基于瓦斯含量法的顺层钻孔抽采影响半径研究

钱恒峰

（中煤能源新疆鸿新煤业有限公司，新疆 昌吉 831100）

预抽煤层瓦斯是煤矿解决瓦斯灾害的主要措施之一，其中顺层钻孔抽采是目前最常用的抽采技术手段。抽采钻孔间距的大小直接影响煤层瓦斯抽采效果，抽采钻孔间距过大，钻孔之间形成抽采盲区，在规定时间内达不到抽采效果；抽采钻孔间距过小，容易造成资源的浪费，不经济且效果不佳[1-4]。本煤层抽采钻孔间距确定依据是通过抽采半径考察，将抽采半径2 倍作为本煤层顺层钻孔间距。因此，开展抽采半径考察工作对本煤层瓦斯抽采技术实施至关重要[5]。本文采用瓦斯含量法对煤层顺层钻孔抽采影响半径进行考察，旨在获得抽采影响半径与抽采时间关系，起到指导现场瓦斯抽采的目的。

1 工程概况

寺家庄矿15 号煤层，属于全区稳定可采厚煤层，煤层厚度为3.1～8.65 m，平均5.67 m。煤层底板为炭质泥岩，顶板为砂质泥岩，煤层地质简单。瓦斯流量衰减系数为0.031 1～0.049 7 d-1，煤层透气性系数为0.128 79～0.153 34 m2/MPa2·d，瓦斯含量介于9.16～13.28 m3/t 之间。

矿井中央风井广场建有一座地面瓦斯抽采泵站，采用本煤层、邻近层和采空区抽放的综合瓦斯抽放方法。泵站内共安装10 台瓦斯抽放泵，其中本煤层抽放配备8 台水环式真空泵，邻近层系统配备2 台罗茨真空泵，总装机能力为6 197.2 m3/min，运行能力为3 123.6 m3/min。

2 瓦斯含量法

2.1 瓦斯含量法原理

当使用瓦斯含量法进行测定时，首先要进行考察区域内煤体原始瓦斯含量的测定，将特定孔径的抽采钻孔在考察区域内施工，最后进行封孔并进行瓦斯抽采。抽采一段时间后，运用直接测定法进行考察区域瓦斯含量的测定，当测定的瓦斯含量降到临界值时，将此时瓦斯含量降低地点至抽采钻孔的距离作为一定抽采时间内的有效抽采半径。

按照《煤矿安全规程》要求，煤层的预抽抽采率应该大于30%，因此在考察抽采半径时应保证抽采率大于30%。当抽采率大于30%时，将煤层瓦斯含量下降30%的等量线位置到钻孔的距离称为钻孔有效抽采半径，将煤层瓦斯含量下降10%的位置到钻孔的距离称为钻孔抽采影响半径。

2.2 抽采影响半径实施步骤

根据寺家庄煤矿井下巷道实际布置情况，选择在北翼带式输送机巷300 m 处实施抽采半径考察，钻孔布置如图1。施工步骤如下：

图1 抽采钻孔布置示意图

（1）在北翼带式输送机巷沿煤层走向方向垂直煤壁向煤层施工三个瓦斯抽采钻孔，各抽采钻孔之间相隔20 m，两边预留20 m 空白区域，钻孔布置在煤层中间位置。

（2）在抽采钻孔施工过程中，待钻孔钻进至30 m 时取煤样，取样结束后立即在井下进行解吸，升井后在实验室解吸，得出原始瓦斯含量。

（3）当钻孔施工完毕并且全程下套管后，采用“两堵一注”的方法进行封孔，从孔内10 m 处起封，封孔长度为18 m，采用FKL-1 型专用封孔水泥进行封孔，保证封孔的严密性。

（4）待封孔完毕后立即安设瓦斯参数观察装置与抽采管路连接进行抽采，保证孔口抽放负压不低于13 kPa，每3 d 对抽采数据进行观察一次，发现问题及时处理。

（5）连续抽采1 个月后，距离测试孔按一定的距离布置四个或五个钻孔，分别进行瓦斯含量测定，确定钻孔抽采影响半径范围。

（6）保证整个过程中测试区域不受采动影响，同时能够保证连续抽采、抽采系统的稳定运行。

其中抽采钻孔孔径为94 mm，间距20 m，孔深80 m，钻孔与巷道夹角90°。在预抽钻孔施工期间，测定得出的煤层瓦斯含量分别为13.315 7 m3/t、13.769 8 m3/t、13.670 9 m3/t。

