高俊奇
(西山煤电屯兰矿通风区，山西 古交 030206)
引 言在突出矿井的区域瓦斯综合治理中，顺层瓦斯抽采技术由于其适用煤层条件充分，因此得到了广泛的应用[1-3]。影响顺层钻孔抽采效果的最为关键性的因素就是钻孔抽采间距的合理确定。抽采间距过大，会造成抽采周期长、抽采效果不达标，而抽采间距过小则会导致工程周期增加、资金占用多等情情况。因此，在设计抽采钻孔前，确定合理的抽采半径非常重要。目前确定顺层钻孔有效抽采半径的方法可分为直接法和间接法两种[4-6]，直接法包括现场实测瓦斯压降、失踪气体追踪法和钻孔流量测定法等，间接法则主要通过构建煤层模型，赋参后通过数值模拟软件进行计算求解。通常在具备条件的情况下，多采用直接法进行测试。从机理上分析，有效抽采半径就是在钻孔抽采负压的作用下，煤层内的瓦斯大量解吸，并在压力梯度的驱使下沿着煤层内的原生和次生裂隙发生运移，最终进入抽采钻孔[7-8]。影响瓦斯抽采半径的因素有很多，最为关键的是煤层的渗透率(透气性系数)，此外，钻孔孔径、抽采负压、抽采时间等也会影响有效抽采半径的改变。为了合理设置顺层钻孔抽采时的钻孔间距，本文采用实测瓦斯压降的方法，对屯兰煤矿主要可采煤层进行了有效抽采半径的测定。
1 矿井概况屯兰煤矿位于山西省西山煤田，东西宽9.9 km，南北长10.6 km，井田面积约为73.3 km2。井田范围内主要含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组，含煤共18层，煤层总平均厚度15.70 m。山西组含有7层煤层，为上组煤，其中，02#、03#、2#及4#煤层为可采煤层，煤层总平均厚度为7.70 m。太原组含有6层煤层，为下组煤，其中，6#、7#、8#及9#煤层为可采煤层，总平均厚度为8.04 m。
井田分为南北两翼，其中，北翼包括北一、北二、北三3个采区；南翼包括南一、南二、南三、南四、南五、南六、南七7个采区，如图1所示。
图1 屯兰煤矿地质构造及煤层柱状图
2 测量方法与原理钻孔抽采半径按抽采影响程度划分，可分为两类：一类为抽采影响半径，代表抽采钻孔所能影响到的极限半径范围，另一类为抽采有效半径，代表在规定抽采时间内能够抽采达标的作用半径见第67页图2。
图2 抽采钻孔的两类抽采半径示意
2.1 测量方法采用现场实测压降法，需先确定合适的测试地点，通常为煤层赋存条件较为均匀，受地质构造影响较小处，在工作面一侧巷道向待测煤层沿水平方向施工一组测压钻孔，钻孔间距按考察条件设置，封孔后安装压力表，至压力表稳定。在该组测压钻孔中部，按一定间隔(通常为1 m～2 m)施工抽采钻孔，封孔后接入抽采系统开始抽采。在抽采钻孔抽采过程中，持续观察各个测压钻孔的压降情况。通常情况下，随着抽采时间的增加，越靠近抽采钻孔的测压钻孔其瓦斯压力降低越明显，当某一测压钻孔靠近抽采钻孔一侧的测压孔瓦斯压力均降低至有效指标以下，而远离抽采钻孔一侧的测压孔瓦斯压力均高于有效指标以上时，则可将该钻孔与瓦斯抽采孔的距离确定为有效抽采半径。
2.2 抽采有效指标的确定2.2.1 瓦斯压力与瓦斯含量的计算
根据《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》中抽采后煤的残余瓦斯压力计算方法，瓦斯含量与瓦斯压力之间存在如式(1)函数关系。
(1)
式中：Q为残余瓦斯含量，m3/t；a，b为吸附常数；P为煤层残余相对瓦斯压力，MPa；Ad为煤的灰分，%；Mad为煤的水分，%；φ为煤的孔隙率，%；ρ为煤的容重，t/m3。
