宏岩煤矿不同孔径钻孔瓦斯抽采效果分析

＊郝芋胺

（山西离柳焦煤集团有限公司 山西 033000）

我国的煤炭资源丰富，分布范围广，但是地质条件差异性较大，煤层赋存条件复杂，且大部分煤矿采用井工开采，高瓦斯、突出矿井占有相当大的比例。高瓦斯、突出矿井安全生产的重中之重就是瓦斯防治，其中，进行煤层抽采是矿井瓦斯防治的最根本、最有效的方式方法。在瓦斯抽采过程中，抽采钻孔孔径是瓦斯抽采的关键参数之一，若选择大孔径钻孔，需要投入较大的钻机钻具等设备；若选择较小孔径的钻孔，则达不到预想的抽采效果，因此选择合适的抽采钻孔孔径，不但能够实现较好的抽采效果，而且能够节省大量的施工成本。

近年来，许多专家学者就不同钻孔孔径对瓦斯抽采效果的作用进行了试验研究。许满贵等[1]通过数值模拟的方式得到了抽采率和抽采半径与钻孔孔径的相关关系。王振亚[2]采用多种研究方式，试验了不同孔径对瓦斯抽采效果的影响，研究了瓦斯抽采效果与钻孔孔径的定量关系，得到了适合矿井的抽采钻孔孔径。薛明理等[3]利用理论分析得到了不同孔径的顺层抽采钻孔的抽采参数变化（瓦斯流量以及浓度），分为3个阶段，分别为快速衰减、不稳定波动以及极限抽采。刘冠鹏、刘军等[4-5]通过研究得出排放钻孔的孔径与排放半径成正比关系，并且有效半径增大的幅度远大于排放钻孔孔径的幅度。梁建瑞[6]对不同孔径与瓦斯抽采效果的关系进行了研究。刘洪明[7]设计在本煤层采用2种孔径钻孔进行抽采，并从施工工效和钻孔下管两方面对比2种孔径钻孔的抽采效果，为今后钻孔抽放工作提供借鉴。程磊等[8]通过现场试验和数值模拟相结合的方法，研究瓦斯排放钻孔影响半径在不同排放时间和不同超前钻孔直径影响下的变化规律。高明[9]采用理论分析和现场实测等综合研究方法，确定了不同孔径钻孔有效排放半径与时间关系，为相似地质条件的矿井瓦斯排放提供参考。本文基于宏岩煤矿的瓦斯地质和煤层赋存情况，选择Φ94mm和Φ113mm钻孔进行现场试验考察研究，为宏岩煤矿选择合适、有效的抽采钻孔孔径提供数据支撑，对矿井瓦斯治理具有重要意义。

1.试验地点选取

山西离柳焦煤集团有限公司宏岩煤矿井田面积5.8199 km2，开采煤层为9+10号煤层，核定生产能力为90万t/a，矿井工业资源/储量4901.7万吨，设计可采资源/储量为2523.84万吨，区域瓦斯含量为5.23～9.48m3/t，2021年度鉴定的宏岩煤矿瓦斯等级鉴定结果为：矿井绝对瓦斯涌出量34.86m3/t，属于高瓦斯矿井。

宏岩煤矿9+10号煤层开拓区域划分为三个采区，目前，二采区和三采区工作面还未形成，选择在二采区开展不同孔径瓦斯抽采现场比对试验不具备条件，因此，现场试验地点选取在一采区备采工作面10106工作面，选取位置为：Φ113mm本煤层钻孔施工地点为10106回风顺槽400～450m，Φ94mm本煤层钻孔施工地点为10106切眼，如图1所示。

图1 10106回风顺槽比对试验钻孔位置布置图

2.试验地点概况

10106回风顺槽和10106胶带顺槽、切眼等巷道共同形成10106工作面生产系统。10106回风顺槽与10106胶带顺槽设计全长906m，10106切眼长198m，采用锚杆+金属网+钢带+锚索联合支护形式，矩形断面。10106回风顺槽巷道掘宽4.8m，掘高3m，掘进断面14.4m2。10106胶带顺槽巷道掘宽5.2m，掘高3m，掘进断面15.6m2。10106工作面回采9+10号煤，10106切眼布置在10号煤层中，巷道沿10号煤层底板掘进。

3.施工情况

10106切眼Φ94mm钻孔开始施工时间为2022年5月4日，结束施工时间为2022年5月15日，总台班数为32个，施工钻孔总数为35个，钻孔总进尺为6180m。