瓦斯抽采钻孔进行接抽之后，在连续抽采1、2、3、4、5、6 个月后，在抽采钻孔周围按照0.3 m、0.4 m、0.5 m 的间距实施检验钻孔。检验钻孔孔径为75 mm，孔深70 m。瓦斯含量测定结果见表1。

表1 校检瓦斯含量测定结果

2.3 抽采影响半径分析

通过表1 发现：连续抽采1 个月之后，距离1#钻孔0.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m 处的瓦斯含量分别 为10.647 4 m3/t、11.914 8 m3/t、12.071 7 m3/t、12.893 3 m3/t，比原始瓦斯含量13.315 7 m3/t 降低了20.04%、10.52%、5.59%、3.17%。根据判定准则，判定1-1#、1-2#校检孔均不在有效半径范围内，但位于影响半径范围内；1-3#、1-4#校检孔不在钻孔影响半径范围内。综上所述，当钻孔抽采1 个月时，抽采影响半径0.6 m ＜R ＜0.9 m，采用插值法确定抽采影响半径为0.63 m。

连续抽采2 个月后，距1#测试孔0.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m 处的瓦斯含量分别为10.475 9 m3/t、10.728 7 m3/t、11.851 3 m3/t、12.707 8 m3/t， 比 原始瓦斯含量13.315 7 m3/t 降低了21.33%、19.43%、11.00%、4.57%。因此，可以判定2-1#、2-2#、2-3#校检孔在钻孔影响半径范围内；2-4#校检孔不在钻孔影响半径范围内。综上所述，当钻孔抽采2 个月时，钻孔有效抽采半径为抽采影响半径0.9 m＜r＜1.2 m，采用插值法确定抽采影响半径为0.95 m。

连续抽采3 个月后，距离2#测试孔0.4 m、0.8 m、1.2 m、1.6 m 位置的瓦斯含量分别为10.831 9 m3/t、11.711 7 m3/t、12.365 7 m3/t、13.593 5 m3/t，比 原 始瓦斯含量13.769 8 m3/t 降低了21.34%、14.95%、10.20%、1.28%。因此，可以判定3-1#、3-2#、3-3#校检孔不在有效半径范围内，但都位于影响半径范围内；3-4#校检孔不在影响半径范围内。综上所述，当钻孔抽采3个月时，钻孔抽采影响半径为1.2 m＜R＜1.6 m，采用插值法确定抽采影响半径为1.21 m。

连续抽采4 个月、5 个月、6 个月采取上述相同的方法分析。当钻孔抽采4 个月时，钻孔抽采影响半径1.2 m ＜R ＜1.6 m，采用插值法确定抽采影响半径为1.57 m；当钻孔抽采5 个月时，钻孔抽采影响半径1.5 m ＜R ＜2.0 m，采用插值法确定抽采影响半径为1.84 m；钻孔抽采6 个月时，钻孔瓦斯抽采影响半径2.0 m ＜R ＜2.5 m，采用插值法确定抽采影响半径为2.09 m。

瓦斯抽采影响半径随时间变化如图2。

通过图2 看出：15 号煤层抽采影响半径随着抽采时间增加而增大，抽采影响半径与抽采时间之间的关系可以表示为y=0.061 2x0.6758。式中：y为抽采影响半径，m；x为抽采时间，d。

图2 抽采影响半径与时间关系

3 结论

通过选用瓦斯抽采半径测定常用的瓦斯含量法对寺家庄煤矿15 号煤层进行了抽采影响半径的分析，得到抽采影响半径与抽采时间的关系为y=0.061 2x0.6758。通过抽采影响半径与抽采时间关系方程，根据不同煤矿实际情况选择合理的抽采时间进而确定抽采半径，能够为矿井瓦斯治理工作提供重要的价值信息。