2.2.2 有效指标的判据
抽采有效指标的判据，根据《煤矿安全规程》等相关规范可分为三类：
1) 经采前预抽后，煤层残存瓦斯压力应小于该煤层始突瓦斯压力，如果不掌握该煤层的始突瓦斯压力数据，则残存煤层瓦斯压力应小于0.74 MPa；
2) 抽采后的瓦斯含量小于抽采前的30%以上；
3) 在没有考察出煤层始突深度的煤层瓦斯含量或压力，必须将煤层瓦斯含量降到8 m3/t以下。
3 测定步骤及结果3.1 测定设计3.1.1 测定地点
根据屯兰矿井下现场实际情况，2#煤层选定在北三盘区22301瓦斯治理巷4#点前2 302 m右帮、南五盘区12507皮带顺槽距切眼70 m处左帮进行考察；4#煤层选定在南四盘区12412底抽巷D3#点前132m左帮、南五盘区12507底抽巷距末端100 m处右帮、北三盘区北三胶带巷Y#点前116 m左帮进行考察；8#煤层选定在南翼下组煤18402轨道顺槽18#点前100 m左帮进行考察；南翼下组煤9#煤层选定在18405底抽巷D1点前240 m左帮进行考察。具体位置如表1所示。
表1 各煤层测定点位置
3.1.2 钻孔位置
巷道内共施工9个孔，其中1个顺层抽采孔，8个考察孔，预先留置了抽采钻孔孔位。在抽采钻孔左侧，距离抽采钻孔间距为2 m～8 m，每隔2 m施工一个测压钻孔；在抽采钻孔右侧，距离抽采钻孔间距为3 m～9 m，每隔2 m施工一个测压钻孔；钻孔均位于煤层中部，距离巷道地板1.3 m。钻孔方位90°，倾角0°，测压钻孔施工孔深27 m，孔径89 mm，抽采钻孔施工孔深30 m，孔径113 mm。如图3所示。
图3 钻孔开孔布置图
将测压孔密封后安装压力表，每日读取压力表数据并记录，当压力表读数稳定不再变化后，即可认为测定的瓦斯压力为原始的煤层瓦斯压力。测压钻孔压力稳定后，在抽采钻孔预留位置处施工抽采钻孔，接入抽采系统后开始抽采。定期观察全部测压孔的瓦斯压力，记录瓦斯压力随抽采时间的变化。
3.2 测定数据分析对屯兰煤矿各煤层的煤样吸附常数(a,b)、煤的灰分(Ad)、煤的水分(Mad)、煤的孔隙率(π)、煤的容重(γ)进行测定，如表2所示。
表2 各煤层重要参数
抽采半径测压钻孔数据变化如图4所示。
图4 各煤层抽采半径测压钻孔数据变化
屯兰煤矿各煤层原始瓦斯压力含量小于0.74 MPa，因此需计算各煤层抽采钻孔对应瓦斯含量。由公式(1)计算出残余瓦斯含量，在与原来瓦斯含量进行对比，若残余瓦斯含量为原始瓦斯含量的70%以下，则抽采有效半径。由表2和图4可知，2#煤层应优先选择抽采半径为2 m，抽采时间为30 d时，抽采半径为4 m，抽采时间为60 d时，负压为13 kPa,孔径不小于96 mm较为合理；4#煤层应优先选择抽采半径为3 m，抽采时间为30 d时，抽采半径为5 m，抽采时间为60 d时，负压为13 kPa,孔径不小于96 mm较为合理；8#煤层应优先选择抽采半径为2 m，抽采时间为30 d时，抽采半径为4 m，抽采时间为60 d时，负压为13 kPa,孔径不小于96 mm较为合理；9#煤层应优先选择抽采半径为3 m，抽采时间为30 d时，抽采半径为5 m，抽采时间为60 d时，负压为13 kPa,孔径不小于96 mm较为合理。
4 结论在稳定地应力和瓦斯渗透压作用下的，屯兰矿2#、4#、8#、9#煤层钻孔瓦斯抽采时间为30 d～60 d是合理的，因此顺层抽采钻孔孔径不小于96 mm，13 kPa抽采负压的条件下，2#煤层抽采半径设计为2 m～4 m，8#煤层抽采半径设计为2 m～4 m，4#、9#煤层抽采半径设计为3 m～5 m。
