东大煤矿底抽巷穿层定向长钻孔抽采效果验证方法

晁志国

（晋能控股装备制造集团，山西 晋城 048000）

瓦斯抽采技术是消除瓦斯突出煤层危险性的有效方法[1-2]，包括地面钻井瓦斯抽采和井下瓦斯抽采法[3]。井下瓦斯抽采法具有适用性强、成本低、钻孔施工可靠性高等优势。因此，东大煤矿采取此方法对试验煤层瓦斯进行治理。

1 瓦斯抽采效果测试原理

东大煤矿试验煤层的初始瓦斯压力约为0.5 MPa，初始瓦斯含量约为12.82 m3/t，煤体坚固性系数为0.41，绝对瓦斯涌出量为29.5 m3/min，煤层无自燃倾向性。根据煤矿瓦斯防治技术相关规定，当煤层中的瓦斯含量低于8 m3/t 时可认定为无突出危险性的煤层。因此，为消除试验煤层的瓦斯灾害危险性，抽采技术方案需要保证瓦斯由初始含量降低到安全界限以下，降低幅度约为38%。瓦斯抽采的过程中，通过分析瓦斯抽采的测试原理，现场测定底抽巷穿层长钻孔的瓦斯抽采流量，分析瓦斯抽采率的变化状态，对瓦斯抽采的实际效果进行检验。

为判别瓦斯抽采效果，以瓦斯抽采率和瓦斯抽采流量作为理论基础，建立瓦斯抽采效果判别方法。如图1 所示，钻孔附近由于抽采负压较高，塑性区破碎程度较大，可假设为抽采率为1，随着煤层距离抽采钻孔的距离逐渐增加，当完全脱离钻孔负压的抽采范围和弹塑性破坏区影响时，此位置的瓦斯抽采量变为0，且假设瓦斯抽采率从1 到0 的变化规律遵循指数型函数分布形式。由此可建立钻孔瓦斯流量公式（1）。

图1 底抽巷穿层定向长钻孔瓦斯抽采率分布规律示意图

式中：Q为钻孔瓦斯流量，m3/min；C为煤层中瓦斯含量，m3/t；D为钻孔长度，m；ρc为煤体密度，kg/m3；β为瓦斯抽采率系数。

将式（1）进行积分并求极限，得到瓦斯流量系数β为：

最终可得距钻孔距离为x位置处的瓦斯抽采率为：

2 穿层钻孔布置方案

2.1 钻孔布置参数

东大煤矿试验煤层的底抽巷穿层定向长钻孔共布置7 个，用于抽采采煤工作面的瓦斯。如图2（a）、2（b）所示，7 个钻孔分为3 组，其中第一组钻孔共包含3 个钻孔，分别为1-1、1-2、1-3；第二组钻孔共包含2 个钻孔，分别为2-1、2-2；第三组钻孔共包含2 个钻孔，分别为3-1、3-2。组内钻孔的间隔距离为10 m，组间钻孔的水平方向间隔距离为10 m，组间钻孔的垂直方向间隔距离为0.8 m，钻孔距离最近的上方和下方距离为1 m。瓦斯抽采钻孔布置距离原始应力区的间隔为15 m。瓦斯抽采钻孔的施工数据见表1。

表1 底抽巷穿层定向长钻孔布置参数表

图2 底抽巷穿层定向长钻孔布置位置示意图（m）

井下瓦斯抽采的封孔方式与封孔效果直接影响了瓦斯抽采效果。为保证试验煤层底抽巷穿层定向长钻孔的瓦斯抽采效果，采用速凝发泡水泥浆对钻孔进行封孔处理。封孔采用“一堵一注”的方式，作用机理是利用含有膨胀剂的水泥砂浆充斥钻孔周围的塑性破碎岩体，膨胀后的水泥砂浆可以很好地对钻孔以及钻孔周围的裂隙岩体进行封堵，保证钻孔内的抽采负压维持稳定，管道内的瓦斯不产生泄漏，以此保障瓦斯的抽采效果。采用膨胀剂的水泥砂浆避免了纯水泥砂浆凝固后的体积缩减效应，对于钻孔的封孔效果更好。封孔示意图如图3。

图3 底抽巷穿层定向长钻孔封孔示意图

2.2 瓦斯抽采流量测试方法

工程钻孔测试法、计算机数值模拟方法、气体分子示踪法是测定瓦斯抽采效果主要方法。工程钻孔测试法当中包括“瓦斯压力测试法”和“瓦斯流量测试法”。根据东大煤矿煤层瓦斯赋存状态实际，运用瓦斯流量测试法对底抽巷穿层长钻孔的瓦斯抽采效果进行监测与验证。