10106回风顺槽400～450m处Φ113mm钻孔开始施工时间为2022年5月17日，结束施工时间为2022年5月23日，总台班数为17个，施工钻孔总数为14个，钻孔总进尺为2226m。

4.瓦斯抽采效果对比分析

10106回风顺槽400～450mΦ113钻孔从2022年5月17日开始瓦斯抽采数据观测，截至到2022年6月21日，参与钻孔观测个数14个，瓦斯抽采数据观测14次，如表1所示。10106切眼Φ94钻孔分两组进行瓦斯抽采数据观测，从2022年5月17日开始数据观测，截至到2022年6月21日，Φ94钻孔1组参与钻孔观测个数18个，Φ94钻孔2组参与钻孔观测个数17个，瓦斯抽采数据均观测14次，如表2、3所示。

表1 10106回风顺槽400～450mΦ113钻孔瓦斯抽采参数表

表2 10106切眼Φ94钻孔1组瓦斯抽采参数表

表3 10106切眼Φ94钻孔2组瓦斯抽采参数表

因各组参与比对试验的钻孔深度和总进尺不同，不能简单地采用瓦斯抽采纯量和混合量进行对不同孔径的钻孔抽采效果进行评价分析。因此，为了更为科学、可靠比对Φ113试验钻孔和Φ94钻孔瓦斯抽采效果，采用瓦斯抽采浓度和百米瓦斯抽采纯量进行评价分析。

(1)瓦斯抽采体积分数对比

通过对Φ113钻孔和Φ94钻孔瓦斯抽采体积分数进行数据分析，截至2022年6月21日，得出Φ113钻孔平均瓦斯抽采体积分数为57%，Φ94钻孔1组平均瓦斯抽采体积分数为43%，Φ94钻孔2组平均瓦斯抽采体积分数为39%，如表4、图2所示。经过计算，Φ113钻孔平均瓦斯抽采体积分数分别是Φ94钻孔1组和Φ94钻孔2组的1.33倍、1.46倍。

表4 Φ113钻孔和Φ94钻孔抽采参数平均值对比表

图2 Φ113钻孔和Φ94钻孔瓦斯抽采体积分数对比图

(2)百米瓦斯抽采纯量对比

通过对Φ113钻孔和Φ94钻孔百米瓦斯抽采纯量进行数据分析，截至2022年6月21日，得出Φ113钻孔平均百米瓦斯抽采纯量为0.0305m3/min，Φ94钻孔1组平均百米瓦斯抽采纯量为0.0086m3/min，Φ94钻孔2组平均百米瓦斯抽采纯量为0.0075m3/min，如表4、图3所示。经过计算，Φ113钻孔百米瓦斯抽采纯量分别是Φ94钻孔1组和Φ94钻孔2组的3.55倍、4.07倍。

由于新施工钻孔前期涌水较多，节流不稳定，待节流稳定后，Φ113钻孔百米瓦斯抽采纯量为0.0213m3/min，Φ94钻孔1组百米瓦斯抽采纯量为0.0102m3/min，Φ94钻孔2组百米瓦斯抽采纯量为0.0093m3/min，如表4、图3所示。Φ113钻孔百米瓦斯抽采纯量分别是Φ94钻孔1组和Φ94钻孔2组的2.09倍、2.29倍。

图3 Φ113钻孔和Φ94钻孔百米瓦斯抽采纯量对比图

从百米瓦斯抽采纯量来看，钻孔孔径越大，抽采纯量越多。原因在于孔径越大，暴露的表面积越大，煤体微小裂隙越发育；同时钻孔孔径越大，煤体卸压范围越大，有利于瓦斯通道的形成。

(3)施工台班进尺对比

通过对Φ113钻孔和Φ94钻孔施工台班进尺进行数据分析，得出Φ113试验钻孔台班进尺为131m/班，Φ94试验钻孔台班进尺为193m/班，Φ113钻孔台班进尺是Φ94钻孔台班进尺的0.68倍。

5.结论

本文在分析抽采钻孔瓦斯体积分数、百米瓦斯抽采纯量和施工台班等因素的基础上，在宏岩煤矿试验分析不同孔径对瓦斯抽采效果的影响，得到以下结论：

（1）从不同孔径的瓦斯抽采体积分数和百米瓦斯抽采纯量对比分析来看，Φ113钻孔比Φ94钻孔瓦斯抽采效果更好，但施工速度相对较慢。

（2）根据宏岩煤矿实际生产情况，结合考察分析结果，建议下一步宏岩煤矿本煤层抽采钻孔选择孔径Φ113mm的钻孔。