消除钻孔瓦斯抽采盲区空白带的布孔方式研究

李 普，张小东，覃木广

(1.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454000； 2.郑煤集团公司，河南 郑州 450042； 3.中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心，河南 焦作 454000； 4.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037； 5.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

随着我国煤矿采掘深度的不断延伸、高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井数量的增加，瓦斯制约煤矿安全生产的程度越来越大。在煤矿井下瓦斯治理中，抽采钻孔预抽煤层瓦斯技术被广泛应用[1]，瓦斯抽采效果主要和抽采钻孔的布孔方式有关，因而在瓦斯抽采前合理地布置抽采钻孔显得至关重要[2-4]。在考察钻孔布置参数对瓦斯抽采效果的影响方面，取得了较多的研究成果。周厚权等[5-9]从瓦斯抽采钻孔漏气类型、钻孔参数设计等角度进行了大量的对比研究，提出了高效封孔技术，通过加强瓦斯抽采过程标准化管控，达到了提高瓦斯抽采效果的目的；王维忠等[10-13]研究了钻孔抽采时间、钻孔间距与瓦斯抽采有效影响半径之间的关系，表明抽采钻孔布置间距减小到一定合理范围内可消除抽采盲区空白带，同时对开采期间煤与瓦斯突出危险性也有一定缓解作用。但是在具体实施过程中由于井下煤层范围较广，钻孔间距减小后，钻孔布置工作量会大幅度增加，因而需要进行对比分析选择合适的布孔方式。徐青伟等[14-16]在一定对比基础上提出了新的钻孔布置方式，这种模式下相应的盲区空白带被有效地消除，且对应的抽采钻孔的孔数也没有明显增加，可更好地满足抽采效率要求。

综上可知，目前研究方向主要集中在优化确定抽采钻孔时间效应、钻孔位置等抽采参数，对钻孔的抽放时间、抽放位置相关的参数进行模拟分析并优化参数。很少研究不同布孔方式下钻孔的有效控制面积、有效抽采面积利用率，而这又是影响瓦斯抽采效率的关键因素。鉴于此，笔者对典型布孔方式进行分析，定量地比较分析典型布孔方式下钻孔的有效控制面积、重复抽采区域面积，并通过现场验证，以期筛选出最优的布孔方式。

1 典型布孔方式分析

利用底板岩巷施工穿层钻孔预抽煤层瓦斯的措施是多数不具备保护层开采的煤矿治理瓦斯的主要手段，而穿层钻孔的布置方式又是影响瓦斯抽采效果的重要因素之一。通过对典型穿层钻孔布孔方式进行分析，从而确定最优的钻孔布置方式。

1.1 正方形布孔方式

煤矿井下最为常用的穿层钻孔布孔方式为正方形布孔方式，也称作“方格”布孔方式。假设钻孔有效抽采半径为R，同排孔与孔间距(A、B)和排间距(A、D)均设置为2R，相邻四孔A、B、C、D的有效控制面积为4R2。此种布孔方式在煤层中会形成抽采盲区空白带。“方格”布孔方式如图1所示。

“方格”布孔方式空白带面积为：

(1)

1.2 三花眼布孔方式

可通过不同的方式消除“方格”布孔方式瓦斯抽采盲区空白带，目前应用比例较高的为三花眼布孔方式。这种方式就是在“方格”布孔方式的盲区空白带的中心施工一个抽采钻孔，进而对此区域的瓦斯进行抽采。三花眼布孔方式如图2所示。

图2 三花眼布孔方式

三花眼布孔方式相邻四孔AEFD有效控制面积为：

SAEFD=(S三角形AHE+S三角形DGF+S正方形DGEH)

(2)

相邻四孔控制面积中重复抽采区域面积为：

S重复=2(S扇形HDG+S扇形HEG-S正方形HDGE)

(3)

三花眼布孔方式可有效地消除瓦斯抽采盲区空白带，但是也会导致重复抽采问题，同时对应的钻孔工程量也明显增大，单个钻孔的瓦斯抽采浓度都有一定幅度下降，瓦斯抽采效率会受到影响。

