基于临界残余瓦斯含量的抽采半径确定方法

刘 兴

(阳泉市上社煤炭有限责任公司，山西市阳泉市，045200)

预抽煤层瓦斯和开采保护层是区域防突措施两种方式，到目前为止，开采保护层是更有效的区域防突措施，然而并不是所有的突出煤层都具有开采保护层的条件。在没有保护层开采条件的突出煤层，预抽煤层瓦斯是防治煤与瓦斯突出的一种优选方式。

瓦斯抽采半径作为预抽煤层瓦斯区域防突措施关键参数之一，直接影响到了预抽钻孔的布孔间距，在预抽时间一定的条件下，抽采半径大的突出煤层，钻孔间距就大；反之，间距就小。抽采半径和抽采钻孔间距直接关系到抽采钻孔工程量、防突效果和经济成本。因此，对突出矿井而言，确定科学、合理的瓦斯抽采半径具有重要的意义。

1 抽采半径确定原则

抽采半径的考察确定方法主要有钻孔瓦斯流量法、瓦斯含量降低法、瓦斯压力降低法和数据模拟法4种。

抽采半径是指采取预抽煤层瓦斯防突措施后在规定的时间内，煤层中发生突出的因素值降低到临界数值以下的范围。也就是说，煤层瓦斯经过按抽采半径设计的钻孔预抽一定时间后，以抽采钻孔为中心，以钻孔间距的二分之一(抽采半径)为半径的区域内煤层的残余瓦斯压力降到0.74 MPa或残余瓦斯含量降到8 m3/t以下。

对同一地质条件下同一煤层而言，抽采半径和抽采时间是一一对应的两组数据，可根据现场考察出的数据拟合成抽采半径和抽采时间的函数关系式，然后根据函数关系式并结合矿井实际抽采时间计算出需要的抽采半径。以两倍的抽采半径的数值作为抽采钻孔的间距施工抽采钻孔，通过残余瓦斯含量以及回采期间的工作面预测的方式检验抽采半径的合理性。

考虑到瓦斯压力测定比较复杂，且易受地质构造、封孔质量等因素影响，本文选取瓦斯含量降低法进行抽采半径考察。

2 现场考察

2.1 工作面概况

上社煤矿位于山西省阳泉市盂县境内，隶属于晋能集团。矿井井田面积12.464 km2，属煤与瓦斯突出矿井, 设计生产能力为240 万t/a 。主要开采9#和15#煤层，其中15#煤层是突出煤层。试验地点选择在15104工作面，其上部15103工作面已采，下部为15105工作面未采。15#煤层倾角3°～5°，煤层厚度5.4 m，煤层结构简单，瓦斯含量为12.91 m3/t。15104工作面走向长度960 m，倾斜长度200 m，综合机械化采煤，一次采全高。

2.2 现场考察实施方案

在15104进风巷选取煤层赋存较稳定的区域施工5组钻孔，编号为1组、2组、3组、4组、5组，每组施工10个钻孔，钻孔长度为110 m，孔径110 mm，为保证每组钻孔的测定数据独立、可靠，每相邻两组钻孔孔间距为50 m。1～5组组内钻孔的间距分别是2 m、3 m、4 m、5 m、6 m，对应的抽采半径分别是1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m。根据上社煤矿的经验，其巷道瓦斯预排等值宽度为15 m，因此，为保证抽采效果，封孔长度为16 m，采用两堵一注封孔方式，抽采半径考察钻孔布置如图1所示。抽采钻孔施工时，每30 m测定1次瓦斯含量，选取最大的含量值作为组内瓦斯含量，记录如表1所示。

图1 抽采半径考察钻孔布置示意图

组别孔号钻孔间距/m抽采半径/m钻孔倾角/(°)钻孔长度/m原始瓦斯含量/m3·t-111-1021411010.98211-2031.5411012.15321-3042411011.34431-4052.5411012.30541-5063411011.56

3 抽采半径确定及验证

3.1 抽采半径确定

抽采一定时间后，首先根据瓦斯抽采量计算残余瓦斯含量：

(1)

式中：WCY——煤的残余瓦斯含量，m3/t；

W0——煤的原始瓦斯含量，m3/t；

Q——评价单元钻孔预抽排放瓦斯总量，m3；

G——评价单元参与计算煤量，t。

经计算，残余瓦斯含量降到8 m3/t以下后，再分别采用瓦斯含量直接测定方法测定残余瓦斯含量进行预抽防突效果检验，1～4组钻孔范围内分别施工2个测试钻孔，在第5组施工3个测试钻孔，孔深80 m，每个测试孔测定瓦斯含量4次，同一孔中选取最大的含量数据作为该孔的瓦斯含量，每组选取组内所有孔的最大瓦斯含量作为该组的瓦斯含量(如果实测的瓦斯含量仍大于8 m3/t，继续抽采直到实测的残余瓦斯含量降至8 m3/t以下)，得到一定抽采时间后对应的残余瓦斯含量情况如表2所示。

表2 抽采一定时间后残余瓦斯含量测定结果

由表2可以看出，1～5组分别经过16 d、41 d、89 d、179 d、378 d抽采后，瓦斯含量降为7.12 m3/t、7.58 m3/t、7.69 m3/t、7.84 m3/t、7.93 m3/t，均小于8 m3/t，抽采半径分别达到1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m。

根据表2绘制出抽采半径R与预抽时间t关系曲线，如图2所示。由图2可知，上社煤矿15#煤层抽采半径R与抽采时间t之间符合对数关系，关系表达式为：

F(R，t)= 0.6391×lnt-0.8243

(2)

3.2 现场验证

抽采钻孔布置在工作面巷道中线位置，选择的抽采半径为煤层厚度的一半，也就是2.7 m，带入上述关系式，可得抽采时间248 d。综合考虑上社煤矿实际煤厚特点、工作面布面时间(一般1个工作面需要布置1年的时间)、钻孔的施工能力等因素，从时间上来说抽采时间为248 d能满足矿井衔接的需要。

图2 抽采时间t与抽采半径R之间的关系曲线

选择在11504工作面进风巷和11504工作面回风巷施工顺层钻孔抽采，经过248 d抽采后，工作面回采前预抽防突措施效果检验时测得最大残余瓦斯含量为7.81 m3/t。工作面回采期间，每50 m测定两次瓦斯解吸指标K1值，测得的K1值一般介于0.2～0.3 mL/(g·min0.5)之间，最大K1值为0.49 mL/(g·min0.5)，均在临界值以下。无论采用残余瓦斯含量进行效果检验，还是采用瓦斯解吸指标K1值进行验证，工作面可判定为无突出危险，事实上工作面实际回采期间回风、隅角瓦斯也均未出现瓦斯超限现象，说明采用2.7 m的抽采半径经过248 d抽采后，瓦斯抽采取得了良好的效果。

4 结论

(1)以10个抽采钻孔为一组作为评价单元，避免了钻孔较少带来的测量误差，保证了测量的可靠性。

(2)根据现场考察结果，确定出上社煤矿15#煤层ø110 mm钻孔的抽采半径R与抽采时间t之间满足对数函数关系，由此确定抽采半径为2.7 m时，工作面至少需要抽采248 d。

(3)工作面回采前参与瓦斯含量效果检验和回采期间瓦斯解吸指标K1值验证结果表明，抽采半径2.7 m能满足上社矿的需要，可在其他工作面推广使用。