1）根据表1 所示的钻孔施工参数，包括钻孔倾角、方位角、钻孔深度、封孔深度，在工作面底抽巷内一共施工7 个穿层钻孔。

2）所有的瓦斯抽采钻孔均需要进行封孔处理，封孔的主要技术如图3。

3）对钻孔进行封孔后，每10 min 对3 组钻孔进行瓦斯流量监测，各组钻孔流量需监测5 次以上。

4）以进行联网抽采的时间作为第0 天，连续监测记录瓦斯流量演化情况。

5）将数据监测仪统计的现场数据进行整理，并对瓦斯抽采流量的数据进行分析。

3 瓦斯抽采测试效果验证

3.1 瓦斯抽采流量测试结果

为检验底抽巷穿层定向长钻孔的瓦斯抽采效果，汇总了3 组钻孔在30 d 以内的瓦斯流量实测数据，现场测试采用多参量的瓦斯流量测定仪进行数据采集，布置多组钻孔进行瓦斯流量的抽采检测可以避免抽采钻孔的瓦斯流量误差影响，将误差控制在允许范围之内。将每组钻孔的瓦斯流量进行平均值处理，最终就得到每组钻孔的瓦斯流量数据。试验煤层的瓦斯流量数据见表2。

表2 瓦斯抽采流量30 d 数据表

试验煤层30 d 的瓦斯抽采流量数据绘制成曲线图如图4。3 组钻孔的瓦斯抽采流量在30 d 内的变化趋势拟合曲线均为指数型衰减形式，其中1#组钻孔的衰减幅度最大，由初始0.318 0 衰减至0.157 3，瓦斯的抽采效果最好；2#组钻孔的瓦斯抽采衰减幅度居中，由初始0.298 0 降低至0.185 8，钻孔抽采效果较好；3#钻孔的瓦斯抽采衰减幅度最低，由初始0.201 0 衰减至0.173 2。在抽采的初始几天内，瓦斯的流量数据有明显波动，代表在抽采的初期，煤层内部瓦斯压力状态及抽采钻孔流量和瓦斯流动状态具有不稳定性。

图4 瓦斯抽采流量30 d 统计图

3.2 瓦斯抽采率测试结果

为测试底抽巷穿层定向长钻孔的瓦斯抽采率，根据上文推导的公式（3）与表2 中的瓦斯流量数据，可计算得到距离钻孔不同位置处的瓦斯抽采率的演化趋势曲线。主要计算距离钻孔3～4 m 处的瓦斯抽采率，其中计算了1#组钻孔3.2 m、3.48 m、3.7 m距离处的瓦斯抽采率，计算了2#组钻孔3.3 m、3.45 m、3.6 m 处的瓦斯抽采率，计算了3#组钻孔3.1 m、3.31 m、3.5 m 处的瓦斯抽采率。3 组钻孔在30 d 内的瓦斯抽采率统计如图5。靠近抽采钻孔时，抽采率越高。瓦斯抽采率随抽采时间增加呈指数性变化。1#组钻孔的瓦斯抽采率大于2#组钻孔的瓦斯抽采率，3#组钻孔的瓦斯抽采率最低。3 组钻孔的瓦斯抽采率在30 d 内均达到了40%左右，满足前文所述试验煤层的瓦斯防突技术要求中规定的瓦斯抽采率为38%的要求，随着抽采继续，极大降低瓦斯的突出危险性。根据瓦斯抽采流量的演化趋势和瓦斯抽采率的降低幅度可知底抽巷穿层定向长钻孔抽采瓦斯技术有效地防治了试验煤层的突出危险性。

图5 东大煤矿瓦斯抽采率30 d 统计图

4 结语

1）以瓦斯抽采率和瓦斯抽采流量作为理论基础，建立瓦斯抽采效果判别方法。假设瓦斯抽采率从1 到0 的变化规律遵循指数型函数分布形式，推导出钻孔瓦斯流量公式。

2）布置7 个底抽巷穿层定向长钻孔，分为3组进行瓦斯流量监测，给出了钻孔施工参数。

3）汇总了3 组钻孔在30 d 以内的瓦斯流量现场实测数据，3 组钻孔瓦斯流量均呈指数衰减形式。计算得出，此期间内瓦斯抽采率达到了瓦斯防治标准。