1.3 优化后的正方形布孔方式

图3 优化后正方形布孔方式

经计算，图3中阴影部分即重复抽采区域面积为：

S重复=4S扇形AEF-S正方形ABCD

(4)

优化后正方形布孔方式同样存在钻孔工程量增大、真正抽采有效区域有较大的重叠、钻孔的抽采效率较低的问题。

1.4 等腰三角形布孔方式

图4 等腰三角形布孔方式

由图4可知，等腰三角形布孔方式下的重复抽采区域面积明显减少，但依然存在面积较小的抽采盲区空白带。

经计算，图4中相邻四孔重复抽采区域面积为：

S重复=4(S扇形AHG-S三角形AEG)

(5)

相邻四孔重复抽采区域的面积也可表示为：

S重复=4(S扇形AHG-S三角形AEG)=4(0.24R2-0.2R2)=0.16R2

(6)

相邻四孔控制区域中抽采盲区空白带的面积为：

(7)

由此可得：

(8)

1.5 等边三角形布孔方式

图5 等边三角形布孔方式

由图5可知，等边三角形布孔方式不存在抽采盲区空白带，且重复抽采区域的面积较小，能满足现场瓦斯治理需要。

图5中相邻四孔A、B、C、D控制区域中重复抽采区域面积为：

S重复=12SEFG=12(S扇形EDG-S三角形EDF)

(9)

由此可得：

S重复=12(S扇形EDG-S三角形EDF)

=12(0.26R2-0.22R2)=0.48R2

(10)

2 典型布孔方式比较

典型布孔方式下相邻四孔有效控制面积、重复抽采区域面积，以及抽采盲区空白带面积计算结果如表1所示。

表1 典型布孔方式下钻孔有效控制面积、重复抽采区域面积及抽采盲区空白带面积计算结果

由表1可知：

1)“方格”布孔方式和等腰三角形布孔方式存在抽采盲区空白带，不符合《防治煤与瓦斯突出细则》要求，存在安全隐患，不适合现场使用；三花眼布孔方式、优化后的正方形布孔方式和等边三角形布孔方式均不存在抽采盲区空白带的问题，能够满足瓦斯治理要求。

2)在钻孔数量相同的情况下，等边三角形布孔方式下有效控制面积是三花眼布孔方式和优化后正方形布孔方式下有效控制面积的1.3倍；等边三角形布孔方式下有效抽采面积利用率是三花眼布孔方式和优化后正方形布孔方式下有效抽采面积利用率的1.9倍。

3 现场应用及效果分析

在郑州矿区告成煤矿25031开切眼底抽巷开展3种布孔方式下瓦斯抽采效果对比研究。

3.1 试验地点及钻孔布置

25031开切眼设计工程量240 m，平均煤厚为5.5 m，实测煤层瓦斯含量为6.29～14.94 m3/t，平均为10.44 m3/t，煤层瓦斯抽采有效半径R为4 m。本次试验将25031开切眼分为3个试验区，3个试验区面积均为长×宽=80 m×64 m=5 120 m2，3个试验区分别按照三花眼、优化后正方形和等边三角形布孔方式布置钻孔。为对比分析各布孔方式下的抽采效果，将孔板流量计安装在3种布孔方式对应的瓦斯抽采支管上，在试验过程中对瓦斯浓度和抽采流量相关参数进行检测，然后对比分析各种布孔方式的抽采效果。

3.2 单位长度巷道所需钻孔工程量分析

为便于各布孔方式下的钻孔工程量的对比分析，设定单位长度巷道钻孔工程量指标来衡量钻孔工程量，钻孔工程量和钻孔施工成本呈正相关关系，可通过此参数衡量钻孔施工效益。在实际施工中，相应的钻孔量较大，在每个试验区均选取相邻2列钻孔为例，统计钻孔施工长度如表2所示。

表2 试验区钻孔施工长度

由表2统计得到3种布孔方式下对应试验区域累计钻孔施工长度。再根据式(11)求得每掘进单位长度巷道所需的钻孔工程量：

(10)

