多煤层穿层钻孔瓦斯抽采比例计算方法研究及应用

胡 华，汪圣伟，李希建，王文利，杨泽俊

（1.贵州黔西能源开发有限公司，贵州 毕节 551507；2.贵州大学矿业学院，贵州 贵阳 550025；3.复杂地质矿山开采安全技术工程中心，贵州 贵阳 550025；4.贵州大学瓦斯灾害防治与煤层气开发研究所，贵州 贵阳 550025）

0 引言

目前，大多专家学者都是对穿层钻孔瓦斯抽采半径进行研究，王亮等[7]基于弹性力学应变软化模型和瓦斯渗流理论模型，建立了穿层钻孔煤层瓦斯流动相关方程，并通过数值模拟和现场试验相验证得出瓦斯抽采有效半径。张明杰等[8]通过comsol模拟，提出以钻孔瓦斯自然涌出有效影响半径代替抽采负压影响下的有效抽采半径，并在鹤壁三矿、十矿和古汉山矿进行现场实测，最终确定瓦斯抽采半径。王俊铭等[9]也是利用数值模拟和现场试验相结合，构建了考虑吸附膨胀应力和Klinkenberg效应的扩孔孔硐附近煤体瓦斯流动流-固耦合数学模型，研究水利扩孔对瓦斯抽采有效半径的影响。徐遵玉[10]在新集二矿220112工作面底板巷采用压降法、理论计算法、含量法和流量法进行现场试验，压降法与其他方法的考察结果出入较大，其余方法结果基本一致。

综上所述，前人对穿层钻孔瓦斯抽采比例的研究较少。基于此，笔者考虑试验单元抽采比例跟煤层厚度、瓦斯含量和密度相关，提出一种多煤层穿层钻孔瓦斯抽采比例定量计算方法，并在青龙煤矿21605底抽巷展开试验，以期对青龙煤矿瓦斯抽采具有一定指导意义。

1 多煤层穿层钻孔瓦斯抽采比例计算方法

1.1 方法的提出

在矿井具备多个煤层共同开采，且各煤层间距不是很大的条件下，可以采用穿层钻孔同时抽采多个煤层瓦斯，对于现场实际来说，不仅节约生产成本，还提高了单孔瓦斯抽采量。在此前提下，确定多煤层穿层钻孔各煤层瓦斯抽采比例问题亟待解决，为矿井瓦斯抽采提供依据[11-12]。

1.2 多煤层穿层钻孔瓦斯抽采比例计算方法

在穿层钻孔抽采多个煤层瓦斯时，影响各煤层瓦斯抽采量的因素有很多，主要包括原始瓦斯含量、煤层厚度、透气性系数及煤层密度等因素（在抽采期间，各煤层的抽采孔径、抽采负压、抽采时间相同，并假设在等温条件下，地质构造也相同）[13]，各煤层瓦斯抽采量与该煤层原始瓦斯含量、煤层厚度、及煤体密度成正相关。考虑到瓦斯抽采范围近似圆柱形，利用试验单元内煤炭储量与原始瓦斯含量的乘积计算出试验单元原始瓦斯总量Q，抽采一段时间后在该单元钻孔取芯，根据残余瓦斯含量计算出瓦斯抽采总量Qc，各煤层已抽采的瓦斯量与已抽采的瓦斯总量即是该煤层的抽采比例。表达式如下：

式中：G为试验单元内煤炭储量，t；S为抽采范围内的面积，m2（这里选取半径为2 m的抽采范围，试验取芯钻孔布置在抽采孔0.5 m处）；h为试验单元平均煤层厚度，m；ρ为试验单元煤体密度，t/m3。

式中：W为试验单元煤层原始瓦斯含量，m3/t；Q为试验单元原始瓦斯总量，m3。

试验单元钻孔抽采瓦斯总量为：

式中：Qci为试验单元瓦斯抽采量，m3；i表示穿层钻孔抽采的煤层数；Wcy为瓦斯抽采后煤层残余瓦斯含量，m3/t。

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式中：ηi为煤层瓦斯抽采比例。

1.3 计算基本参数

计算所需的基本参数见表1：

表1 抽采比例计算基本参数

2 现场应用

2.1 现场概况

青龙煤矿位于贵州省黔西县谷里镇，矿区长度从东北到西南约为8.25 km，宽度从西北到东南约为5.40 km，面积约为20.65 km2，开采高度在+1300～+700 m[14]。矿井主采煤层为16、18煤层，17煤层部分可采，其中16煤层平均厚2.88 m，17煤层平均厚1.12 m，18煤层平均可采厚度为3.18 m，3层煤层瓦斯含量均高于8 m3/t，瓦斯压力均大于0.74 MPa。因此，青龙煤矿属煤与瓦斯突出矿井[15]。

2.2 试验方案

本次试验地点选择在21605底抽巷d11控制点处，钻孔选择已避开已施工钻孔及地质构造带裂隙带、采动及抽采影响范围，避开距离不小于50 m。试验步骤如下：

图1 21605底抽巷试验区煤层赋存

1）施工抽采孔。首先施工一个抽采孔1号，同时打穿M16、M17、M18三层煤（打到过顶板0.5 m处），施工过程中，分别对各煤层取芯测定煤层原始瓦斯含量。施工结束后及时封孔，并连接抽采管网。

2）数据观测。每天观测抽采孔参数（浓度、流量、负压）变化。

3）施工观测孔。抽采90 d后，在平行于抽采孔的左、右端间距2 m处施工2号和3号观测孔测定煤层原始瓦斯含量，取芯步骤同步骤（1）一致（钻孔布置如图2所示）。

4）数据处理。通过数据分析、计算得出各煤层瓦斯抽采比例。

图2 钻孔布置平面图

2.3 穿层钻孔各煤层瓦斯抽采比例计算

由式（1）-（4），以及表1中参数计算可得各煤层抽采比例如下：

1）M18煤：

2）M17煤：

3）M16煤：

因此，各煤层抽采比例分别为：M18煤层占46.37%，M17煤层占12.67%，M16占40.94%。

3 结论

1）通过在青龙煤矿21605底抽巷施工穿层钻孔同时抽采M16、M17、M18煤层瓦斯，实测瓦斯抽采前、后的M16、M17、M18煤层原始瓦斯含量和残余瓦斯含量，计算出各煤层瓦斯抽采比例。

2）试验地点穿层钻孔同时抽采M16、M17、M18煤层瓦斯，抽采总量中M18煤层占46.37 %，M17煤层占12.67%，M16占40.94%。

3）考虑抽采比例跟煤层厚度、瓦斯含量和密度相关性，测定的多煤层瓦斯抽采比例能满足工程需要，为青龙煤矿现场瓦斯抽采提供一定指导意义。