采煤工作面瓦斯抽采有效半径现场测定方法

王兴华

（山东万祥矿业有限公司，山东 济南 271107）

1 工作面概况

潘西煤矿19 层煤瓦斯压力0.06～0.36 MPa，瓦 斯 含 量2.268 1～4.536 2 m3/t， 防 突 参 数K1=0.04～0.13，△h2=4～8，煤样坚固性系数f值0.506～0.513，煤样瓦斯放散初速度△P值6 ～7 mmHg， 吸 附 常 数a值9.598 2 m3/t、b值2.332 1 MPa-1，真密度1.33 t/m3，视密度1.25 t/m3，孔隙率6.04%，水分4.16%，灰分7.83%，挥发分33.58%。

6199 采煤工作面位于19 层煤瓦斯异常区内，走向长度1950 m，倾斜长度210 m，煤层倾角27°，煤厚2.6 m。采煤工作面受地质条件和采掘动态变化的双重影响，瓦斯涌出量大。为解决6199采煤工作面瓦斯问题，采用本煤层预抽的方式进行瓦斯治理[1-2]。为科学布置瓦斯抽采钻孔间距，获得较好的抽采效果，潘西煤矿与北京科技大学合作开展瓦斯抽采有效半径的测定工作。

2 瓦斯抽采有效半径的测定方法

2.1 建立数值模拟模型

根据6199 采煤工作面瓦斯赋存特点及现场实际情况，采用RFPA-Flow 软件的气固耦合模块建立瓦斯抽采数值模型，模型大小参数为15 m×3 m，模型四周边界固定水平位移，底端边界固定垂直位移，顶端边界施加均匀载荷。模型采用Mohr-Coulomb破坏准则，初始位移和速度按零计算。通过数值模拟模型测定，分析抽采1 d、10 d、20 d、30 d、40 d、50 d、60 d 煤层瓦斯分布情况可知，抽采钻孔附近煤层瓦斯分布是不均匀的，瓦斯压力以抽采钻孔为中心呈辐射状分布，越靠近抽采钻孔，瓦斯压力越低；随着抽采天数增加，瓦斯压力变化区逐渐增加，抽采半径逐渐增大；抽采前期煤层瓦斯增加明显，后期增加缓慢。

2.2 SF6 示踪气体测定

2.2.1 检测钻孔的布置

在6199 采煤工作面上巷顺层施工四组检测钻孔，孔深30 m，孔径94 mm，封孔深度12 m（避开围岩破碎带）。第一组检测钻孔5 个，第二组检测钻孔5 个，第三组检测钻孔3 个，第四组检测钻孔3 个。钻孔的布置方式如图1 ～图4。

图1 第一组瓦斯抽采半径测试钻孔示意图（m）

图2 第二组瓦斯抽采半径测试钻孔示意图（m）

图3 第三组瓦斯抽采半径测试钻孔示意图（m）

图4 第四组瓦斯抽采半径测试钻孔示意图（m）

2.2.2 检测钻孔测定方法

（1）向第一至第四组1#注气孔内注入质量3 kg 的SF6气体，关闭注气孔阀门。

（2）打开2#检测孔阀门，与瓦斯抽采系统连通（抽采负压14 kPa）进行抽采。

（3）每隔一天利用手持式检测仪进行测定检测孔是否有示踪气体出现。

（4）当在2#检测孔内测得示踪气体后，关闭2#检测孔阀门，打开3#检测孔阀门，开始对3#检测孔进行抽采、测定。

（5）对3#～5#检测孔重复上面的测定步骤，以此类推，直到检测孔中都检测到SF6气体或者20 d内还没检测到SF6气体为止。

2.2.3 检测钻孔的测定数据

手持式检测仪检测记录，如表1 ～表4。

表1 第一组瓦斯抽采半径检测钻孔现场测试记录

（1）由表1 知，第一组检测孔中，2#检测孔在第2 天检测到了SF6示踪气体，3#钻孔在第4 天检测到了示踪气体，4#检测孔、5#检测孔未检测到SF6气体。

（2）由表2 知，第二组检测孔中，2#检测孔在第4 天检测到了SF6示踪气体，3#检测孔、4#检测孔在第6 天检测到了SF6示踪气体，5#检测孔在第10 天检测到了SF6示踪气体。

表2 第二组瓦斯抽采半径检测钻孔现场测试记录

（3）由表3 知，第三组检测孔中，2#检测孔在第4 天检测到了SF6示踪气体，3#检测孔在第8天检测到了SF6示踪气体。

表3 第三组瓦斯抽采半径检测钻孔现场测试记录

（4）由表4 知，第四组检测孔中，2#检测孔在注气的第8 天检测到了SF6示踪气体，3#检测孔未检测到SF6示踪气体。

表4 第四组瓦斯抽采半径检测钻孔现场测试记录

3 测定数据分析

在煤层赋存条件一定的情况下，瓦斯钻孔抽采半径r（m）与抽采时间t（d）之间符合幂函数关系，即：r=AtB

式中：r为抽采半径，m；t为抽采时间，d；A、B为常数。

将现场测试记录数据进行拟合，得出瓦斯抽采时间与抽采有效半径的关系式：r= 0.867 t0.4054。

根据r= 0.867 t0.4054关系式并结合瓦斯压力分布曲线（图5）分析得到：瓦斯抽采钻孔孔径94 mm，孔口负压在不低于14 kPa 的条件下，抽采时间1 d 时，抽采有效半径约0.6 m；抽采10 d 时，抽采有效半径约2.1 m；抽采30 d 时，抽采有效半径约2.8 m；抽采60 d 时，抽采有效半径仍是2.8 m。因此，确定瓦斯抽采钻孔的抽采有效半径为2.8 m。抽采30 d 和60 d 煤层瓦斯压力基本不变，可以认为达到抽采边界。

图5 瓦斯压力分布曲线

4 结论

6199 采煤工作面经采取数值模拟与SF6示踪气体实测相结合的测定方法，得到了孔径94 mm 的本煤层瓦斯抽采钻孔抽采有效半径是2.8 m。根据抽采有效半径进行科学布置本煤层钻孔间距，抽放流量、抽放浓度相应得到提高，抽采效果显著。