式中：H为每掘进1 m长度巷道所需的钻孔工程量，m/m；lj为试验区块第j个钻孔的长度，m；L为试验区块掩护巷道长度，m；r为试验区块钻孔总数量。

不同布孔方式下所需钻孔工程量计算结果如表3 所示。

表3 不同布孔方式下所需的钻孔工程量

由表3可知，等边三角形、三花眼布孔方式下的单位钻孔工程量分别为46.4、64.5 m/m，等边三角形明显小于三花眼布孔方式下的单位钻孔工程量；优化后正方形布孔方式的单位巷道所需钻孔工程量介于前两者之间。对比工程量可知，等边三角形布孔方式能较好地满足要求。

3.3 瓦斯抽采效果

在试验过程中为满足数据的对比要求，对不同区域钻孔结束后25 d内的全部瓦斯抽采数据进行统计分析，确定出抽采瓦斯浓度(CH4体积分数)分布图，如图6所示。

图6 不同布孔方式下抽采瓦斯浓度与抽采时间的关系

由图6可知，各抽采时间下相应的抽采瓦斯浓度波动范围为14.9%～52.0%，抽采瓦斯浓度波动与抽采负压变化有关。增加抽采时间后，各布孔方式抽采瓦斯浓度都有一定幅度降低，其中优化后正方形布孔方式下瓦斯浓度呈现明显的波动。对比分析可知，等边三角形布孔方式下瓦斯浓度下降的速度最慢，且较平稳，由此可判断这种布孔方式下钻孔间距不会明显影响到抽采速度。

根据不同布孔方式下的瓦斯混合流量和总孔数，代入公式计算出不同抽采时间下相应的单孔日抽采瓦斯纯量均值，结果如图7所示。

图7 不同布孔方式下平均单孔抽采瓦斯纯量与抽采时间关系

由图7可知，延长抽采时间后，不同布孔方式下的单孔日均抽采瓦斯纯量都有一定幅度降低，其中三花眼布孔方式下的单孔日均抽采瓦斯纯量在16～19 d期间大幅度降低，优化后正方形布孔方式和等边三角形布孔方式在25 d内都未出现大幅度降低。由此可判断三花眼布孔方式下早期可能存在一定“孔间干扰”，这对瓦斯抽采会产生不利的影响。在此过程中为对比分析各种布孔方式下的瓦斯抽采效果，代入监测数据确定不同布孔方式下25 d内的单孔抽采平均瓦斯浓度，具体数值如表4所示。

表4 不同布孔方式下单孔抽采25 d内的平均瓦斯数据

由表4可知，在抽采25 d期间内，优化后正方形布孔方式下的单孔平均抽采瓦斯纯量为0.013 7 m3/min，其次为等边三角形布孔方式，最小的为三花眼布孔方式，平均抽采瓦斯纯量只有0.009 4 m3/min，存在较明显的差异。

总体分析可知，瓦斯抽采效果最好的为优化后正方形布孔方式，最差的为三花眼布孔方式。结合上述典型布孔方式下瓦斯抽采效果对比分析结果，以及现场试验掩护巷道所需钻孔工程量，最终确定在煤矿井下底抽巷中优选等边三角形布孔方式布置穿层钻孔。

4 结论

1)“方格”布孔方式和等腰三角形布孔方式存在抽采空白带，不符合瓦斯防突工作要求，存在安全隐患；而三花眼布孔方式、优化后的正方形布孔方式和等边三角形布孔方式均不存在抽采盲区的问题，能够满足煤矿瓦斯治理和防突的要求。

2)在钻孔数量相同的情况下，等边三角形布孔方式有效控制面积是三花眼和优化后正方形布孔方式有效控制面积的1.3倍；等边三角形布孔方式有效抽采面积利用率是三花眼布孔方式和优化后正方形布孔方式有效抽采面积利用率的1.9倍。

3)三花眼布孔方式的单位长度钻孔工程量最大，最小的为等边三角形布孔方式。对比分析钻孔瓦斯抽采25 d数据发现，三花眼布孔方式的抽采效果最差，单孔平均抽采瓦斯纯量也最小，优化后正方形布孔方式的效率最高。

4)对比分析现场试验和典型布孔方式的相关数据，最终确定在告成煤矿25031开切眼底抽巷进行瓦斯抽采时，等边三角形布孔方式最合适，可更好地满足综合要求。