参数，在巷道掘进中取得了良好的效果。邹永洺[8]为了提高单一水力割缝的效果，将水力割缝技术和二氧化碳相变致裂技术组合使用，现场试验表明，应用该组合技术后的煤体抽采效率大幅提高。基于上述学者的研究，本文采用现场试验的方法，设立试验组和对照组，将试验组和对照组的抽采效果进行对比分析，探究卸压区域煤层瓦斯含量及煤层的抽采半径。

1 现场试验布置

1.1 试验位置

在某矿9号煤层的1904运输巷布置两个测试点，由于 1904运输巷上帮采用卸压增透措施，下帮9号煤层为原始区，因此在1904工作面的上帮（1号测试点）设置试验组，下帮（2号测试点）设置对照组。

1.2 试验点钻孔布置

1号测试点布置在距巷道开口115 m处，从距开口较近的位置依次布置3个抽采孔，分别为1-3，1-2，1-1号抽采孔，在抽采孔两侧分别以不同的距离布置观测孔。2号测试点布置在距巷道开口215 m处，钻孔布置见图1。

图1 测试点钻孔布置

1.3 钻孔参数及封孔工艺

每个测试点各设计布置9个顺层钻孔，包括3个瓦斯抽采钻孔和6个观测孔。上帮的钻孔采用聚氨酯封口，下帮的钻孔在尾管端部焊接一个挡板并且缠上一定的棉纱，随后将钻孔注满水泥浆封孔。

2 现场试验及分析

2.1 瓦斯含量测试及分析

在抽采钻孔施工过程中，现场取样测试煤层瓦斯含量，试验组（1号测试点）取样钻孔为1-2号和1-3号抽采孔，对照组（2号测试点）取样钻孔为2-1号、2-2号和2-3号抽采孔，在井下进行现场瓦斯解吸，根据煤样瓦斯解吸规律推算取样过程中煤样损失的瓦斯量，然后在实验室测定煤样的残存瓦斯量，最后得到1号测试点9号煤层实测最大瓦斯含量为4.05 m3/t，已降低至8 m3/t以下；2号测试点9号煤层实测最大原始瓦斯含量为9.49 m3/t。由此可见，通过卸压增透措施，卸压区域煤体中的大量瓦斯得到释放，卸压区域瓦斯含量降低了57.3%。

2.2 观测孔压力测试及分析

本次在试验组、对照组（2个测点）共施工了12个观测孔，观测孔施工结束后，在各个观测孔中注入0.2 MPa的气体，之后将抽采孔联网抽采。随着抽采时间的加长，各个钻孔的压力均有所降低，以瓦斯压力降低 10%或钻孔压力降低为负压作为影响半径的判断依据，拟合分析见图 2、图 3，卸压增透区煤层的瓦斯抽采影响半径与预抽时间的函数关系为：

图2 卸压区瓦斯抽采影响半径曲线

图3 原始煤体瓦斯抽采影响半径曲线

由式（1）可以得出，卸压增透区煤层的极限影响半径为7.0 m。

原始煤体区的瓦斯抽采影响半径与预抽时间的函数关系为：

由式（2）可以得出，原始媒体区极限影响半径为6.1 m。

相比两个测试点的极限影响半径，试验组的极限影响半径相较于对照组的极限影响半径提高了14.8%。由此可见，卸压增透措施对煤层透气性有显著提高。

2.3 抽采流量测试

对试验组、对照组（2个测试点）的所有抽采钻孔进行联抽，用CJZ70瓦斯参数综合测定仪测试单孔孔口负压、抽采浓度和抽采流量。将一个月观测到的2个测点总的抽采浓度和抽采流量数据进行统计处理，绘制了图4、图5。

图4 试验组平均抽采流量

图5 对照组平均抽采流量

对图4和图5中试验组和对照组的抽采纯流量进行拟合，得到试验组的抽采纯量与时间的函数关系为：

对照组的抽采纯量与时间的函数关系为：

式中，qs、qd分别为抽采时间t下试验组、对照组的平均瓦斯抽采纯量，m3/min；t为钻孔的瓦斯抽采时间，d。

根据瓦斯抽采纯流量与抽采时间的负指数关系式，两边对时间积分，可以得到任意时间t天内钻孔瓦斯抽采总量Qct为：

式中，qc0为有效钻孔长度条件下钻孔初始瓦斯抽采量，m3/min；β为钻孔瓦斯抽采量衰减系数，d-1。

根据煤层原始瓦斯含量、煤层厚度、煤的容重、抽采钻孔有效长度、试验点长度等已知条件，即可计算预抽时间t时的瓦斯抽采的预抽率：

式中，W为煤层瓦斯含量，m3/ t；r为抽采半径长度，m；η为抽采率，%；h为煤层厚度，m；L为抽采钻孔长度，m；γ为原煤容重，t/ m3。试验点煤层参数见表1。将表1中数据代入式（6），按抽采一个月的抽采量得出试验组的抽采率是9.4%，抽采后试验组残存瓦斯含量为3.67 m3/t，而对照组的抽采率是20.7%，抽采后残存瓦斯含量为7.62 m3/t。虽然试验组的抽采率低于对照组，但对比无烟煤的不可解吸瓦斯含量，试验组卸压增透后的抽采残存瓦斯接近煤的不可解吸瓦斯含量。

表1 试验点煤层参数

3 结论

（1）卸压增透措施后，煤层瓦斯已经得到了充分的逸散，通过现场实测，卸压区瓦斯含量是原始煤体区瓦斯含量的42.7%。

（2）采用压降法对抽采孔抽采影响范围进行测定，卸压增透区的抽采影响半径的函数关系式为r=0.2334t/(1+0.0329t)，原始煤体区的函数关系式为r=0.2374/(1+0.0387t)，相比2个测试点抽采3个月的影响半径，试验组的极限影响半径比对照组的极限影响半径大14.7%。

（3）用 2个测点的抽采纯流量计算各自的抽采率，发现卸压增透区域煤的残存瓦斯含量接近于煤的不可解吸瓦斯含量。

（4）采取卸压增透措施的煤体，在瓦斯逸散以及抽采过程中，都有明显的提升，因此，采取卸压增透措施时，配合瓦斯抽采，达到了“可抽尽抽”的目的，可促进矿山绿色开采。